MXPA00009683A - Articulo ceramico resistente al choque termico. - Google Patents

Abstract

Un artículo cerámico resistente al choque térmico y un procedimiento de fabricar el artículo incluyen alternar capas de un primer material (2) que comprende una composición cerámica fusionable en partículas y de un segundo material (3) que comprende típicamente un material poroso pirolizable;la estructura en capas incrementa el trabajo de fractura y la tenacidad del artículo y puede originar resistencia al choque térmico mejorada;el procedimiento usa ventajosamente un lámina,película o manguito para preparar el artículo para cocerlo;la composición, espesor y porosidad del segundo material (3) afectarán a las propiedades deseadas;el procedimiento se destina particularmente a la fabricación de artículos cilíndricos, incluidas varillas metálicas recubiertas de refractario suspendidas dentro de una cuchara, boquillas y tubos de colada para la industria de fundición de metal

Description

ARTICULO CERAMICO RESISTENTE AL CHOQUE TERMICO ANTECEDENTES DE LA INVENCION CAMPO DE LA INVENCION Esta invención se refiere a un artículo cerámico y a un procedimiento para la producción del artículo, y más particularmente a un artículo y a un procedimiento que comprende alternar capas de materiales distintos para producir un artículo con trabajo de fractura mejorado.

DESCRIPCION DE LA TECNICA ANTERIOR Los artículos cerámicos son, por supuesto, bien conocidos y encuentran muchos usos comerciales cuando se desea, por ejemplo, dureza, propiedades refractarias o inercia química relativa. Sin embargo, un defecto grave de los productos cerámicos es su fragilidad o, dicho con otras palabras, su pobre trabajo de fractura o tenacidad. Esta limitación ha impedido la entrada de productos cerámicos en áreas en las que serían deseables sus otras propiedades. Por ejemplo, las patentes de los Estados Unidos nos. 5.657.729 y 5.687.787 describen intentos de incorporar partes cerámicas tenaces en motores de combustión interna. Típicamente los materiales frágiles fallan catastróficamente y a menudo sin previo aviso. Por el contrario, normalmente los materiales tenaces se curvarán o deformarán antes de fallar. En la mayoría de las aplicaciones, se prefiere este último tipo de fallo. Procedimientos comunes de ensayar la tenacidad son el ensayo de curvado con entalla de borde simple (SENB) y el ensayo del módulo de rotura (MOR). Los dos ensayos implican una geometría de curvado de tres puntos y difieren en la presencia o ausencia, respectivamente, de una entalla en la muestra a ensayar. En los dos casos, se incrementa lentamente el esfuerzo aplicado a una muestra en función de la deformación. El área resultante debajo de la curva de tensión frente a deformación es el trabajo de fractura y representa la cantidad de energía absorbida durante uno de estos ensayos. Un material más tenaz tiene la capacidad de absorber cantidades mayores de energía que un material más frágil. Una forma en la que el material puede absorber energía es por cambios morfológicos microscópicos. Por ejemplo, algunos metales o aleaciones tenaces, como el acero, absorben energía, por ejemplo, desarrollando dislocaciones o desplazamientos a través de planos de los cristales o sufriendo torsiones de los cristales. Un material también puede absorber energía creando nuevas superficies mediante un proceso conocido como embotamiento de fisuras. Por ejemplo, algunos materiales compuestos, como fibras de vidrio, son heterogéneos y contienen una pluralidad de fases. Cuando una fisura alcanza el borde de una fase, la fisura se puede propagar a lo largo del borde y crear una fisura de desestratificación. En realidad, la fisura se embota en el borde de la fase. El embotamiento reduce la propagación de la fisura esparciendo sobre una superficie mayor la energía localizada en la punta de la fisura. Generalmente, los materiales cerámicos no pueden absorber mucha energía porque su estructura cristalina resiste cambios morfológicos microscópicos. Adicionalmente, en materiales homogéneos no ocurre embotamiento de fisuras en una extensión sustancial. Los intentos de mejorar la tenacidad de materiales cerámicos se han limitado a introducir algún grado de heterogeneidad en el producto cerámico. Por ejemplo, se ha conseguido un incremento de la tenacidad proporcionando en el material cerámico una segunda fase, como una capa de fibras (véase, por ejemplo, la patente de los Estados Unidos No. 5.589.115). Presumiblemente, la capa de fibras interrumpe la propagación de la fisura embotando la punta de la fisura. Desafortunadamente, esta solución tiene sus inconvenientes. La matriz cerámica verde, en la que se coloca la fibra, se contrae cuando se calienta pero la fibra no. Esto origina una desestratificación de la fibra del material cerámico y crea lo que son esencialmente huecos en el material cerámico frágil. Los huecos actúan normalmente concentrando tensiones, iniciando la formación de fisuras e incrementando la probabilidad de fallo frágil. Las técnicas para resolver este problema implican una pluralidad de capas de fibras cerámicas impregnadas con un material cerámico en partículas, diluyente líquido y ligante orgánico. Esta técnica coloca el material cerámico en partículas en contacto más íntimo con la fibra. Sin embargo, durante la cocción el material cerámico en partículas también se contrae. Aunque es una mejora con respecto a la técnica anterior, este procedimiento no resuelve completamente el problema de la desestratificación y origina una composición cerámica con propiedades mecánicas variables. Se puede resolver sustancialmente la desestratificación mediante una técnica que implica infiltración de un fundido. Esta técnica implica perfundir en fibras cerámicas un material cerámico fundido. Aunque se reduce la desestratificación, surgen otros varios problemas. Para fundir materiales cerámicos se requieren temperaturas muy elevadas y algunos materiales cerámicos se subliman antes de fundir. Las temperaturas altas también pueden dañar la fibra cerámica. Incluso aunque se pueda fundir el material cerámico, la viscosidad de un material cerámico fundido es tan alta que la velocidad de infiltración en las fibras es muy lenta y el material cerámico fundido puede humedecer no homogéneamente la superficie de las fibras. Se pueden evitar las temperaturas extremadamente altas de infiltración del fundido mediante una técnica de infiltración con vapor (véase, 5 por ejemplo, la patente de los Estados Unidos No. 5.488.017). A temperaturas relativamente bajas, se infiltra en fibras cerámicas un vapor que comprende un precursor del material cerámico. Más tarde, se descompone el producto químico dando un residuo cerámico. Por ejemplo, se puede depositar metiltriclorosilano gaseoso sobre fibras cerámicas justamente a varios cientos i o de grados centígrados y descomponerlo más tarde a carburo de silicio a una temperatura que puede ser inferior a 1.200°C. Se crea una matriz de carburo de silicio que es reforzada por la fibra cerámica. Aunque resuelve algunos de los inconvenientes de procedimientos anteriores, la infiltración con vapor consume mucho tiempo y está limitada a materiales cerámicos con 15 precursores volátiles. La patente de los Estados Unidos No. 5.591.287 evita el uso de fibras, fundidos o precursores volátiles. Esta patente crea una o más zonas de debilidad entre capas de material cerámico en partículas sinterizable. Las zonas de debilidad consisten en capas muy finas de un material no 0 sinterizable o débilmente sinterizable. Ejemplos de materiales no sinterizables incluyen carbono o un material polimérico orgánico que se puede pirolizar dando carbono. Un material débilmente sinterizable puede formar enlaces consigo mismo y con materiales cerámicos en partículas, no sinterizables, pero los enlaces así formados son sustancialmente más débiles que los 5 enlaces formados en y entre las capas de materiales cerámicos sinterizables. Las zonas de debilidad deben ser inferiores a aproximadamente 50 micrómetros para permitir la sinterización entre capas cerámicas. Dichas zonas finas de debilidad pueden ser creadas esparciendo una suspensión de un material no sinterizable o débilmente sinterizable sobre una superficie de un material cerámico sinterizable preformado. Se pueden producir muchas zonas de debilidad depositando el material no sinterizable entre cada una de una pluralidad de capas cerámicas. Las zonas de debilidad resultantes pueden desviar fisuras que se propagan a través del material cerámico. La fisura puede entonces desplazarse a lo largo de la zona de debilidad y formar una fisura de desestratificación entre las capas del material cerámico. El proceso de desestratificación incrementa el trabajo de fractura. Desafortunadamente, este procedimiento está limitado a materiales cerámicos sinterizables que han sido preformados en forma de capa sobre la que puede ser esparcido un material no sinterizable. Esto limita tanto la composición como la geometría de los artículos que se pueden hacer usando este procedimiento. A pesar de estos conocidos procedimientos para mejorar la tenacidad de artículos cerámicos, en la industria todavía hay necesidad de un procedimiento para producir rápida y económicamente una morfología tenaz en una forma comercialmente útil. Mezclando simplemente una fibra cerámica en un material cerámico sinterizable se origina a menudo desestratificacíón entre los dos materiales. Los procedimientos para evitar desestratificaciones consumen demasiado tiempo, limitan la geometría o composición del artículo, producen resultados no uniformes o requieren temperaturas excesivas. Se necesita un procedimiento comercialmente viable para endurecer un artículo cerámico.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION La presente invención se refiere a un artículo cerámico de varias capas y a un procedimiento para hacerlo. En un aspecto general, el artículo comprende una pluralidad de capas de una primera fase que comprende una cerámica en partículas fusionada y/o aglutinada con carbono; y, dispuesta entre capas adyacentes de la primera fase una capa de una segunda fase mecánica o químicamente diferente. El artículo de la presente invención se caracteriza por tener un trabajo de fractura sustancialmente mejorado, comparado con un artículo cerámico sin una estructura en capas. La primera fase se describe como un material cerámico en partículas fusionado o unido por carbono. La segunda fase puede ser un material poroso, como una malla metálica, o un material refractario débilmente fusionado o unido por carbono, o puede comprender el residuo pirolizado de un material combustible. Alternativamente, la segunda fase puede ser fusionada por un procedimiento independiente de la primera fase, como sinterización, si la primera fase es un material cerámico unido por carbono. En otras realizaciones, la segunda fase puede compartir un mecanismo de unión similar con la primera fase pero tendrá propiedades mecánicas significativamente más débiles. La invención describe que las capas de la primera fase tienen preferencialmente un espesor de entre aproximadamente 0.5 mm y aproximadamente 10 mm y que las capas de la segunda fase tienen un espesor de aproximadamente 0.005 mm a aproximadamente 2 mm. Un aspecto de la invención describe que las capas se disponen helicoidalmente a lo largo del eje longitudinal de una forma cilindrica. El artículo también puede comprender una parte interior hueca.

La presente invención se refiere también a un procedimiento para producir un artículo cerámico que tiene resistencia al choque térmico y tenacidad mejoradas. En un aspecto general, la invención describe un procedimiento para formar un artículo cerámico alternando capas de un primer material con capas de un segundo material. El primer material puede ser un material cerámico en partículas fusionable o unido por carbono. Se supone que el segundo material forma una capa fusionada débilmente o unida débilmente por carbono. Alternativamente, el segundo material se puede fusionar por medio de un proceso independiente del primer material, como sinterización, si el primer material es un material cerámico unido por carbono. Se puede proponer el segundo material en forma de lámina, película, membrana o incluso un armazón sobre o en el que se puede colocar el primer material. Las capas se prensan después en una pieza y se cuecen para formar el artículo acabado. En un aspecto de la invención, se describe el segundo material como un material combustible que se puede pirolizar a temperaturas elevadas. El material combustible puede ser un material orgánico, como plástico, papel, algodón u otro polímero natural o sintético. También otro aspecto de la invención describe un procedimiento para hacer un artículo cilindrico en capas. El primer material se describe como un material cerámico refractario y el segundo material puede ser una lámina combustible. Las capas se alternan recubriendo la lámina combustible con el material cerámico, compactando el material cerámico sobre la lámina y arrollando posteriormente sobre sí misma la lámina recubierta con lo que se crea un cilindro con una morfología de "rodillo de gelatina". Alternativamente, el segundo material puede ser un armazón tubular. El material cerámico se inserta entonces en el armazón, se compacta y se conforma en cualquier forma deseada, incluido un "rodillo de gelatina". También otro aspecto adicional de la invención describe un procedimiento para hacer el artículo en forma de tubo bobinando alrededor de un mandril una lámina recubierta o un armazón relleno, prensando sobre el mandril la lámina o el armazón bobinados, separando la pieza del mandril con lo que se crea una parte interior hueca donde ha estado el mandril, y cociendo la lámina o armazón bobinados para hacer el artículo. Otros detalles, objetos y ventajas de la invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción de un procedimiento actual preferido de practicar la invención.

DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS La figura 1 es un dibujo de un artículo que tiene la estructura en capas alternantes de la invención. La figura 2 representa un procedimiento para crear el artículo de la figura 1 usando una lámina de un material orgánico. La figura 3 muestra un procedimiento para crear el artículo de la figura 1 usando un armazón de un material orgánico. En la figura 1 , se muestra un artículo conformado en forma de tubo por el procedimiento de la invención. El tubo 1 comprende una pluralidad de capas alternantes de una primera fase 2 y de una segunda fase 3. El número total de capas depende del espesor de cada capa y del espesor deseado 4 del tubo 1. Tanto la primera fase 2 como la segunda fase 3 están dispuestas helicoidalmente hacia fuera desde una parte interior hueca 5 del tubo 1. Dicha geometría impide que una fisura 6 se propague perpendicularmente al eje longitudinal 7 del tubo 1.

En la figura 2, se ¡lustra un procedimiento para preparar un artículo cerámico tubular. Se desenrrolla de una bobina 1 1 una lámina 10 de un material orgánico, que está compuesta de un segundo material. Sobre la lámina 10 se deposita un primer material 12 y la lámina 10 se bobina sobre un mandril 13 para formar un tubo que tiene una pluralidad de capas hasta conseguir el espesor deseado 15. En la figura 3, se representa un procedimiento alternativo que implica un armazón 20, que comprende un segundo material. Se alimenta un primer material 21 a una tolva 22 y se fuerza a entrar en el armazón. El armazón relleno 20 se compacta entre rodillos 23 y se bobina sobre un mandril 24 para formar un tubo 25.

DESCRIPCION DE LA REALIZACION PREFERIDA La presente invención describe un artículo cerámico que tiene resistencia al choque térmico y tenacidad mejoradas y un procedimiento para producirlo. El artículo es especialmente útil en la fundición continua de metales fundidos y se puede fabricar de modo que composiciones cerámicas diferentes estén expuestas a la corriente de metal fundido, línea de escoria y área de moldes. El procedimiento comprende depositar y compactar un primer material sobre o en un segundo material. Después el sustrato se puede conformar, prensar y cocer para formar un artículo cerámico. El artículo comprende una pluralidad de capas que comprenden por lo menos dos fases. Las capas adyacentes de una primera fase están en contacto físico entre sí, y entre las capas hay una ¡nterfase. La interfase comprende una superficie de contacto reducido entre capas adyacentes de una primera fase con lo que una fisura que se propaga seguirá preferencialmente la ¡nterfase y la fisura se embotará eficazmente. El embotamiento de la fisura incrementa la energía absorbida por el artículo, medida por el trabajo de fractura, y mejora la tenacidad del artículo. La primera fase puede comprender cualquier tipo de material cerámico en partículas fusionable o unido por carbono. Por conveniencia, "fusionado" o "fusionable" significa materiales cerámicos que se pueden "sinterizar" o "unir por carbono". Un material cerámico en partículas comprende cualquier tipo de material cerámico en polvo, granular, fibroso, troceado o de cualquier forma o combinación de formas, cualquiera que sea su tamaño, que es susceptible de ser prensado en una forma. Fusionable implica un material cerámico que puede ser cocido para crear un artículo fusionado a partir de un conjunto de partículas cerámicas. A menudo se usa un ligante para mantener unido el material cerámico fusionable antes de la cocción. Finalmente el material cerámico se cuece a una temperatura suficientemente alta para coalescer las partículas cerámicas con lo que se crea una masa fusionada. Puede quedar una cierta cantidad de fracción vacía porque las partículas cerámicas no se fusionan completamente o pierden su identidad individual. Por el contrario, un material cerámico no fusionable se puede sublimar o degradar antes de que ocurra la fusión, o la temperatura de cocción seleccionada puede ser sencillamente demasiado baja para provocar la fusión. El material cerámico fusionable en partículas se puede seleccionar de cualquier serie de compuestos cerámicos conocidos comúnmente y comprenderá usualmente, al menos en aplicaciones comerciales, una mezcla de compuestos cerámicos. La mezcla real elegida dependerá de la aplicación particular en la que se usará el artículo cerámico. Por ejemplo, las composiciones cerámicas que se usan en el manejo de metales fundidos pueden comprender alúmina, sílice, carburo de silicio, zirconia y otros compuestos cerámicos refractarios. Una mezcla cerámica refractaria típica usada en varillas metálicas recubiertas de refractario para cucharas de acerías comprende cantidades grandes de alúmina y grafito con cantidades menores de sílice y otros compuestos cerámicos refractarios. El grafito, un material no cerámico en partículas, se añade comúnmente para mejorar la resistencia al choque térmico. Alternativamente, un material refractario especializado que tiene excelente resistencia a la corrosión y a la erosión, pero pobre resistencia al choque térmico, puede comprender una cantidad grande de alúmina con cantidades menores de zirconia y sílice. La invención también crea la posibilidad de usar nuevas composiciones cerámicas que sacan provecho de la tenacidad mejorada de una morfología en capas. Por ejemplo, se pueden usar composiciones cerámicas que anteriormente habían sido demasiado frágiles o sensibles al choque térmico pero que tenían otras propiedades deseables. Se pueden reducir o eliminar ingredientes que habían sido necesarios para conseguir ciertas propiedades físicas. En particular el grafito, que mejora la resistencia al choque térmico, sufre una oxidación perjudicial. Una morfología en capas puede permitir el uso de menos grafito, originando un producto menos sensible a degradación por oxidación. La invención no está limitada a usar sólo una mezcla o composición cerámica simple en un artículo cualquiera. En realidad, se contempla poder usar una pluralidad de composiciones cerámicas en cualquier artículo acabado. Esto puede ser particularmente ventajoso cuando se deseen propiedades diferentes en lugares diferentes del artículo acabado. Por ejemplo, en buzas sumergidas para la fundición continua de metales fundidos, una primera composición cerámica que tiene buena resistencia a la escoria puede ocupar la capa exterior de la buza, una capa intermedia puede comprender una composición cerámica que tiene buena resistencia al choque térmico y una composición interior puede comprender un material cerámico con buena resistencia a la erosión. Junto con una primera fase que comprende un material cerámico, el artículo tiene también una segunda fase. La segunda fase separa capas de la primera fase y puede estar interpuesta entre estas. La segunda fase puede comprender, por ejemplo, fibras de carbono, una malla metálica, un residuo pirolizado, un material cerámico fusionado de modo relativamente débil o un material cerámico fusionado por un mecanismo diferente del mecanismo de la primera fase. En todos los casos, se pretende que la segunda fase interfiera la fusión entre capas de capas adyacentes de la primera fase. Dicha interferencia crea una inferíase que es más débil que la primera fase. La interfase se caracteriza como una región que comprende relativamente pocos enlaces entre capas adyacentes o como una discontinuidad en la microestructura del artículo. Se puede introducir la segunda fase en forma de polvo, lechada o suspensión, pero preferiblemente la segunda fase empieza en forma de sustrato capaz de soportar o contener el material cerámico en partículas. Lo más comúnmente, el sustrato será una lámina o un armazón. El término "lámina" significa cualquier película, textil, tejido o cualquier otra sustancia caracterizada porque dos de sus dimensiones son muy superiores a la tercera. "Armazón" significa cualquier envoltura, camisa, tubo, manguito o artículo similar flexible que se puede formar conectando bordes opuestos de una lámina y en el que se puede colocar el material cerámico en partículas. Lo más comúnmente, la lámina o el armazón serán un material orgánico, como un polímero natural o sintético, pero también pueden incluir una malla hecha de un material inorgánico. Los materiales inorgánicos incluyen fibras metálicas o inorgánicas, como grafito, o fibras cerámicas. Los polímeros sintéticos incluyen, por ejemplo, poliolefinas o poliésteres, pero pueden incluir cualquier tipo de polímero sintético que se pueda fabricar en forma de lámina o de armazón. Los polímeros naturales incluyen, por ejemplo, papel o algodón pero también se pueden usar otros polímeros naturales. Preferiblemente la lámina es un producto de papel, debido principalmente al bajo coste, buena resistencia mecánica y bajo alargamiento bajo tensión del papel. Probablemente la lámina experimenta una tensión durante su procesamiento y muchos polímeros sintéticos comunes se estiran inaceptablemente. El espesor de la lámina depende más o menos del espesor de la capa cerámica. Generalmente la lámina será más fina que la capa cerámica y a menudo tendrá aproximadamente un espesor de un décimo del espesor de la capa cerámica. Sin embargo, se debe apreciar que la invención proporciona un intervalo de espesores de por lo menos entre aproximadamente 0.005 mm y aproximadamente 2.0 mm, con independencia del espesor de la capa cerámica. Típicamente, la lámina, especialmente láminas orgánicas que contienen oxígeno como parte de su composición química, se pirolizará a las temperaturas necesarias para fusionar el material cerámico. La pirólisis puede dejar trazas de residuos entre capas cerámicas adyacentes pero también puede dejar un defecto, que es más débil que el resto del artículo fusionado. El defecto puede ser descrito como una región fusionada débilmente, comparada con la fusión que hay en las capas cerámicas. Una fisura que se propaga en una capa cerámica puede impactar esta región y desviarse a lo largo del defecto con lo que se forma una fisura de desestratificación. La energía necesaria para producir la desestratificación incrementa el trabajo de fractura y, en consecuencia, la tenacidad del artículo cerámico. Preferiblemente la lámina combustible tendrá orificios. Los orificios permitirán que capas adyacentes del material cerámico en partículas contacten entre sí mediante los orificios existentes en la lámina. Al cocer el artículo, el contacto entre las capas cerámicas mediante los orificios puede permitir algo de fusión entre las capas. Se supone que la lámina combustible se piroliza a las temperaturas de cocción pero no antes de evitar contacto sustancial y, por lo tanto, fusión en la región entre capas cerámicas. La región, que ha sido ocupado por la lámina ya pirolizada, puede contener en el artículo cerámico después de la cocción un defecto fusionado débilmente. Se debe entender que, incluso en ausencia de orificios en la lámina combustible, puede ocurrir algo de fusión entre capas cerámicas. Sin embargo, los orificios pueden permitir que la lámina sea más gruesa y, en consecuencia, más resistente y más fácil de manejar que láminas sin orificios. Defectos débilmente fusionados pueden ser producidos por láminas sin orificios pero estas láminas pueden necesitar ser más finas que las correspondientes láminas porosas. Una lámina más fina puede originar dificultades de fabricación cuando se produce un artículo cerámico de acuerdo con el procedimiento de esta invención. Se supone que las láminas más finas flexan más y soportan menos material cerámico en partículas antes del pandeo. Una lámina sin orificios o una lámina de espesor excesivo puede incluso crear defectos en el artículo cerámico que disminuyen realmente la tenacidad. Estos defectos pueden ser pocos si se ha producido fusión entre capas cerámicas después de que la lámina combustible se haya pirolizado. Una grieta que se propaga a través de un material cerámico puede encontrar un defecto, que ha sido creado entre capas cerámicas por pirólisis de una capa combustible. La fisura se puede desviar a lo largo del plano del defecto. Sin algo de fusión entre las capas cerámicas, la fisura se propagará rápidamente a lo largo del plano del defecto porque no se necesitará energía adicional, por ejemplo, para romper enlaces formados por fusión. Generalmente la tenacidad no será mejorada por este tipo de defecto porque, como se ha dicho anteriormente, una tenacidad mayor está relacionada con un aporte de energía mayor. No se supone que una fisuración sin necesidad de aporte de energía mejore la tenacidad. Por lo tanto existe una competencia entre maximizar y minimizar el grado de fusión entre capas cerámicas. Menos fusión entre capas cerámicas crea un defecto más "perfecto" y puede incrementar la posibilidad de que una fisura que se propaga a través del material cerámico se desvíe a lo largo del plano del defecto. Sin embargo, una vez que la fisura se ha desviado a lo largo del defecto, puede ser deseable tener el mayor número posible de puntos de fusión porque se necesitará más energía para romper los enlaces. Pero, cuanto mayor sea el grado de fusión entre capas cerámicas, es más probable que el defecto se parezca a la matriz cerámica y hay menos posibilidad de que la fisura se desvíe a lo largo del defecto. El número, forma y tamaño de los orificios, así como el espesor de la lámina, afectarán al grado de fusión en el artículo; por lo tanto, se debe seleccionar la lámina combustible teniendo en cuenta este equilibrio. Preferiblemente la lámina combustible será un papel poroso con un espesor de aproximadamente 0.005 mm a aproximadamente 0.5 mm. Un papel poroso es un papel que permite que capas de materiales cerámicos fusionables en partículas situados en cualquiera de las caras del papel contacten entre sí intermitentemente. El papel poroso puede incluir papeles que tienen orificios, que son de tamaño similar o mayor que el tamaño de las partículas del material cerámico. Dichos orificios pueden ser definidos, por ejemplo, por espacios entre las fibras de celulosa que constituyen el papel. Los orificios también pueden ser creados por medios mecánicos, como perforando el papel. El papel tiene una cantidad sustancial de rigidez y resistencia que son necesarias para soportar el material cerámico en el procedimiento de la invención. Al mismo tiempo, se puede hacer el papel suficientemente fino para permitir un contacto intermitente entre capas cerámicas sobre cualquiera de las caras del papel. El papel también tiene una temperatura de inflamación relativamente baja y deja mínimos residuos pirolizados. La lámina combustible también puede ser una película de un polímero, como polipropileno, polietileno o cualquier lámina de un polímero orgánico flexible. Normalmente las películas de plástico serán contiguas y estarán exentas de defectos puntiformes. Esta propiedad puede evitar la fusión entre capas cerámicas; sin embargo, se pueden hacer orificios en el plástico para mejorar la fusión entre capas cerámicas. Las películas de polímeros se pueden estirar perjudicialmente bajo una tensión, como la que experimenta la película durante su procesamiento. Los orificios existentes en una lámina combustible permiten que la lámina sea sustancialmente más gruesa que una sin orificios. Por ejemplo, hojas de papel poroso de más de 1.0 mm de espesor pueden permitir que capas cerámicas adyacentes contacten entre sí y se fusionen al cocerlas. El manejo incluye procesos relacionados con la propia lámina, por ejemplo, bobinar o desbobinar la lámina, y también todos los procesos relacionados con la lámina combinada con el material cerámico. En comparación, las láminas no porosas serán sustancialmente más finas para conseguir algo de fusión entre capas cerámicas. Cuando una lámina es más fina, la lámina se hace cada vez más flexible y susceptible de estiramiento. Estas propiedades hacen que la lámina sea más difícil de manejar. Las propiedades mecánicas de la lámina son importantes porque la invención utiliza la lámina como soporte en el procedimiento. En una realización, el artículo cerámico es cilindrico como, por ejemplo, una boquilla, un tubo de colada o una varilla metálica recubierta de refractario suspendida dentro de una cuchara, a usar en el proceso de fabricación de metales fundidos. Una lámina orgánica combustible se desbobina de una bobina de alimentación y se transporta horizontalmente hacia una bobina de recogida. Entre las dos bobinas, la lámina se recubre con un material cerámico fusionable en partículas a un espesor entre aproximadamente 0.5 mm y aproximadamente 10 mm. Durante el procedimiento, se puede cambiar una o más veces la composición y el espesor de la capa cerámica. La lámina tendrá un espesor igual a por lo menos aproximadamente un décimo del espesor de la capa cerámica. También se pueden usar láminas más finas si la resistencia mecánica de la lámina es suficiente. Si fuera deseable, también se pueden usar láminas más gruesas. Preferiblemente, la lámina tiene un espesor entre aproximadamentre 0.05 mm y 1.0 mm. Después de haber sido depositado sobre la lámina, el material cerámico se compacta para incrementar la densidad de la capa cerámica. La capa cerámica debe ser compactada suficientemente para permitir su manejo fácil pero debe ser lo suficientemente flexible para poder ser curvada sin fisuramiento. La lámina con la capa cerámica fusionable compactada se bobina en una bobina de recogida. Cuando se consigue el espesor deseado en la bobina de recogida, se separa la bobina de recogida. El material en la bobina de recogida puede comprender el artículo cerámico, o el material puede ser rebobinado en otra forma o alrededor de otra pieza cerámica. De esta manera, se depositan espirales de capas de lámina y de material cerámico en el artículo cerámico. El rebobinado de la lámina/material cerámico compactado permite bobinar sobre la primera una segunda lámina/material cerámico compactado. De esta manera, se pueden fusionar íntimamente dos composiciones cerámicas sustancialmente diferentes formando el artículo acabado. Por ejemplo, se pueden formar capas alternantes de un material cerámico con buena resistencia al choque térmico y de un material cerámico con buena resistencia a la erosión. El artículo acabado puede adquirir los beneficios de buena resistencia al choque térmico y buena resistencia a la erosión. De una manera similar, se pueden bobinar una tercera, cuarta o más composiciones cerámicas para conseguir propiedades óptimas. Después de haber sido conformada en su forma final, la bobina se prensa en una pieza. El prensado puede utilizar cualquiera de una serie de procedimientos conocidos, por ejemplo, se puede usar prensado isostático, como es común en objetos de tres dimensiones. La pieza se cuece después a la temperatura necesaria para la fusión. Por supuesto, la temperatura de cocción depende de la composición cerámica. La temperatura de cocción puede depender también de otros varios factores, como tiempo de cocción y porosidad deseada en el artículo acabado. Dichos parámetros son bien conocidos por los expertos en la materia. Después de la cocción, resulta el artículo cerámico acabado. Aunque se puede producir un artículo de esta invención usando una lámina, el procedimiento preferido de producir el artículo descrito comprende colocar un material cerámico en partículas en un armazón y compactar el armazón relleno. Las técnicas aplicadas en el procedimiento que usa una lámina se pueden aplicar también cuando se usa un armazón. A diferencia de la compactacion sobre una lámina, el armazón compactado presenta una manera fácil de manipular el material cerámico en partículas porque el material cerámico en partículas está completamente contenido en el armazón. Por comparación, el material cerámico compactado sobre la superficie de una lámina puede desprenderse de la lámina si se vuelve al revés o incluso de lado. El relleno del armazón con material cerámico en partículas implica normalmente una técnica similar a hacer una salsa, porque el material cerámico se coloca en una tolva y se fuerza a entrar en el armazón. Se compacta el armazón relleno y el armazón compactado puede ser manipulado de cualquier manera para hacer un artículo. Convenientemente, el armazón se compacta entre un par de rodillos, pero en ciertas circunstancias se puede preferir un único rodillo. Naturalmente, se puede variar el tipo de material cerámico en partículas que se introduce en el armazón en cualquier momento dado, dependiendo del tipo de artículo que se está haciendo y de las propiedades requeridas. Por ejemplo, se puede usar un material cerámico resistente al choque en una fase del relleno del armazón mientras que se puede usar una composición resistente a la erosión en una fase posterior. Incluso varios armazones que tienen composiciones cerámicas diferentes se pueden cobobinar o coprensar y cocer en el artículo acabado. Como se ha descrito, el armazón puede ser cualquier tipo de material tubular, como un tubo sintético o de papel pero, en la práctica, el material preferido será una gasa de algodón. La gasa de algodón es un material económico, fácil de conseguir y pirolizable y está compuesta de un tejido muy abierto que contiene muchos orificios. La gasa se puede tensar para abrir completamente el tejido. También se puede impregnar la gasa con ligante, grafito o cualquier otra sustancia que demuestre ser beneficiosa para el procedimiento. Es útil indicar que, a diferencia de artículos producidos usando una lámina, un artículo producido bobinando un armazón comprimido tendrá una morfología caracterizada por una capa de material cerámico seguida de dos capas del armazón. Prácticamente, las dos capas distintas pueden ser consideradas como una. El armazón compactado puede ser comparado con una lámina; por lo tanto, se anticipa que se puede colocar sobre las superficies exteriores del armazón compactado una segunda o incluso una tercera capa de material cerámico en partículas. En cualquiera de las realizaciones, las capas en un artículo acabado pueden ser distintas de las capas alternantes estrictas de material cerámico/sustrato en un artículo producido usando una lámina. Tanto si se usa el procedimiento con una lámina como con un armazón, el artículo cerámico producido será comúnmente cilindrico y puede comprender también una parte interior hueca. Las boquillas y los tubos de colada contendrán naturalmente una parte interior hueca. Se puede hacer fácilmente una parte interior hueca en el artículo acabado bobinando alrededor de un mandril la lámina recubierta o el armazón relleno. El prensado y la cocción crearán después un artículo cerámico con una parte interior hueca. Las capas que comprenden el primer y el segundo material estarán dispuestas helicoidalmente hacia fuera desde y alrededor de la parte interior hueca; sin embargo, esta espiral puede no ser concéntrica e incluso puede estar interrumpida por otros componentes del artículo o por la forma requerida del artículo acabado. El procedimiento no está limitado a la creación de artículos cilindricos. También se pueden conformar otras diversas formas. En artículos producidos usando una lámina, la lámina debe ser por lo menos de aproximadamente 0005 mm a aproximadamente 0.5 mm; sin embargo, se pueden usar láminas más finas o más gruesas dependiendo de las condiciones del proceso de fabricación. Adicionalmente, el material cerámico no se compacta necesariamente , antes del prensado. Por ejemplo, un procedimiento para producir un producto en forma de tablero simple puede comprender establecer una lámina, colocar sobre la lámina un material cerámico fusionable en partículas, depositar una segunda lámina y una segunda capa de material cerámico y continuar alternando capas hasta conseguir el espesor deseado. Dicho procedimiento es también útil para fabricar placas de compuertas de corredera. Después se puede prensar y cocer todo el artículo para formar el artículo de varias capas. La fabricación usando el procedimiento con el armazón puede ser incluso más versátil que la fabricación usando la lámina. El armazón mantiene el material cerámico en su sitio y, en consecuencia, éste puede ser posicionado con más eficacia. El artículo en capas puede ser embebido o incluso encapsulado totalmente en un objeto no estratificado. Esto puede ser especialmente útil para detener la fisuración en puntos particulares de un producto comercial. Por ejemplo, una buza sumergida usada en la fundición continua de acero sufrirá tensión térmica, ataque químico y erosión extremas en la línea de escoria. La inclusión de un artículo en capas en la buza en la línea de escoria detendrá eficazmente la fisuración y permitirá el uso de materiales cerámicos más resistentes a la erosión.

EJEMPLO I Se separó de una bobina de papel una cantidad de papel poroso de 0.05 mm de espesor. El papel se cortó a una longitud predeterminada y se aplanó. Sobre el papel se depositó una mezcla estándar de una composición cerámica en partículas fusionable. La mezcla comprendía 50-55 por ciento en peso de alúmina, 13-17 por ciento en peso de sílice y 30-35 por ciento en peso de grafito. La composición se seleccionó como representativa del tipo de mezcla cerámica usada en boquillas para la fundición continua de acero fundido. La mezcla cerámica depositada sobre el papel se compactó a un 5 espesor de 1.0 mm y el papel recubierto se bobinó continuamente alrededor de un mandril de acero hasta conseguir el espesor deseado. El papel recubierto bobinado sobre el mandril se prensó isostáticamente para compactar las partículas cerámicas con lo que se formó una pieza. La pieza se coció a una temperatura de hasta 1.000°C en una atmósfera reductora í o para formar un artículo cerámico. El artículo cerámico se cortó en muestras de ensayo para realizar ensayos del módulo de rotura (MOR). Se creó una pieza stándar comparativa no estratificada, compuesta de la mezcla cerámica sin la hoja de papel. Se usaron una composición cerámica, prensado y condiciones de cocción iguales que en la pieza en capas. Se cortaron también diez 15 muestras de la pieza no estratificada para realizar los ensayos de MOR. La pieza de varias capas tenía un trabajo medio de fractura igual a 177.000 erg/cm2, comparada con la pieza estándar que tenía un trabajo medio de fractura de sólo 42.00 erg/cm2. 0 EJEMPLO II Se hizo un artículo tubular de la presente invención alimentando una mezcla cerámica en partículas a una primera boca de una tolva. Se usó la misma composición cerámica que en el ejemplo precedente. Sobre una 5 segunda boca de la tolva se colocó un manguito de gasa de algodón, calidad médica. La mezcla cerámica se extruyó desde la tolva en el manguito de algodón. El manguito se pasó entre dos rodillos con lo que la mezcla cerámica situada en el interior del manguito se compactó. El manguito compactado se bobinó alrededor de un mandril y se conformó en forma de cilindro. El manguito bobinado se prensó isostática mente a una presión de hasta 138 MPa y se coció a 1.000°C en una atmósfera reductora.

EJEMPLO III Se comprimió alúmina-grafito en partículas en un manguito de gasa de algodón y se conformó en forma de anillo anular que tenía doce capas de alúmina-grafito. Cada capa tenía un espesor inferior a 5 mm. Se creó una buza sumergida con la entrada anular en la línea de escoria y se encapsuló completamente por el cuerpo de la buza. La buza se colocó en acero fundido a 1.593°C al nivel del anillo anular. Después de alcanzar la temperatura, la buza se separó y se roció con agua para simular condiciones extremas de choque térmico. El exterior de la buza se agrietó al nivel del anillo anular. Después de coser longitudinalmente la buza, se vió claramente que la fisura empezaba en el exterior de la buza y terminaba en el anillo anular de varias capas. En una buza, similar sin el anillo anular, la fisura se extendió completamente a través de la buza. Se consideró que el anillo anular, que estaba hecho de un material en capas, era capaz de embotar la punta de la fisura que avanzaba.

Claims (27)

NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES

1. - Artículo de cerámica de capas múltiples que comprende: (a) una pluralidad de capas de una primera fase (2) que comprende una cerámica en partículas fusionada y/o unida por carbono; y, dispuesta entre capas adyacentes de la primera fase (2), (b) una capa de una segunda fase mecánica o químicamente diferente (3).

2. - Artículo de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado porque las capas de la primera fase (2) tienen un grosor de entre aproximadamente 0.05 mm y aproximadamente 20 mm, y porque la capa de la segunda fase (3) tienen un grosor de aproximadamente 0.005 mm a aproximadamente 2 mm.

3. - Artículo de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la segunda fase (3) comprende por lo menos un material seleccionado del grupo de residuos pirolizados de un material combustible, fibras de carbono, malla metálica y material refractario en partículas débilmente fusionado o unido por carbono.

4. - Artículo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el artículo esá por lo menos parcialmente encapsulado en un objeto no estratificado.

5. - Artículo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque por lo menos una capa de la primera fase (2) tiene una composición diferente que la de una capa adyacente de la primera fase (2).

6. - Artículo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el artículo tiene por lo menos una capa de primera fase (2) que tiene adecuada resistencia a la erosión y por lo menos una capa de primera fase (2) que tiene adecuada resistencia al choque térmico. 7.- Artículo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el artículo es una placa de compuertas de corredera. 8. - Artículo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el artículo tiene un cuerpo que tiene una forma sustancialmente cilindrica con un eje longitudinal (7), y las capas de la primera fase (2) y de la segunda fase (3) están dispuestas helicoidalmente alrededor del eje longitudinal (7). 9. - Artículo de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque la forma cilindrica tiene una superficie interior que define una parte interior hueca (5). 10. - Artículo de acuerdo con la reivindicación 8 ó 9, caracterizado porque el artículo es una boquilla para usarse en el colado continuo de metales fundidos. 11. - Artículo de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque el cuerpo tiene una superficie exterior y una superficie interior que define una parte inferior hueca (5), la parte interior hueca (5), estando alineada al eje longitudinal (7) y teniendo el cuerpo un espesor (4) de pared definido por la superficie exterior y la superficie interior; y porque el cuerpo comprende una pluralidad de capas de una primera fase (2) dispuestas helicoidalmente alrededor del eje longitudinal (7) del cuerpo, las capas estando presentes en número suficiente para comprender el espesor de pared; y por lo menos una capa de una segunda fase (3) entre capas adyacentes de la primera fase (2). 12. - Artículo de acuerdo con la reivindicación 11 , caracterizado porque el artículo comprende por lo menos 3 capas (2) de primera fase y 2 capas (3) de segunda fase. 13. - Procedimiento para producir un artículo de cerámica de capas múltiples, que comprende: (a) establecer una lámina que tiene un espesor entre aproximadamente 0.005 mm y aproximadamente 2.0 mm, (b) depositar sobre la lámina una composición cerámica fusionable en partículas, con un espesor entre aproximadamente 0.05 mm y aproximadamente 20 mm, (c) depositar por lo menos una capa adicional; (d) prensar una pluralidad de capas para formar una pieza y (e) cocer la pieza a una temperatura suficiente para fusionar la composición cerámica. 14. - Procedimiento para producir un artículo de cerámica de capas múltiples, que comprende: (a) rellenar un manguito flexible con una composición cerámica fusionable en partículas, formando de esta manera una capa; (b) colocar en capas una pluralidad de manguitos compactados; (c) prensar una pluralidad de capas para formar una pieza y (d) cocer la pieza a una temperatura suficiente para fusionar la composición cerámica. 15. - Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 13 ó 14, caracterizado porque la lámina o el manguito es flexible. 16. - Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, caracterizado porque la lámina o el manguito es porosa. 1

7. - Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, caracterizado porque la lámina o el manguito es combustible. 1

8. - Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 17, caracterizado porque la lámina o el manguito está comprendido de un material seleccionado del grupo que consiste en polímeros naturales y sintéticos. 1

9. - Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 18, caracterizado porque el método incluye compactar el manguito relleno o la composición de cerámica sobre la lámina después de la deposición de dicha composición de cerámica sobre la lámina. 20. - Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 19, caracterizado porque el prensado se realiza mediante prensado isostático. 21. - Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 20, caracterizado porque comprende además un paso de alternar capas de la lámina y la composición de cerámica o de manguitos rellenos hasta que se logre un espesor (4,15) deseado antes de prensar las capas. 22. - Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 20, caracterizado porque comprende además un paso de bobinar la lámina y la composición cerámica o el manguito relleno antes de prensar las capas alrededor de un punto central hasta conseguir un espesor deseado (4, 15), con lo que la primera capa (2) y la segunda capa (3) se disponen helicoidalmente hacia afuera desde el punto central. 23. - Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 22, caracterizado porque el punto central está ocupado por un mandril (13, 24). 24. - Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 13 a 23, caracterizado porque se cambia la composición cerámica durante el procedimiento. 25. - Artículo de cerámica que comprende: (a) por lo menos una capa de una primera fase (2) que comprende una cerámica en partículas fusionada y/o unida por carbono; y (b) una capa de una segunda fase mecánica o químicamente diferente incrustada o encapsulada en el mismo. 26. - Objeto refractario que comprende un artículo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 incrustado o encapsulado en el mismo. 27. - Mortaja de subentrada que comprende un artículo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a

10.