MX2011004573A - Agentes de sosten de alta resistencia. - Google Patents
Agentes de sosten de alta resistencia.Info
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Abstract
Se revela una partícula de cerámica sinterizada obtenida a partir de material cerámico que tiene una densidad verdadera mayor a 3,5 g/cc y una composición que tiene no más de 30 por ciento en peso de óxido de silicio y al menos 15 por ciento en peso de óxido de hierro, en base al peso combinado de los óxidos de aluminio, hierro y silicio. También se revela un proceso que utiliza una fuerza de compresión aplicada externamente para obtener partículas de cerámica.
Description
AGENTES DE SOSTEN DE ALTA RESISTENCIA
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Esta invención en general se refiere a partículas de cerámica para utilizar en una amplia variedad de aplicaciones industriales . Algunas de estas aplicaciones incluyen el uso de una pluralidad de partículas de cerámicas: como un agente de sostén para facilitar la eliminación de líquidos y/o gases de pozos que han sido perforados en formaciones geológicas; como un medio para limpiar, moler o pulir; como un medio de soporte de lecho en un reactor químico; como un medio de transferencia de calor; como un medio de filtración; y como granulos para techo cuando se aplican a tejas de asfalto. Más específicamente, la presente invención es útil en aplicaciones que requieren una esfera cerámica que tiene alta resistencia a la compresión. Aun más específicamente, la presente invención se refiere a agentes de sostén que se pueden utilizar en formaciones geológicas donde la presión ejercida sobre el agente de sostén excede la resistencia a la compresión de agentes de sostén convencionales, tales como la arena y la arena recubierta de resina.
Ejemplos de patentes y solicitudes de patentes publicadas dirigidas a agentes de sostén incluyen los documentos 3.376.930; US 4.632.876; US 7.067.445; US 2006/0177661 y US 2008/0000638.
Ref.: 219656
BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION
Las modalidades de la presente invención proporcionan una partícula de cerámica que es apropiada para utilizar en aplicaciones de fondos de pozos que requieren un agente de sostén de alta resistencia.
En una modalidad, la presente invención incluye una partícula sinterizada que comprende material cerámico. El material cerámico comprende óxidos de aluminio, hierro y silicio. Los óxidos de silicio representan no más de un 30 por ciento en peso del peso combinado de los óxidos. Los óxidos de hierro representan entre un 15 y un 40 por ciento en peso del peso combinado de los óxidos . La densidad del material cerámico excede los 3,5 g/cc .
Otra modalidad se refiere a un proceso para realizar una partícula que comprende un material cerámico sxnterizado. El proceso puede incluir las siguientes etapas. Mezclar al menos un primer óxido metálico con uno o más ingredientes secos y al menos un líquido, formando así una mezcla. Formar al menos una porción de la mezcla en un precursor de partículas. Sinterizar el precursor. Calentar el precursor y ejercer una fuerza de compresión aplicada externamente sobre el precursor, formando así una partícula de cerámica sinterizada.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
La Fig. 1 es un diagrama de tres fases;
La Fig. 2 es una gráfica de flujo de un proceso utilizado para fabricar una partícula de cerámica; y
La Fig. 3 es una gráfica lineal que muestra la resistencia a la compresión representando el porcentaje de finos con respecto a la presión.
DESCRIPCION DETALLADA PE LA IWENCION
La tecnología que utiliza partículas para facilitar la eliminación de fluidos basados en hidrocarburos, tales como gas natural y petróleo, de perforaciones de fondos de pozos se ha documentado en numerosas patentes y artículos de revistas . Las partículas , a las que se puede hacer referencia como agentes de sostén, se utilizan para sostener grietas abiertas en la tierra a través de las cuales el gas y el petróleo fluyen hacia el pozo. En los pozos en los que no se utilizan agentes de sostén, las grietas en la tierra ubicadas más cerca de la perforación del pozo pueden hundirse luego de que se haya eliminado el gas y el petróleo localizados más cerca de la perforación del pozo. El hundimiento de las grietas limita la producción del pozo, evitando que petróleo y gas adicionales se muevan hacia la perforación del pozo. En contraste, la productividad de pozos que utilizan agentes de sostén puede mejorarse dado que los agentes de sostén sostienen abiertas las grietas en la tierra que de otro modo se cerrarían luego de la eliminación de los fluidos basados en hidrocarburos , Los agentes de
sostén se distribuyen en las grietas mezclando los agentes de sostén con un fluido de agrietamiento que es forzado a través de la perforación del pozo y dentro de las grietas . Cuando el fluido de agrietamiento se elimina, las partículas permanecen alojadas en las grietas, sosteniendo asi abiertas las grietas .
Debido a la constante necesidad de proporcionar cantidades cada vez más grandes de gas natural y petróleo y a la reducción simultánea de gas y petróleo fácilmente disponibles localizados cerca de la superficie de la tierra, los nuevos pozos deben perforarse con mayor profundidad que los pozos anteriores para alcanzar los depósitos de petróleo y gas sin explotar, A medida que aumenta la profundidad de la perforación del pozo, la presión que ejerce la tierra sobre el agente de sostén también aumenta. Por lo tanto, los fabricantes de agentes de sostén necesitan producir agentes de sostén que puedan soportar presiones más altas que los agentes de sostén producidos hace algunos años para que resistan la compresión en las mayores profundidades de los pozos. La capacidad de un agente de sostén de soportar la compresión puede caracterizarse como resistencia a la compresión, que es un término comúnmente utilizado para denotar la resistencia de un agente de sostén y puede determinarse utilizando la norma ISO 13503-2 : 2006 (E) . Un agente de sostén fuerte genera una resistencia a la
compresión con porcentaje en peso más bajo que un agente de sostén débil en la misma tensión de cierre. Por ejemplo, un agente de sostén que tiene una resistencia a la compresión de 2 por ciento en peso se considera que es un agente de sostén fuerte y se prefiere antes que un agente de sostén débil que tiene una resistencia a la compresión de 10 por ciento en peso.
Los agentes de sostén pueden ser de un material natural, tal como la arena, o de composiciones que fueron producidas mediante un proceso de fabricación. Un ejemplo de una composición utilizada para fabricar agentes de sostén es una combinación de óxidos metálicos, tal como la bauxita, que ha sido mezclada con diversos aditivos, formada en una pluralidad de pelotas generalmente esféricas y sinterizada luego para formar una pluralidad de agentes de sostén cerámicos . Si bien la composición química exacta de la bauxita puede variar dependiendo de la ubicación de la mina de la cual se extrae, la mayoría de las bauxitas incluyen entre 60 y 90 por ciento en peso de A1203 . Otro ejemplo de una composición que puede utilizarse para fabricar agentes de sostén comúnmente se conoce como "barro rojo", que es un subproducto del proceso Bayer para refinar aluminio. Este producto de desecho generalmente contiene hierro oxidado, titanio, sodio, sílice y otras impurezas.
La composición química de la bauxita puede determinarse preparando una muestra fusionada de la bauxita y luego
utilizando un aparato analítico de fluorescencia de rayos X (XRF) para determinar los porcentajes en peso de óxidos de aluminio, óxidos de hierro y óxidos de silicio. La muestra fusionada puede prepararse utilizando un aparato Claisse M4 Pluxer Fusión (fabricado por Claisse de Quebec City, Canadá) de la siguiente forma. Varios gramos de la bauxita se muelen manualmente para que la bauxita pase por un tamiz de 75 µp? (malla Tyler 200) . En un crisol de platino proporcionado por Claisse, se mezcla 1,0000 g (+ 0,0005 g) de la bauxita molida y tamizada con 8,0000 g (+ 0,0005 g) de boratos de litio 50-50 que contiene un agente de liberación tal como LiBr o Csl. Si el agente de liberación no está incluido en el borato de litio, se pueden agregar tres gotas de un agente de liberación (25% p/v LiBr o Csl) . La mezcla en el crisol es luego calentada gradualmente para eliminar todo material orgánico, humedad, etc. Simultáneamente, el crisol se centrifuga rápidamente de forma tal que la fuerza centrífuga causada por la centrifugación remueva cualquier gas atrapado del material fundido. Cuando la temperatura de la bauxita fundida en el crisol alcanza aproximadamente los 1000 °C, el material se ha licuado y el crisol se inclina de forma tal que la bauxita fundida fluya hacia un molde de disco. Mientras que el material fundido se enfría en el molde de disco, un ventilador sopla aire sobre el molde para facilitar la eliminación de calor. A medida que la bauxita fundida se
enfría, el material se fusiona y forma una muestra en forma de disco que mide aproximadamente 3 cm de ancho y 4 mm de espesor. El disco no debe contener ninguna burbuja de gas atrapada en el mismo. La composición química del disco enfriado se determina luego utilizando un analizador de fluorescencia de rayos X modelo MagiX Pro Philips ejecutando el software IQ+. El mismo procedimiento puede utilizarse para determinar la composición química de partículas de cerámica, tales como agentes de sostén.
Uno de los criterios considerados por los fabricantes de agentes de sostén cuando se selecciona una fuente de mineral de bauxita utilizada para obtener agentes de sostén es el nivel de impurezas no deseadas que se cree que degradan el rendimiento del agente de sostén. Las impurezas típicas incluyen óxido de hierro y óxido de titanio. Lamentablemente, las cantidades excesivas de mineral de hierro pueden causar problemas durante la fase de sinterización del proceso de fabricación del agente de sostén, dado que la temperatura de sinterización del mineral de hierro puede ser considerablemente diferente a las temperaturas de sinterización del óxido de aluminio y los óxidos de aluminio-silicio, tales como arcilla caolín o mullita. "Sinterizar" , como se utiliza en la presente, significa la unión de partículas mediante la aplicación de calor. Esto comúnmente resulta en densificación, pero no en
todos los casos . Algunos fabricantes de agentes de sostén comercialmente viables han considerado que las fuentes de mineral de bauxita que tienen un óxido de hierro de más de 15 por ciento en peso son inapropiadas para utilizar como materia prima para la producción de agentes de sostén. Por el contrario, esta solicitud revela que una fuente de bauxita que contiene una cantidad de un óxido metálico previamente considerada inaceptable puede utilizarse para fabricar un agente de sostén que tiene mayor resistencia a la compresión. Los agentes de sostén se pueden obtener seleccionando una fuente de mineral de bauxita que inherentemente contenga: entre 50 y 85 por ciento en peso de un primer óxido metálico, tal como óxidos de aluminio, que tienen una densidad mayor a 3,7 g/cc; entre 15 y 40 por ciento en peso de un segundo óxido metálico, tal como óxidos de hierro, que tienen una densidad mayor a 3,9 g/cc; y entre 0 y 30 por ciento en peso de un tercer óxido metálico, tal como óxidos de silicio, que tienen una densidad no mayor a 2,8 g/cc. Además, un mineral de bauxita que no contiene naturalmente un nivel de óxido de hierro suficiente puede mezclarse con una fuente de óxido de hierro separada para lograr un mejor rendimiento en el agente de sostén.
La historia del desarrollo de agentes de sostén, como se documenta en algunas patentes de los Estados Unidos, ha sido inconsistente con respecto a mostrar el mejor intervalo de gravedad específica para agentes de sostén. En los años
1970, el documento US 4.068.718, que reivindica prioridad de una solicitud presentada el 17 de mayo de 1974, reveló "un agente de sostén de alta resistencia que comprende partículas de bauxita sinterizada que tienen una gravedad específica de más de aproximadamente 3,4". Sin embargo, durante los años 1980, se realizó un esfuerzo considerable por parte de la industria de los agentes de sostén para producir agentes de sostén con una gravedad específica considerablemente menor a 3,4. Por ejemplo, el documento 4.680.230, que se presentó el 18 de enero de 1984, cita un estudio realizado para el Departamento de Energía de los Estados Unidos que describe que un "agente de sostén ideal" tiene "una gravedad específica de menos de dos" . En la columna 1, líneas 49 a 65, esta patente desalienta el uso de bauxita sinterizada como agente de sostén. Con respecto al uso de material que contiene óxido de hierro para fabricar esferoides de cerámica, tal como un agente de sostén que tiene una alta resistencia a la compresión, el documento US 4.632.876 dice: "Sin embargo, se pueden utilizar escorias de alto horno, escorias de planta de energía y cenizas volantes pero generalmente no son aceptables porque su alto contenido de óxido de hierro resulta en altas densidades. El contenido del óxido de hierro del particulado mineral debe ser considerablemente menor a 9 por ciento en peso, preferiblemente menor a 5%".
A diferencia de las patentes descritas anteriormente, la presente invención revela un agente de sostén en donde el material cerámico del agente de sostén tiene un contenido de óxido de hierro considerablemente mayor al que fue previamente considerado posible. Como se utiliza en la presente, la frase "material cerámico" se refiere al grupo de granulos de óxidos, carburos y nitruros inorgánicos, metálicos y no metálicos que formaron una esfera y se sinterizaron de forma tal que los gránulos individuales se adhieren entre sí formando así una partícula sinterizada. El material cerámico no incluye componentes volátiles, tales como aglutinantes y líquidos utilizados para obtener el agente de sostén, ni los polímeros u otros recubrimientos que puedan agregarse a la partícula luego de la fase de sinterización. En una modalidad de la presente invención, el agente de sostén contiene al menos un primer óxido metálico que incluye óxidos de aluminio y un segundo óxido metálico que contiene óxidos de hierro y puede incluir un tercer óxido metálico que contiene óxidos de silicio. Los porcentajes en peso del primer, segundo y tercer óxido metálico se calculan como A1203, Fe203( y Si02, respectivamente. La cantidad de óxidos de hierro en el agente de sostén puede representar entre el 15 y 40 por ciento en peso, más preferiblemente entre el 15 y 35 por ciento en peso, incluso más preferiblemente entre el 20 y 30 por ciento en peso, del peso
combinado del óxido. La cantidad de óxidos de silicio puede representar entre 0 y 30 por ciento en peso, más preferiblemente entre 1 y 10 por ciento en peso, del peso combinado del óxido. Los porcentajes en peso del primer, segundo y tercer óxido metálico se calculan como una fracción del peso combinado solamente de estos óxidos metálicos. Si el agente de sostén incluye otros componentes, tales como un recubrimiento polimérico aplicado a la superficie del agente de sostén y/o un cuarto óxido metálico, ni el peso del polímero ni el cuarto óxido metálico se incluyen en el cálculo de porcentajes en peso del primer, segundo y tercer óxido metálico. El peso combinado de los óxidos metálicos puede exceder el 50 por ciento en peso del peso total de la partícula de cerámica. El peso total de la partícula de cerámica incluye el peso del primer, segundo y tercer óxido metálico más el peso de otros óxidos metálicos e impurezas que permanecen luego de que la partícula ha sido sinterizada y antes de la adición de cualquier recubrimiento, relleno, etc. El peso combinado del primer, segundo y tercer óxido metálico puede exceder el 60 o incluso el 70 por ciento en peso del peso total de la partícula de cerámica.
Además de las características de las composiciones químicas descritas anteriormente, la densidad del material cerámico de la partícula excede los 3,5 g/cc . En algunas modalidades, la densidad del material cerámico de la
partícula puede exceder los 3,6 g/cc, 4,0 g/cc, 4,2 g/cc o incluso los 4,5 g/cc. Tal como se utilizan en la presente, las frases "densidad verdadera" , "densidad del material cerámico" , "densidad del material cerámico de la partícula" y "densidad del material cerámico del agente de sostén" se refieren a la densidad verdadera de la matriz cerámica sólida que forma la partícula de cerámica. Tal como se define en el Dictionary of Ceramics, tercera edición, por Arthur Dodd y David Murfin, la densidad verdadera de un sólido poroso "se define como la proporción de la masa del material con relación a su volumen real", que luego "se define como el volumen del material sólido únicamente, desestimándose el volumen de todo poro" . La densidad verdadera de un material cerámico es característica de la composición química y la(s) fase(s) cristalina (s) del material cerámico. La densidad verdadera del material cerámico es independiente de la porosidad de la partícula. La densidad del material cerámico del agente de sostén se determina de acuerdo con la Norma ASTM D02840-69 pesando una muestra, moliendo la muestra a menos de malla 100, midiendo el volumen de la muestra con un picnómetro de helio (tal como un estereopicnómetro SPY 03 Quantachrome) y calculando el peso por centímetro cúbico.
La densidad del material cerámico es un parámetro físico que es diferente y separado de la gravedad específica de la partícula. En contraste con la definición de densidad
provista anteriormente, las frases "gravedad específica de la partícula de cerámica" y "gravedad específica del agente de sostén" se refieren a la gravedad específica aparente de la partícula que se define en el Dictionary of Ceramics como "la relación de la masa con la masa de una cantidad de agua que, a 4°C, tiene un volumen igual al volumen sólido aparente del material a la temperatura de medición" . A los efectos de la presente, el volumen sólido aparente se define como el volumen del material sólido más el volumen de todo poro sellado. La gravedad específica de la partícula de cerámica se ve directamente afectada por la porosidad incorporada en la partícula. La porosidad de las partículas de cerámica de la presente invención puede estar en el intervalo de 2 a 40 por ciento. Son posibles las partículas de cerámica que tienen una porosidad de entre 5 y 15 por ciento. La gravedad específica de la partícula de cerámica puede determinarse utilizando la Norma Internacional ISO 13503-2. La norma fue dictada el Io de noviembre de 2006.
La porosidad aparente en una estructura de cerámica se define como 1 menos el cociente de la gravedad específica aparente dividida por la densidad verdadera.
La densidad verdadera del material cerámico y la gravedad específica de la partícula de cerámica pueden controlarse de manera independiente. Por ejemplo, mientras se mantiene constante la densidad verdadera del material
cerámico, pueden fabricarse partículas de cerámica que tengan diferentes niveles de porosidad incorporados en ellas, resultando asi en partículas de cerámica que tienen la misma densidad verdadera pero diferentes gravedades específicas . De modo similar, mientras se mantiene igual el nivel de porosidad en varias partículas de cerámica, las composiciones de los materiales cerámicos utilizados para hacer las partículas pueden cambiarse, resultando así en partículas que tienen la misma porosidad pero diferentes densidades verdaderas .
Utilizando las enseñanzas que se proporcionan en la presente, se puede obtener un agente de sostén que tiene una baja gravedad específica y una alta resistencia a la compresión. El agente de sostén puede hacerse de un material de alta densidad, tal como un material cerámico que tenga una densidad verdadera mayor a 3,5 g/cc, mientras que el agente de sostén puede tener una gravedad específica baja, tal como 2,8, debido a la incorporación de poros en el agente de sostén. Son posibles los agentes de sostén que tienen gravedad específica incluso más baja, tal como 2,5, 2,4 o 2,0. Dado que la alta densidad del material cerámico puede tener una alta resistencia y, por lo tanto, ser resistente a la compresión, pueden ser deseables los materiales cerámicos de alta densidad. Sin embargo, los agentes de sostén hechos de materiales de alta densidad verdadera pueden tender a
sedimentarse prematuramente en un fluido de agrietamiento cuando se inserta en una perforación de pozo si la gravedad especifica del agente de sostén es aproximadamente igual a la densidad verdadera del material cerámico. Los agentes de sostén que tienen buena resistencia a la compresión y baja gravedad especifica se pueden obtener si la densidad verdadera del material cerámico es lo suficientemente alta como para aumentar la resistencia a la compresión más allá de la disminución en resistencia a la compresión por la incorporación de poros necesarios para bajar la gravedad especifica del agente de sostén.
La Fig. 1 muestra un diagrama ternario 10 de una partícula de cerámica sinterizada que incluye Al203, Fe203 y Si02 y no adquiere porosidad. Las líneas 12, 14 y 16 representan las densidades verdaderas de las partículas de cerámica a 3,0 g/cc, 3,2 g/cc y 3,4 g/cc, respectivamente. Otras líneas que son generalmente paralelas a las líneas 12, 14 y 16 indican las densidades verdaderas de las partículas de cerámica como se marca en el diagrama de fase. En esta gráfica, la densidad más baja es aproximadamente 2,7 g/cc y la densidad más alta es aproximadamente 4,2 g/cc. El área dibujada 18 identifica la porción del diagrama que contiene no más de 30 por ciento en peso de Si02 , 15 a 40 por ciento en peso de óxidos de hierro y la densidad del material cerámico es 3,5 g/cc o más . Se ha encontrado que los agentes
de sosté que caen dentro del área dibujada tienen buena resistencia a la compresión cuando se evalúa la resistencia a la compresión a 137,9 megapascales (MPa) ; lo que equivalente a 20.000 psi.
La Fig. 2 muestra una gráfica de flujo de un proceso utilizado para obtener una partícula de cerámica sinterizada de la presente invención. La etapa 20 representa la mezcla de mineral bauxita con ingredientes secos, tales como aglutinantes y formadores de poros, y líquidos, tales como agua, para formar un polvo fluido al que se puede hacer referencia en la presente como una mezcla. Un aglutinante puede ser uno o más materiales seleccionados de almidones orgánicos, tales como almidón de perforación, así como gomas o resinas que se comercializan para los fines. Un aglutinante puede ser también un material inorgánico como arcilla o un ácido. Los aglutinantes generalmente se agregan en una cantidad menor al 10 por ciento en peso del contenido sólido seco de la mezcla y se pueden agregarse secos o como una solución. En la etapa 22, la mezcla puede procesarse mediante una máquina, tal como una mezcladora Eirich R02, formando así al menos una porción de la mezcla en un gran número de pequeñas esferas a las que se puede hacer referencia aquí como precursores de partículas o precursores de agentes de sostén. Los precursores de partículas que son útiles como agentes de sostén pueden procesarse mediante un
aparato de tamizado que incluye una designación de tamiz ASTM No. 8, que tiene aberturas de 2,36 mm, y una designación de tamiz ASTM No. 70, que tiene aberturas de 212 pm. Los agentes de sostén fluyen a través del tamiz No. 8 y no fluyen a través del tamiz No. 70. La etapa 24 representa la sinterización de los precursores para mejorar la integridad física de los precursores en relación con la integridad física de los precursores antes de calentarse. En la etapa 26, los precursores de partículas pueden calentarse y se puede aplicar externamente una fuerza de compresión ejercida sobre el precursor, produciendo así una pluralidad de partículas sínterizadas . Debido a la contracción que puede ocurrir durante el proceso de sinterización, el diámetro promedio de las partículas sínterizadas puede ser menor al diámetro promedio del precursor de partículas .
Los procesos comerciales utilizados para fabricar agentes de sostén generalmente utilizan un horno para sinterizar la cerámica sin procesar del agente de sostén a presión atmosférica. El horno puede ser un horno giratorio con forma tubular que permita a los agentes de sostén caer a medida que se mueven de un extremo del horno al extremo opuesto del horno. La temperatura máxima en un horno utilizado para obtener agentes de sostén que comprenden principalmente aluminio puede alcanzar los 1500 °C. A diferencia de la fabricación de agentes de sostén a presión
atmosférica, los agentes de sostén con mayor resistencia a la compresión pueden fabricarse ejerciendo una fuerza de compresión aplicada externamente sobre el agente de sostén durante el proceso de fabricación. La fuerza de compresión aplicada externamente puede ser cualquier fuerza que comprima uniformemente el agente de sostén desde todas las direcciones hacia el centro del agente de sostén. Un ejemplo de una técnica e compresión apropiada es la compactación isostática. Una modalidad específica de compactación isostática es la compactación isostática en caliente que utiliza gas caliente para elevar la temperatura de la partícula, de forma tal que pueda realizarse la sinterización completa o parcial del material cerámico, y ejerciendo simultáneamente una fuerza hacia dentro contra todos los puntos de la superficie de la partícula. La compactación isostática puede utilizar un receptáculo de goma flexible o elastómero comúnmente conocido como "molde", en el cual se inserta el artículo a compactar. El molde se coloca en un recipiente que contiene fluido hidráulico. Luego se aplica presión hidrost tica al fluido. El proceso aplica presión de forma uniforme sobre toda la superficie del artículo, resultando en un artículo que tiene densidad uniforme. Un abordaje alternativo es sinterizar secuencialmente y comprimir los artículos. En una modalidad, los artículos, tales como precursores de agentes de sostén, se sinterizan y luego se utiliza compactación isostática en
caliente para aplicar presión a todas las superficies de los agentes de sostén. La etapa de sinterización mejora la integridad física de los agentes de sostén. Los agentes de sostén basados en bauxita pueden sinterizarse a una temperatura de entre 1100°C y 1500°C. Otro abordaje alternativo es utilizar compactación isostática para ejercer una fuerza de compresión sobre los precursores de agentes de sostén y luego sinterizar las partículas comprimidas.
EJEMPLOS
Para demostrar la mayor resistencia a la compresión de los agentes de sostén de la presente invención, se realizaron cinco lotes de agentes de sostén, identificados en la presente como Lotes A, B, C, D y E, y se evaluó su resistencia a la compresión. Las materias primas utilizadas para obtener agentes de sostén se muestran en la Tabla 1. El Lote A representa agentes de sostén disponibles comercialmente que contenían 9,5 por ciento en peso de óxidos de hierro en el agente de sostén sinterizado. Los Lotes B, C, D y E representan agentes de sostén que tienen al menos 15 por ciento en peso de óxidos de hierro, calculados como Fe203 en el agente de sostén sinterizado. Una fuente de bauxita disponible comercialmente está disponible en Ferrous American Company of Littleton, Colorado, Estados Unidos. Una cantidad de bauxita de esta compañía se utilizó para fabricar los Lotes B, C, D y E. La composición de esta bauxita incluyó
64,0 por ciento en peso de Al203, 25,8 por ciento en peso de Fe203 y 4,0 por ciento en peso de Si02. El mineral también contenía 3,2 por ciento en peso de Ti02 y trazas, que se definen en la presente como menor al 1 por ciento en peso, de varios otros compuestos tales como MgO, CaO, Ce02 y MnO. Los Lotes A, B, C, D y E se obtuvieron utilizando un proceso de fabricación de agentes de sostén convencional para formar una pluralidad de pequeñas esferas, conocidas en la presente como precursores de agentes de sostén o precursores de. partículas . El proceso utilizó una mezcladora de corte de alta intensidad RV02 disponible en Eirich Machines, Inc. de Gurnee, Illinois, Estados Unidos . El proceso incluyó la colocación de la carga inicial de bauxita en la mezcladora con el platillo y el rotor girando. La velocidad del rotor se fijó en el 80 por ciento de la velocidad máxima. Luego de 30 segundos, el agua desionizada se volcó en la mezcladora directamente sobre la bauxita que rotaba. Se utilizaron aproximadamente 30 segundos para distribuir el agua sobre la bauxita. La bauxita humedecida se dejó girar durante tres minutos, tiempo en el cual se formaron una pluralidad de esferas . La velocidad del rotor se redujo luego a velocidad mínima a medida que el platillo continuaba girando. La segunda carga de bauxita se agregó luego lentamente a las esferas de bauxita que giraban. La adición lenta de bauxita tomó aproximadamente tres minutos y se puede hacer referencia a ella como wespolvorear" la
bauxita. Luego de que se espolvoreó la bauxi a, el platillo continuó girando durante aproximadamente 20 segundos. Las esferas de bauxita que habían sido recubiertas con una capa de bauxita se quitaron de la mezcladora y se puede hacer referencia ellas en la presente como precursores de agentes de sostén o precursores de partículas . Los precursores en los Lotes A, B, C y D fueron luego sinterizados en un horno giratorio a presión atmosférica. Solamente los precursores del Lote E se obtuvieron con un proceso que incluyó ejercer una fuerza de compresión aplicada externamente sobre el precursor del agente de sostén. La técnica utilizada para ejercer la fuerza de compresión aplicada externamente se conoce como compactación isost tica en caliente. Los precursores de partículas del Lote E se sinterizaron a 1250°C. Los precursores sinterizados se compensaron luego simultáneamente a 352 kg/cm2 (5.000 psi) y se calentaron hasta 1200 °C durante una hora. Calentar los precursores sinterizados hasta 1200°C mientras se ejercía la fuerza de compresión ayudó a evitar el crecimiento de granos durante la fase de compresión. Para los Lotes A, B y C, se utilizó tamizado para limitar el tamaño de partícula a aquellas partículas que pasaran a través de un tamiz con aberturas de malla 20 y no pasaran a través de un tamiz con aberturas de malla 40. Los Lotes D y E se tamizaron para limitar el tamaño de partícula a aquellas partículas que pasaran a
través de un tamiz con aberturas de malla 30 y no pasaran a través de un tamiz con aberturas de malla 50.
Tabla 1
* Los precursores se sinterizaron y luego se comprimieron utilizando compactación isostática en caliente.
La Fig. 3 es una gráfica lineal de resistencia a la compresión con respecto a la presión para los Lotes A, B, C, D y E. La línea 28 (Lote A) representa la resistencia a la compresión de una bauxita sinterizada disponible
comercialmente que contenía 9,5 por ciento en peso de óxidos de hierro calculados como Fe203. Tras exposición a 86,2 MPa (12.500 psi) , aproximadamente un 5,5 por ciento en peso del agente de sostén había sido comprimido hasta finos. La línea 30 (Lote B) y la línea 32 (Lote C) representan la resistencia a la compresión de pasajes por duplicado de un agente de sostén que tenia 25,8 por ciento en peso de óxidos de hierro calculados como Fe203 y un tamaño de partícula de 20/40. A 103 Mpa (15.000 psi) , un promedio de 4,5 por ciento en peso de este agente de sostén había sido comprimido hasta finos, que es mejor que la resistencia a la compresión del agente de sostén disponible comercialmente a 86,2 MPa (12.500 psi) (ver la línea 28) . La línea 34 (Lote D) y la línea 36 (Lote E) representan la resistencia a la compresión de un agente de sostén que tenía 25,8 por ciento en peso de óxidos de hierro calculados como Fe203 y un tamaño de partícula de 30/50. A 137,9 Mpa (20.000 psi), la resistencia a la compresión promedio de los agentes de sostén en los Lotes D y E fue de aproximadamente 3,5 por ciento en peso, que es mucho mejor que la resistencia a la compresión de los agentes de sostén que contenían menos de 15 por ciento en peso de óxido de hierro a 86,2 MPa (12.500 psi) (ver la línea 28). Los datos demuestran que los agentes de sostén obtenidos con más de 15 por ciento en peso de óxidos de hierro (Lotes B, C, D y E)
tenían mejor resistencia a la compresión que los agentes de sostén del Lote A, que tenían menos de 15 por ciento en peso de óxidos de hierro. Más aun, los agentes de sostén del Lote E proporcionaron la mejor resistencia a la compresión.
Se considera que la descripción que antecede corresponde sólo a modalidades particulares . Los expertos en la técnica y quienes lleven a cabo o utilicen la invención podrán considerar modificaciones de la presente invención. Por lo tanto, se entiende que las modalidades que se muestran en los figuras y se describen anteriormente tienen fines meramente ilustrativos y no pretenden limitar el alcance de la invención, que se define por las siguientes reivindicaciones según se interpretan de acuerdo con los principios del derecho de patentes .
Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.
Claims (19)
1. Una partícula sinterizada que comprende material cerámico, caracterizada porque el material cerámico comprende óxidos de aluminio, hierro y silicio; los óxidos de silicio, calculados como Si02, representan no más del 30 por ciento en peso del peso combinado de los óxidos; los óxidos de hierro, calculados como Fe203, representan entre un 15 y un 35 por ciento en peso del peso combinado de los óxidos; y la densidad verdadera del material cerámico excede los 3,5 g/cc.
2. La partícula sinterizada de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el peso combinado de los óxidos excede el 50 por ciento en peso del peso total de dicha partícula de cerámica.
3. La partícula sinterizada de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque los óxidos de hierro representan entre un 20 y un 30 por ciento en peso del peso combinado de los óxidos .
. La partícula sinterizada de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque los óxidos de aluminio, calculados como A1203, representan entre un 50 y un 85 por ciento en peso del peso combinado de los óxidos.
5. La partícula sinterizada de conformidad con la reivindicación 4, caracterizada porque los óxidos de aluminio representan entre un 60 y un 80 por ciento en peso del peso combinado de los óxidos .
6. La partícula sinterizada de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque los óxidos de silicio, calculados como Si02, representan entre un 1 y un 10 por ciento en peso del peso combinado de los óxidos .
7. La partícula sinterizada de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la densidad verdadera del material cerámico excede los 4,0 g/cc.
8. La partícula sinterizada de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la densidad verdadera del material cerámico excede los 4,5 g/cc .
9. La partícula sinterizada de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque dicha partícula tiene una porosidad mayor al 2 por ciento y menor al 40 por ciento.
10. La partícula sinterizada de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la gravedad específica de dicha partícula es menor a 3 ' 0 ·
11. La partícula sinterizada de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la gravedad específica de dicha partícula es menor a 2,8.
12. Un proceso para obtener una partícula que comprende un material cerámico sinterizado, caracterizado porque las etapas de : a. mezclar óxidos de hierro, aluminio y silicio con uno o más ingredientes secos y al menos un líquido, formando así una mezcla; b. formar al menos una porción de dicha mezcla en un precursor de partículas; c. sinterizar el precursor; d. calentar y ejercer una fuerza de compresión aplicada externamente sobre el precursor, formando así una partícula de cerámica sinterizada.
13. El proceso de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque la etapa (d) comprende comprimir y calentar el precursor simultáneamente.
14. El proceso de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque la etapa (d) comprende comprimir y calentar el precursor secuencialmente .
15. El proceso de conformidad con la reivindicación 14 , caracterizado porque la etapa (d) comprende comprimir y luego calentar el precursor.
16. El proceso conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15, caracterizado porque la etapa (d) comprende el uso de compactacion isostática para comprimir el precursor hasta que la densidad verdadera del material cerámico sinterizado exceda los 3,5 g/cc.
17. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15, caracterizado porque la etapa (d) comprende el uso de compactación isostática para comprimir el precursor hasta que la densidad verdadera del material cerámico sinterizado exceda los 4,0 g/cc.
18. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15, caracterizado porque la etapa (d) comprende el uso de compactación isostática para comprimir el precursor hasta que la densidad verdadera del material cerámico sinterizado exceda los 4,5 g/cc.
19. El proceso de conformidad con la reivindicación 12 , caracterizado porque dicha mezcla comprende entre 50 y 85 por ciento en peso de óxidos de aluminio, entre 10 y 40 por ciento en peso de óxidos de hierro, y entre 1 y 10 por ciento en peso de óxidos de silicio.
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