Estudio termomecánico de refractarios avanzados fabricados utilizando residuos industriales

• Autores: Edward Ferney Restrepo Hoyos
• Directores de la Tesis: Fabio Vargas Galvis (dir. tes.), Maria Esperanza Lopez Gomez (dir. tes.), Carmen Baudín de la Lastra (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Antioquia ( Colombia ) en 2019
• Idioma: español
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: hdl.handle.net
• Resumen

  • Esta tesis que se titula: Estudio termomecánico de refractarios avanzados fabricados utilizando residuos industriales, hizo parte de un proyecto de investigación financiado por la Universidad de Antioquia a través de una Convocatoria Programática, cuyo propósito principal era la reincorporación de residuos industriales a un proceso productivo mediante su uso como materia prima en la fabricación de otros materiales.

    Los resultados de una evaluación preliminar permitieron focalizar el trabajo en la caracterización de catalizadores de FCC gastados y en la identificación de posibles usos para dichos residuos, encontrando que por el contenido de Al2O3 y SiO2 pueden ser usados para la elaboración de materiales mulliticos. La contaminación con SO3 y con carbón que suelen tener los catalizadores de FCC es uno de los retos a sortear al momento de elaborar materiales mulliticos utilizando este tipo de residuos. No obstante, en este estudio se ha logrado establecer que estas impurezas pueden ser eliminadas mediante el tratamiento térmico empleado para la síntesis en estado sólido de la mullita, lo que evitaría los posibles efectos nocivos que podrían tener tanto el SO3 como el carbón sobre las propiedades de los materiales fabricados. La alta cantidad de Al2O3 y SiO2 en los catalizadores de FCC, hace que a partir del calentamiento a 1400 ºC durante 3 horas, se obtenga mullita-cristobalita y fases amorfas, estas últimas incrementadas por el contenido de La2O3 que puede estar presente en este tipo de catalizadores. La presencia de fases amorfas puede poner en riesgo el desempeño de estos materiales a alta temperatura, por lo que se elaboraron dos materiales a partir de catalizadores de FCC gastados con diferente contenido de La2O3 y, por lo tanto, de dicha fase amorfa: 20,9 % y 8,7 % en peso para el material M1 y M2, respectivamente, y se evaluó su comportamiento mecánico y tribológico a alta temperatura. Los resultados del ensayo de termofluencia llevados a cabo aplicando al material con mayor cantidad de fase amorfa, un esfuerzo creciente a temperatura constante, indicaron que la temperatura máxima de trabajo para este tipo de materiales se encuentra entre 1100 y 1200 °C, con una deformación unitaria máxima de 3% cuando se aplica 100 MPa a 1100 ºC y aproximadamente 35 MPa a 1200 ºC, con una tasa de deformación de 7,0x10-5 s-1 y 4,9x10-4 s-1 cuando se aplican 15 MPa a 1100 y 1200 ºC, respectivamente. El comportamiento mecánico de los materiales cerámicos puede estar ampliamente influenciado por el contenido de porosidad en su estructura. Los dos materiales elaborados, los cuales presentaron diferente cantidad de fase amorfa, además contienen diferente porcentaje de poros, siendo el de mayor contenido de fase amorfa (M1) más compacto. Los resultados de los ensayos mecánicos realizados mediante microindentación a temperatura ambiente indicaron que el material M1 a pesar de tener mayor contenido de fase amorfa, posee una microdureza, un módulo de elasticidad y una tenacidad a la fractura superior que la del material M2, lo que se asoció con el mayor grado de compactación que posee este material. Los resultados anteriores fueron importantes para entender el desempeño tribológico por contacto deslizante que experimentaron los materiales a 25, 500, 750 y 1000 ºC, pues el material M1 ensayado con contracuerpo de ZrO2, de Al2O3 y de Si3N4, cuyas durezas son 12,0 GPa, 18,0 GPa y 21,0 GPa, respectivamente, tuvo que ser ensayado con Si3N4 (el de mayor dureza de todos los contracuerpos), para alcanzar un nivel de daño similar al obtenido en el material M2 ensayado con el contracuerpo de ZrO2 (que es el de menor dureza). A pesar del mayor contenido de fase amorfa en el material M1, su alto grado de compactación le proporciona la resistencia mecánica suficiente para poder soportar los esfuerzos suministrados por contacto deslizante con contracuerpos de ZrO2, cuya dureza es aproximadamente 1,5 veces superior a la de la muestra y se requiere de contracuerpos tan duros como el de Si3N4 (que tiene una dureza 2,6 veces mayor que la de la muestra) para poder producir un desgaste severo. Lo anterior da cuenta de la importancia del grado de compactación del material tanto para sus propiedades mecánicas, como para su desempeño tribológico. Teniendo en cuenta que la mullita, está siendo utilizada como material de partida para la elaboración de recubrimientos mediante proyección térmica que son empleados para proteger sustratos expuestos a ambientes químicamente agresivos a alta temperatura, el residuo de catalizador con menor cantidad de La2O3 fue mezclado con una cantidad similar de Al2O3 y tratado a 1500 ºC durante 2 horas, obteniendo principalmente mullita, acompañada de alúmina y de una baja cantidad de cristobalita que no alcanzan a reaccionar para formar la mullita. El material obtenido fue molido y tamizado a la fracción -53 + 38 m y posteriormente proyectado térmicamente por llama oxiacetilénica sobre ladrillos refractarios silico-aluminosos fabricados mediante prensado y sinterización, para finalmente evaluar la capacidad protectora del recubrimiento frente al contacto con álcalis a 950 ºC, mostrando que el recubrimiento reduce considerablemente el daño producido en el sustrato refractario. Lo anterior indica que los catalizadores gastados de FCC pueden ser utilizados para producir mullita con posibilidades de ser usada tanto como constituyente de materiales en volumen (que pueden ser usados como sustrato), como material de partida para fabricar recubrimientos mediante proyección térmica, lo cual puede contribuir a la protección del medio ambiente a través de la reducción del consumo de los minerales comúnmente empleados para tal fin y a partir de la disminución en la cantidad de catalizadores de FCC gastados que son llevados a vertederos como mecanismo de disposición final.