Este capítulo cubre los siguientes sectores de productos:

• vaso
• fibras vítreas sintéticas
• cerámica
• baldosas de cerámica
• cerámica industrial
• ladrillo y teja
• refractarios
• gemas sintéticas
• fibra óptica.

 

Curiosamente, la mayoría de estos sectores no solo tienen raíces en la antigüedad, sino que también comparten una serie de procesos generales comunes. Por ejemplo, todos se basan fundamentalmente en el uso de materias primas naturales en forma de polvo o partículas finas que se transforman mediante el calor en los productos deseados. Por lo tanto, a pesar de la gama de procesos y productos incluidos en este grupo, estos procesos comunes permiten una visión general común de los peligros potenciales para la salud asociados con estas industrias. Dado que los diversos sectores manufactureros se componen tanto de segmentos pequeños y fragmentados (por ejemplo, la fabricación de ladrillos) como de grandes plantas de fabricación técnicamente sofisticadas que emplean a miles de trabajadores, cada sector se describe por separado.

Procesos y peligros comunes

Existen peligros comunes para la seguridad y la salud que se encuentran en la fabricación de productos en estos sectores comerciales. Los peligros y las medidas de control se analizan en otras secciones del Enciclopedia. Los peligros específicos del proceso se analizan en las secciones individuales de este capítulo.

Procesos por lotes de materias primas

La mayoría de los procesos industriales de fabricación reciben materias primas sólidas secas a granel o en bolsas individuales. Las materias primas sólidas a granel se descargan de vagones de tolva o camiones de carretera a contenedores, tolvas o mezcladores por gravedad, líneas de transferencia neumática, transportadores de tornillo, transportadores de cangilones u otra transferencia mecánica. Las paletas de materias primas ensacadas (20 a 50 kg) o los contenedores grandes de bolsas de tela a granel (0.5 a 1.0 toneladas) se descargan de remolques de camiones o vagones de ferrocarril mediante montacargas, grúas o polipastos industriales motorizados. Las bolsas individuales o las materias primas se retiran de las tarimas manualmente o con elevadores asistidos. Las materias primas en bolsas normalmente se cargan en una estación de descarga de bolsas o directamente en tolvas de almacenamiento o tolvas de balanza.

Los peligros potenciales para la seguridad y la salud asociados con los procesos de descarga, manipulación y transferencia de materias primas sólidas incluyen:

• exposiciones al ruido en el rango de 85 a 100 dBA. Los vibradores neumáticos, los compresores, los actuadores de válvulas, los motores impulsores de mezcla, los sopladores y los colectores de polvo son algunas de las principales fuentes de ruido.

• exposiciones a partículas respirables en el aire de la transferencia y mezcla de materias primas sólidas granulares. Las exposiciones dependen de la composición de las materias primas, pero comúnmente pueden incluir sílice (SiO₂), arcilla, alúmina, piedra caliza, polvos alcalinos, óxidos metálicos, metales pesados ​​y partículas molestas.

• riesgos ergonómicos asociado con el levantamiento o manejo manual de bolsas de materia prima, vibradores o líneas de transferencia y actividades de mantenimiento del sistema

• Peligros físicos de maniobrar vagones o camiones, tráfico de camiones industriales motorizados, trabajo en alturas elevadas, entradas a espacios confinados y contacto con fuentes de energía eléctrica, neumática o mecánica, por ejemplo, puntos de presión, piezas giratorias, engranajes impulsores, ejes, correas y poleas.

 

Procesos de cocción o fusión.

La fabricación de productos en estos sectores comerciales implica procesos de secado, fusión o cocción en hornos u hornos. El calor para estos procesos se genera por combustión de propano, gas natural (metano) o fuel oil, fusión por arco eléctrico, microondas, secado dieléctrico y/o calentamiento por resistencia con electricidad. Los peligros potenciales presentados por los procesos de cocción o fusión incluyen:

• exposición a productos de combustión como monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno (NO_x) y dióxido de azufre

• humos y partículas de materias primas transportadas por el aire (p. ej., sílice, metales, polvos alcalinos) o subproductos (p. ej., fluoruro de hidrógeno, cristobalita, vapores de metales pesados)

• fuego o explosión asociado con sistemas de combustible utilizados para calor de proceso o combustible para carretillas elevadoras; peligros potenciales de incendio o explosión asociados con tanques de almacenamiento de combustible inflamable, sistemas de distribución de tuberías y vaporizadores. Los sistemas de combustible de respaldo o de reserva que se usan con poca frecuencia para las restricciones de gas natural pueden presentar problemas similares de incendio o explosión.

• exposición a la radiación infrarroja de material fundido, que puede aumentar el riesgo de cataratas por calor o quemaduras en la piel

• energía radiante y estrés por calor. El ambiente de trabajo alrededor de hornos u hornos puede ser extremadamente caluroso. Pueden ocurrir problemas significativos de estrés por calor cuando se realizan trabajos de reparación de emergencia o mantenimiento de rutina cerca o por encima de los procesos de cocción o fusión. Se pueden producir quemaduras térmicas graves por el contacto directo de la piel con superficies calientes o materiales fundidos (consulte la figura 1).

 

Figura 1. Técnico de control de calidad

• peligros de energia electrica. El contacto directo con la energía eléctrica de alto voltaje utilizada para el calentamiento por resistencia para complementar los procesos alimentados con combustible presenta un peligro de electrocución y posibles problemas de salud relacionados con la exposición a campos electromagnéticos (CEM). Los fuertes campos magnéticos y eléctricos pueden interferir potencialmente con los marcapasos y otros dispositivos médicos implantados.

• exposiciones al ruido por encima de 85 a 90 dBA de sopladores de combustión, tolvas de lotes o mezcladores, procesos de alimentación y transportadores.

 

manipulación en la producción, fabricación, embalaje y almacenamiento

Los procesos de manipulación de materiales, fabricación y embalaje difieren en gran medida en este sector empresarial, al igual que el tamaño, la forma y el peso de los productos. La alta densidad de materiales en este sector o las configuraciones voluminosas presentan peligros comunes en el manejo de materiales. El levantamiento manual y el manejo de materiales en la producción, fabricación, empaque y almacenamiento en esta industria son responsables de muchas lesiones incapacitantes. (Consulte la sección "Perfil de lesiones y enfermedades" a continuación). Los esfuerzos de reducción de lesiones se centran en reducir el levantamiento manual y el manejo de materiales. Por ejemplo, los diseños innovadores de empaque, la robótica para apilar y paletizar productos terminados y los vehículos de transporte guiados automáticamente para almacenamiento están comenzando a usarse en partes seleccionadas de este sector comercial para eliminar el manejo manual de materiales y las lesiones asociadas. El uso de transportadores, asistencias de elevación tripuladas (p. ej., polipastos de vacío) y plataformas de tijera para manipular y paletizar productos son prácticas comunes de manejo de materiales en la actualidad (consulte la figura 2).

Figura 2. Se está utilizando la asistencia de elevación por vacío

El uso de la robótica para eliminar el manejo manual de materiales está desempeñando un papel importante en la prevención de lesiones ergonómicas. La robótica ha reducido las tensiones ergonómicas y las lesiones por laceraciones graves que se han asociado históricamente con el manejo de materiales (p. ej., vidrio plano) en la fuerza laboral de producción (consulte la figura 3). Sin embargo, la mayor utilización de la robótica y la automatización de procesos introduce maquinaria en movimiento y peligros de energía eléctrica, lo que transforma los tipos de peligros y también transfiere los riesgos a otros trabajadores (desde la producción hasta los trabajadores de mantenimiento). Los diseños adecuados de controles electrónicos y secuencias lógicas, protecciones de máquinas, prácticas de bloqueo de energía total y el establecimiento de procedimientos seguros de operación y mantenimiento son formas fundamentales de controlar las lesiones de los trabajadores de mantenimiento y producción.

Figura 3. Robótica utilizada en placas de vidrio

Reconstrucciones y actividades de reconstrucción.

Numerosos peligros potenciales para la salud y la seguridad se encuentran durante las reconstrucciones importantes periódicas o las reparaciones en frío de hornos u hornos. Se puede encontrar una amplia gama de peligros asociados con las actividades de construcción. Los ejemplos incluyen: riesgos ergonómicos con el manejo de materiales (p. ej., ladrillos refractarios); exposiciones en el aire a sílice, asbesto, fibras cerámicas refractarias o partículas que contengan metales pesados, durante la demolición o subproductos de corte y soldadura; estrés por calor; trabajo en alturas elevadas; riesgos de resbalones, tropiezos o caídas; peligros en espacios confinados (ver figura 4); y contacto con fuentes de energía peligrosas.

Figura 4. Entrada a espacios confinados

Cristal

perfil general

El vidrio se formó de forma natural a partir de elementos comunes en la corteza terrestre mucho antes de que nadie pensara siquiera en experimentar con su composición, moldear su forma o darle la miríada de usos que disfruta hoy. La obsidiana, por ejemplo, es una combinación natural de óxidos fusionados por un intenso calor volcánico y vitrificados (convertidos en vidrio) por un rápido enfriamiento por aire. Su color negro opaco proviene de las cantidades relativamente altas de óxido de hierro que contiene. Su durabilidad química y dureza se comparan favorablemente con muchos vidrios comerciales.

La tecnología del vidrio ha evolucionado durante 6,000 años y algunos principios modernos se remontan a la antigüedad. El origen de las primeras gafas sintéticas se pierde en la antigüedad y la leyenda. Loza de barro fue hecho por los egipcios, quienes moldearon figurillas de arena (SiO₂), el óxido formador de vidrio más popular. Estaba recubierto con natrón, el residuo que dejó la crecida del río Nilo, que estaba compuesto principalmente de carbonato de calcio (CaCO₃), carbonato de sodio (Na₂CO₃), sal (NaCl) y óxido de cobre (CuO). El calentamiento por debajo de 1,000 °C produjo un revestimiento vítreo por la difusión de los fundentes, CaO y Na₂O en la arena y su posterior reacción en estado sólido con la arena. El óxido de cobre le dio al artículo un atractivo color azul.

Según la definición dada por Morey: “El vidrio es una sustancia inorgánica en una condición que es continua y análoga al estado líquido de esa sustancia, pero que, como resultado de un cambio reversible en la viscosidad durante el enfriamiento, ha alcanzado un grado de viscosidad tan alto como para ser, a todos los efectos prácticos, rígido.” ASTM define el vidrio como “un producto inorgánico de fusión que se ha enfriado a una condición rígida sin cristalizar”. Tanto los materiales orgánicos como los inorgánicos pueden formar vidrios si su estructura no es cristalina, es decir, si carecen de un orden de largo alcance.

Un desarrollo muy importante en la tecnología del vidrio fue el uso de un soplete (ver figura 5), ​​que se utilizó por primera vez aproximadamente 100 años antes de Cristo. A partir de entonces, hubo un rápido desarrollo en la técnica de fabricación del vidrio.

Figura 5. El soplete

El primer vidrio estaba coloreado por la presencia de diversas impurezas como óxidos de hierro y cromo. El vidrio prácticamente incoloro se fabricó por primera vez hace unos 1,500 años.

En ese momento la fabricación de vidrio se estaba desarrollando en Roma, y ​​desde allí se trasladó a muchos otros países de Europa. En Venecia se construyeron muchas obras de vidrio, y allí tuvo lugar un importante desarrollo. En el siglo XIII, muchas de las plantas de vidrio se trasladaron de Venecia a una isla cercana, Murano. Murano sigue siendo un centro de producción de vidrio hecho a mano en Italia.

En el siglo XVI, el vidrio se fabricaba en toda Europa. Ahora, el vidrio de Bohemia de la República Checa es bien conocido por su belleza y las plantas de vidrio en el Reino Unido e Irlanda producen vajillas de vidrio de plomo de alta calidad. Suecia es otro país que alberga la producción artística de cristalería de vidrio.

En América del Norte, el primer establecimiento industrial de cualquier tipo fue una fábrica de vidrio. Los colonos ingleses comenzaron a producir vidrio a principios del siglo XVII en Jamestown, Virginia.

Hoy en día, el vidrio se fabrica en la mayoría de los países del mundo. Muchos productos de vidrio se fabrican en líneas de procesamiento completamente automáticas. Aunque el vidrio es uno de los materiales más antiguos, sus propiedades son únicas y aún no se conocen por completo.

La industria del vidrio en la actualidad se compone de varios segmentos de mercado importantes, que incluyen el mercado de vidrio plano, el mercado de artículos para el hogar, el mercado de envases de vidrio, la industria del vidrio óptico y el segmento de mercado de la cristalería científica. Los mercados de vidrio óptico y científico tienden a estar muy ordenados y están dominados por uno o dos proveedores en la mayoría de los países. Estos mercados también tienen un volumen mucho menor que los mercados basados ​​en el consumidor. Cada uno de estos mercados se ha desarrollado a lo largo de los años mediante innovaciones en tecnología de vidrio específica o avances en la fabricación. La industria de los envases, por ejemplo, fue impulsada por el desarrollo de máquinas de fabricación de botellas de alta velocidad desarrolladas a principios del siglo XX. La industria del vidrio plano avanzó significativamente con el desarrollo del proceso de vidrio flotado a principios de la década de 1900. Ambos segmentos son negocios multimillonarios en todo el mundo en la actualidad.

Los artículos de vidrio para el hogar se dividen en cuatro categorías generales:

1. vajilla (incluyendo vajilla, tazas y tazones)
2. Drinkware
3. utensilios para hornear (o utensilios para el horno)
4. utensilios de cocina para la parte superior de la estufa.

 

Si bien las estimaciones mundiales son difíciles de obtener, el mercado de artículos de vidrio para el hogar es, sin duda, del orden de los mil millones de dólares estadounidenses solo en los Estados Unidos. Dependiendo de la categoría específica, una variedad de otros materiales compiten por la cuota de mercado, incluidos los cerámicos, los metales y los plásticos.

Procesos de manufactura

El vidrio es un producto inorgánico de fusión que se ha enfriado hasta un estado rígido sin cristalizar. El vidrio es típicamente duro y quebradizo y tiene una fractura concoidal. El vidrio se puede fabricar para que sea coloreado, translúcido u opaco variando los materiales amorfos o cristalinos disueltos que están presentes.

Cuando el vidrio se enfría desde el estado fundido caliente, aumenta gradualmente su viscosidad sin cristalizar en un amplio rango de temperatura, hasta que asume su característica forma dura y quebradiza. El enfriamiento se controla para evitar la cristalización o la alta tensión.

Si bien cualquier compuesto que tenga estas propiedades físicas es teóricamente un vidrio, la mayoría de los vidrios comerciales se dividen en tres tipos principales y tienen una amplia gama de composiciones químicas.

1. Vidrios de soda-cal-sílice son los vidrios más importantes en términos de cantidad producida y variedad de uso, incluyendo casi todos los vidrios planos, envases, cristalería doméstica de bajo costo y producción masiva y bombillas eléctricas.
2. Vidrios de plomo-potasa-sílice contienen una proporción variable pero a menudo alta de óxido de plomo. La fabricación de vidrio óptico aprovecha el alto índice de refracción de este tipo de vidrio; la cristalería doméstica y decorativa soplada a mano aprovecha su facilidad de corte y pulido; aplicaciones eléctricas y electrónicas se aprovecha de su alta resistividad eléctrica y protección contra la radiación.
3. vasos de borosilicato tienen una baja dilatación térmica y son resistentes al choque térmico, lo que los hace ideales para la cristalería de hornos y laboratorios domésticos y para la fibra de vidrio para refuerzos plásticos.

Un lote de vidrio comercial consiste en una mezcla de varios ingredientes. Sin embargo, la fracción más grande del lote se compone de 4 a 6 ingredientes, elegidos entre materiales como arena, piedra caliza, dolomita, carbonato de sodio, bórax, ácido bórico, materiales feldespáticos, compuestos de plomo y bario. El resto del lote consta de varios ingredientes adicionales, elegidos de un grupo de unos 15 a 20 materiales comúnmente denominados ingredientes secundarios. Estas últimas adiciones se añaden con el fin de proporcionar alguna función o cualidad específica, como el color, que debe realizarse durante el proceso de preparación del vidrio.

La Figura 6 ilustra los principios básicos de la fabricación de vidrio. Las materias primas se pesan, se mezclan y, después de la adición de vidrio roto (cullet), se llevan al horno para su fusión. Todavía se utilizan ollas pequeñas de hasta 2 toneladas de capacidad para la fusión de vidrio para cristalería soplada a mano y vidrios especiales requeridos en pequeña cantidad. Varias ollas se calientan juntas en una cámara de combustión.

Figura 6. Los procesos y materiales involucrados

En la fabricación más moderna, la fusión tiene lugar en grandes hornos regenerativos, de recuperación o eléctricos construidos con material refractario y calentados con petróleo, gas natural o electricidad. El refuerzo eléctrico y la fusión eléctrica de superficie fría se comercializaron y se utilizaron ampliamente en todo el mundo a finales de los años sesenta y setenta. La fuerza impulsora detrás de la fusión eléctrica en frío fue el control de emisiones, mientras que el impulso eléctrico se utilizó generalmente para mejorar la calidad del vidrio y aumentar el rendimiento.

Los factores económicos más significativos relacionados con el uso de electricidad para la fundición de vidrio en horno están relacionados con los costos de combustibles fósiles, la disponibilidad de varios combustibles, costos de electricidad, costos de capital para equipos, etc. Sin embargo, en muchos casos, la razón principal para el uso de fusión o refuerzo eléctrico es el control ambiental. Varias ubicaciones en todo el mundo ya tienen o se espera que pronto tengan regulaciones ambientales que restringen estrictamente la descarga de varios óxidos o partículas en general. Por lo tanto, los fabricantes en muchos lugares se enfrentan a la posibilidad de tener que reducir el rendimiento de fusión de vidrio, instalar filtros de mangas o precipitadores para manejar los gases de combustión residuales o modificar el proceso de fusión e incluir fusión eléctrica o refuerzo. Las alternativas a dicha modificación pueden ser, en algunos casos, el cierre de plantas.

La parte más caliente del horno (superestructura) puede estar entre 1,600 y 2,800 °C. El enfriamiento controlado reduce la temperatura del vidrio de 1,000 a 1,200 °C en el punto donde el vidrio sale del horno. Además, todos los tipos de vidrio se someten a un enfriamiento (recocido) más controlado en un horno especial o lehr. El procesamiento posterior dependerá del tipo de proceso de fabricación.

El soplado automático se utiliza en máquinas para la producción de botellas y bombillas, además del tradicional vidrio soplado a mano. Las formas simples, como los aisladores, los ladrillos de vidrio, las lentes en bruto, etc., se presionan en lugar de soplarlas. Algunos procesos de fabricación utilizan una combinación de soplado y prensado mecánico. El vidrio alambrado y figurado es enrollado. La lámina de vidrio se saca del horno mediante un proceso vertical que le da una superficie acabada al fuego. Debido a los efectos combinados del dibujo y la gravedad, es inevitable cierta distorsión menor.

El vidrio plano pasa a través de rodillos enfriados por agua a un horno de recocido. Está libre de distorsión. El daño de la superficie se puede eliminar esmerilando y puliendo después de la fabricación. Este proceso ha sido reemplazado en gran medida por el proceso de vidrio flotado, que se introdujo en los últimos años (ver figura 7). El proceso float ha hecho posible la fabricación de un vidrio que combina las ventajas tanto de la lámina como de la placa. El vidrio flotado tiene una superficie acabada al fuego y no presenta distorsión.

Figura 7. Proceso de flotación continua

En el proceso de flotación, una cinta continua de vidrio sale de un horno de fusión y flota a lo largo de la superficie de un baño de estaño fundido. El vidrio se ajusta a la superficie perfecta del estaño fundido. En su paso por el estaño, la temperatura se reduce hasta que el vidrio es lo suficientemente duro para ser alimentado sobre los rodillos del horno de recocido sin marcar su superficie inferior. Una atmósfera inerte en el baño evita la oxidación del estaño. El vidrio, después del recocido, no requiere ningún tratamiento adicional y se puede procesar mediante corte y empaque automáticos (consulte la figura 8).

Figura 8. Cinta de vidrio flotado que sale del horno

La tendencia en la nueva arquitectura residencial y comercial hacia la inclusión de más área de acristalamiento y la necesidad de reducir el consumo de energía ha puesto un mayor énfasis en mejorar la eficiencia energética de las ventanas. Las películas delgadas depositadas en la superficie del vidrio brindan propiedades de baja emisividad o control solar. La comercialización de tales productos revestidos de materias primas requiere una tecnología de deposición de gran superficie y bajo coste. Como resultado, un número cada vez mayor de líneas de fabricación de vidrio flotado están equipadas con sofisticados procesos de recubrimiento en línea.

En los procesos de deposición química de vapor (CVD) comúnmente usados, una mezcla compleja de gases se pone en contacto con el sustrato caliente, donde reacciona pirolíticamente para formar un revestimiento en la superficie del vidrio. En general, el equipo de recubrimiento consta de estructuras controladas térmicamente que se suspenden sobre el ancho de la cinta de vidrio. Pueden estar ubicados en el baño de estaño, el hueco del horno o el horno. La función de los recubridores es entregar uniformemente los gases precursores sobre el ancho de la cinta con temperatura controlada y extraer de forma segura los subproductos de los gases de escape de la región de deposición. Para múltiples pilas de recubrimiento, se utilizan múltiples recubridores en serie a lo largo de la cinta de vidrio.

Para el tratamiento de los subproductos de los gases de escape generados por estos procesos a gran escala, las técnicas de lavado en húmedo con un filtro prensa convencional suelen ser suficientes. Cuando los gases efluentes no reaccionan fácilmente o no se humedecen con soluciones acuosas, la incineración es la opción principal.

Algunos vidrios ópticos se fortalecen químicamente mediante procesos que implican sumergir el vidrio durante varias horas en baños de alta temperatura que contienen sales fundidas de, por lo general, nitrato de litio y nitrato de potasio.

Vidrio de seguridad es de dos tipos principales:

1. Vidrio templado se fabrica pretensando calentando y luego enfriando rápidamente piezas de vidrio plano de la forma y tamaño deseados en hornos especiales.
2. Vidrio laminado se forma uniendo una hoja de plástico (generalmente polivinil butiral) entre dos hojas delgadas de vidrio plano.

 

Fibras vítreas sintéticas

perfil general

Las fibras vítreas sintéticas se producen a partir de una amplia variedad de materiales. Son silicatos amorfos fabricados a partir de vidrio, roca, escoria u otros minerales. Las fibras producidas son tanto fibras continuas como discontinuas. En general, las fibras continuas son fibras de vidrio estiradas a través de boquillas y utilizadas para reforzar otros materiales, como plásticos, para producir materiales compuestos con propiedades únicas. Las fibras discontinuas (generalmente conocidas como lanas) se utilizan para muchos propósitos, más comúnmente para aislamiento térmico y acústico. Las fibras vítreas sintéticas, para los fines de esta discusión, se han dividido en fibras de vidrio continuas, con las lanas aislantes hechas de fibras de vidrio, roca o escoria, y fibras cerámicas refractarias, que generalmente son silicatos de aluminio.

La posibilidad de estirar vidrio templado en fibras finas era conocida por los vidrieros en la antigüedad y en realidad es más antigua que la técnica del soplado de vidrio. Muchas vasijas egipcias primitivas se fabricaban enrollando fibras de vidrio gruesas en un mandril de arcilla con la forma adecuada, luego calentando el conjunto hasta que las fibras de vidrio fluían unas con otras y, después de enfriar, retirando el núcleo de arcilla. Incluso después de la llegada del soplado de vidrio en el siglo I d. C., todavía se empleaba la técnica de fibra de vidrio. Los vidrieros venecianos de los siglos XVI y XVII lo utilizaron para decorar cristalería. En este caso, se enrollaron haces de fibras blancas opacas sobre la superficie de un recipiente de vidrio soplado transparente (por ejemplo, una copa) y luego se fundieron en él mediante calentamiento.

A pesar de la larga historia de usos generalmente decorativos o artísticos de las fibras de vidrio, su uso generalizado no volvió a surgir hasta el siglo XX. La producción comercial inicial de fibras de vidrio en los Estados Unidos se produjo en la década de 20, mientras que en Europa el uso inicial se produjo algunos años antes. Las lanas de roca y de escoria se producían varios años antes.

La fabricación y el uso de fibras vítreas sintéticas es una industria global de miles de millones de dólares, ya que estos útiles materiales se han convertido en un componente importante de la sociedad moderna. Sus usos como aislantes han dado como resultado una enorme reducción en los requisitos de energía para calentar y enfriar edificios, y este ahorro de energía ha resultado en una reducción significativa de la contaminación global asociada con la producción de energía. Se estima que el número de aplicaciones de filamentos de vidrio continuos como refuerzos para una gran cantidad de productos, desde artículos deportivos hasta chips de computadora y aplicaciones aeroespaciales, supera las 30,000. El desarrollo y la comercialización generalizada de fibras cerámicas refractarias se produjo en la década de 1970, y estas fibras siguen desempeñando un papel importante en la protección de los trabajadores y los equipos en una variedad de procesos de fabricación a alta temperatura.

Procesos de manufactura

Filamentos de vidrio continuo

Los filamentos de vidrio se forman introduciendo el vidrio fundido a través de casquillos de metal precioso en finos filamentos de diámetro casi uniforme. Debido a los requisitos físicos de las fibras cuando se utilizan como refuerzos, sus diámetros son relativamente grandes en comparación con los de las lanas aislantes. Casi todos los filamentos de vidrio continuos tienen diámetros de 5 a 15 μm o más. Estos grandes diámetros, junto con la estrecha gama de diámetros producidos durante la fabricación, eliminan cualquier posible efecto respiratorio crónico, ya que las fibras son demasiado grandes para ser inhaladas en el tracto respiratorio inferior.

Las fibras de vidrio continuas se fabrican mediante la rápida atenuación de gotas de vidrio fundido que exudan a través de boquillas por gravedad y quedan suspendidas de ellas. El equilibrio dinámico entre las fuerzas de tensión superficial y la atenuación mecánica da como resultado que la gota de vidrio adopte la forma de un menisco sostenido en la abertura anular de la boquilla y se estreche hasta el diámetro de la fibra que se está estirando. Para que el trefilado de fibras tenga éxito, el vidrio debe estar dentro de un estrecho rango de viscosidades (es decir, entre 500 y 1,000 poise). A viscosidades más bajas, el vidrio es demasiado fluido y se desprende de las boquillas en forma de gotas; en este caso domina la tensión superficial. A viscosidades más altas, la tensión en la fibra durante la atenuación es demasiado alta. La tasa de flujo de vidrio a través de la boquilla también puede volverse demasiado baja para mantener un menisco.

La función del casquillo es proporcionar una placa que contenga varios cientos de boquillas a una temperatura uniforme y acondicionar el vidrio a esta temperatura uniforme para que las fibras estiradas tengan un diámetro uniforme. la Figura 9 muestra un diagrama esquemático de las características principales de un casquillo de fusión directa unido a un antecrisol del que toma un suministro de vidrio fundido muy cerca de la temperatura a la que el vidrio pasará a través de las boquillas; en este caso, por lo tanto, la función básica del aislador es también su única función.

Figura 9. Esquema de buje de fusión directa

En el caso de un casquillo que funcione con canicas, se requiere una segunda función, a saber, primero derretir las canicas antes de acondicionar el vidrio a la temperatura correcta de estirado de la fibra. En la figura 10 se muestra un casquillo de mármol típico. La línea discontinua dentro del casquillo es una placa perforada que retiene las canicas sin fundir.

Figura 10. Esquema de un buje de mármol

El diseño de casquillos es en gran medida empírico. Por motivos de resistencia al ataque del vidrio fundido y estabilidad a las temperaturas necesarias para el estirado de las fibras, los casquillos se fabrican con aleaciones de platino; Se utilizan tanto rodio-platino al 10% como rodio-platino al 20%, siendo este último más resistente a la deformación a temperaturas elevadas.

Antes de que las fibras individuales que se extraen de un casquillo se junten y consoliden en una hebra, o en una multiplicidad de hebras, se recubren con un apresto de fibra. Estos tamaños de fibra son básicamente de dos tipos:

1. Los aprestos de aceite de almidón generalmente se aplican a las fibras destinadas a tejerse en tejidos finos u operaciones similares.
2. aglutinante más aprestos formadores de película aplicados a fibras destinadas al refuerzo directo de plásticos y caucho.

 

Después de que se forma la fibra, se aplica una capa protectora de apresto orgánico en un aplicador y los filamentos continuos se reúnen en una hebra de multifilamento (consulte la figura 11) antes de enrollarlos en un tubo de bobinado. Los aplicadores funcionan permitiendo que el abanico de fibras, cuando tiene entre 25 y 45 mm de ancho y en su camino hacia la zapata de recolección debajo del aplicador, pase sobre una superficie móvil cubierta con una película del tamaño de la fibra.

Figura 11. Filamentos de vidrio textil

Básicamente hay dos tipos de aplicaciones:

1. aplicadores de rodillo, fabricados en caucho, cerámica o grafito, en los que la fibra corre sobre la superficie del rodillo recubierta con una película del tamaño de la fibra
2. aplicadores de cinta, en los que en un extremo la cinta pasa sobre un rodillo accionado que sumerge la cinta en el apresto de la fibra y en el otro extremo pasa sobre una barra fija de acero cromado duro en cuya posición las fibras tocan la cinta para recoger el apresto.

 

El recubrimiento protector y el proceso de recolección de fibras pueden variar según los tipos de fibras textiles o de refuerzo que se produzcan. El objetivo básico es recubrir las fibras con cola, juntarlas en un hilo y ubicarlas sobre un tubo removible en la pinza con la mínima tensión necesaria.

La figura 12 muestra el proceso de fabricación de vidrio en continuo.

Figura 12. Fabricación de vidrio de filamento continuo

Fabricación de lana aislante

A diferencia de los filamentos continuos, las fibras de las lanas aislantes y las fibras cerámicas refractarias se fabrican en procesos de muy alta energía en los que el material fundido se deja caer en discos giratorios o en una serie de ruedas giratorias. Estos métodos dan como resultado la producción de fibras con una gama de diámetros mucho más amplia que la que se observa con los filamentos continuos. Así, todas las lanas aislantes y fibras cerámicas contienen una fracción de fibras con diámetros inferiores a 3.0 μm; estos podrían volverse respirables si se fracturan en longitudes relativamente cortas (menos de 200 a 250 μm). Hay muchos datos disponibles sobre la exposición a fibras vítreas sintéticas respirables en el lugar de trabajo.

Se utilizan varios procesos para fabricar lana de vidrio, incluido el proceso de soplado con vapor y el proceso de soplado con llama; pero el más popular es el proceso de formado rotatorio desarrollado a mediados de los años 1950. Los procesos rotatorios han reemplazado en gran medida a los procesos de soplado directo para la producción comercial de productos aislantes de fibra de vidrio. Todos estos procesos rotatorios emplean un tambor hueco, o rotor, montado con su eje vertical. La pared vertical de la rueda giratoria está perforada con varios miles de orificios distribuidos uniformemente alrededor de la circunferencia. Se permite que el vidrio fundido caiga a una velocidad controlada en el centro del rotor, desde donde un distribuidor adecuado lo empuja hacia el interior de la pared vertical perforada. Desde esa posición, la fuerza centrífuga impulsa el vidrio radialmente hacia el exterior en forma de filamentos de vidrio discretos que salen de cada perforación. La atenuación adicional de estos filamentos primarios se logra mediante un fluido de soplado adecuado que emerge de una boquilla o boquillas dispuestas alrededor y concéntricas con el rotor. El resultado neto es la producción de fibras con un diámetro medio de fibra de 6 a 7 mm. El fluido de soplado actúa en dirección hacia abajo y así, además de proporcionar la atenuación final, también desvía las fibras hacia una superficie colectora situada debajo de la hiladora. En el camino hacia esta superficie colectora, las fibras se rocían con un aglutinante adecuado antes de distribuirse uniformemente por la superficie colectora (ver figura 13).

Figura 13. El proceso rotatorio para hacer lana de vidrio.

En un proceso rotatorio, las fibras de lana de vidrio se fabrican permitiendo que el vidrio fundido pase a través de una serie de pequeñas aberturas que están situadas en un rotor giratorio y luego atenuando el filamento primario soplando con aire o vapor.

Lana mineralSin embargo, no se puede producir en el proceso de hilado rotatorio e históricamente se ha producido en el proceso con una serie de mandriles de hilado horizontales. El proceso de lana mineral consiste en un conjunto de rotores (mandriles) montados en cascada y girando muy rápidamente (ver figura 14). Una corriente de piedra fundida se transfiere continuamente a uno de los rotores superiores y desde este rotor se distribuye en el segundo y así sucesivamente. La masa fundida se distribuye uniformemente sobre la superficie exterior de todos los rotores. De los rotores, las gotas son expulsadas por la fuerza centrífuga. Las gotitas se unen a la superficie del rotor mediante cuellos alargados que, bajo un mayor alargamiento y enfriamiento simultáneo, se convierten en fibras. Por supuesto, el alargamiento va seguido de una disminución del diámetro que, a su vez, provoca un enfriamiento acelerado. Por tanto, existe un límite inferior para el diámetro entre las fibras producidas en este proceso. Por lo tanto, no se espera una distribución normal de los diámetros de las fibras alrededor del valor medio.

Figura 14. Proceso de lana mineral (roca y escoria)

Fibras cerámicas refractarias

Las fibras cerámicas se producen principalmente por soplado e hilado con métodos similares a los descritos para las lanas aislantes. En el proceso de soplado con vapor, las materias primas como la alúmina y la sílice se fusionan en un horno eléctrico y el material fundido se extrae y se sopla con vapor a presión u otro gas caliente. Las fibras producidas se recogen luego en una pantalla.

Similar al proceso de hilatura de las fibras de roca y escoria, el de las fibras cerámicas produce una alta proporción de fibras largas y sedosas. En este método, una corriente de material fundido se deja caer sobre discos que giran rápidamente y se expulsa tangencialmente para formar fibras.

Industria Cerámica

perfil general

La fabricación de cerámica es una de las más antiguas de las artesanías humanas. A lo largo de los siglos se han desarrollado diferentes estilos y técnicas en diferentes partes del mundo. En el siglo XVIII, una industria floreciente en muchas partes de Europa estuvo fuertemente influenciada por la importación de artículos finos y altamente decorados del Lejano Oriente. Japón había aprendido el arte de la cerámica de China unos 18 años antes. Con la Revolución Industrial y el cambio general de las condiciones en Europa Occidental, la producción creció rápidamente. En la actualidad, casi todos los países fabrican algunos artículos para uso doméstico, y la cerámica es una exportación importante de algunos países. La producción es ahora a escala de fábrica en muchas partes del mundo. Si bien los principios básicos de fabricación no han cambiado, ha habido un progreso considerable en la forma en que se lleva a cabo la fabricación. Esto es particularmente así en la formación o modelado de la cerámica, en su cocción y en las técnicas de decoración utilizadas. El uso creciente de microprocesadores y robots da como resultado la introducción de altos niveles de automatización en las áreas de producción. Sin embargo, todavía existen en todas partes muchas alfarerías artesanales a pequeña escala.

Métodos de formación

El método más antiguo de hacer cerámica involucraba el método manual de construcción. Se enrollan rollos de arcilla, uno encima del otro, y se pegan presionando con las manos. La arcilla se convierte primero en un estado blando trabajándola con agua. Luego, el objeto se forma y moldea a mano, una vez que se adhieren las bobinas.

El torno de alfarero se ha convertido en una herramienta para la creación de cerámica. Con este método de formación, se coloca una pila de arcilla sobre un plato circular giratorio y se le da forma con las manos mojadas del alfarero. El agua evita que las manos del alfarero se peguen a la arcilla y la mantiene húmeda y trabajable. Las manijas, picos y otras protuberancias de la arcilla giratoria se colocan justo antes de que se dispare el objeto.

Casting se usa a menudo hoy en día cuando se desea cerámica de alta calidad y cuando las paredes de la vasija deben ser muy delgadas. Una mezcla de arcilla y agua, llamada barbotina, se vierte en un molde de yeso de París. El yeso absorbe el agua, haciendo que se deposite una fina capa de arcilla alrededor del interior del molde. Cuando el depósito de arcilla es lo suficientemente grueso como para formar las paredes del jarrón, se vierte el resto de la barbotina, dejando la pieza húmeda en el interior de la forma. A medida que se seca, se encoge un poco y se puede desmoldar. Por lo general, los moldes se construyen de manera que se puedan desmontar.

Cuando la pieza está completamente seca, se alisa y se prepara para el proceso de cocción. Se coloca en una caja de arcilla refractaria llamada arcilla refractaria, que protege la pieza de las llamas y gases que se desprenden durante el proceso, al igual que un horno protegería una barra de pan que se está horneando. Los saggers se colocan uno encima de otro en un horno. El horno es una gran estructura que está construida con ladrillos refractarios y está rodeada de conductos de humos para que las llamas del fuego puedan rodear totalmente los platos pero nunca entrar en contacto con ellos. El humo decoloraría las piezas si no estuvieran protegidas de esa manera.

La mayoría de las piezas se disparan al menos dos veces. La primera vez que pasa por el horno se llama bizcocho cocción, y la pieza de cerámica se llama galleta or pieza de bisque. Después de la cocción, la galleta se glasea. Un vidriado es una capa vítrea y brillante que hace que la cerámica sea más atractiva y útil. Los esmaltes contienen sílice, un fundente para bajar la temperatura de fusión (plomo, bario, etc.) y óxidos metálicos como colorantes. Cuando el esmalte se aplica a la cerámica y está completamente seco, se vuelve a colocar en el horno y se cuece a una temperatura tan alta que el esmalte se derrite y cubre toda la superficie de la cerámica.

tipos de cerámica

• Gres es una cerámica hecha de arcilla clara u oscura. Se glasea sobre el cuerpo sin quemar antes de colocarlo en el horno o por medio de sal durante el proceso de quemado y se quema hasta obtener una condición densa y dura.

• Porcelana es una loza blanca vitrificada. es translucido En la porcelana, el cuerpo y el esmalte se completan y maduran en una misma cocción, que tiene lugar a una temperatura muy alta.

• China Es una vajilla similar a la porcelana. El cuerpo y el esmalte se completan y maduran en la misma cocción, a temperaturas extremadamente altas.

• Porcelana blanca y translúcida es una variedad de porcelana en la que se utiliza hueso quemado como ingrediente, constituyendo alrededor del 40% de la masa.

• Loza de barro tiene un cuerpo blanco o casi blanco. Se produce mediante dos cocciones, como la porcelana, pero su cuerpo sigue siendo poroso. El vidriado es similar al de la porcelana pero está hecho de un material más económico.

• Loza de barro es una loza fina vidriada utilizada con fines ornamentales y decorativos. Por lo general, no se intenta producir un cuerpo blanco y los esmaltes se colorean con frecuencia.

 

Procesos de manufactura

Las propiedades físicas de la cerámica varían según la composición del cuerpo y las condiciones de cocción. El cuerpo para cualquier uso particular se selecciona principalmente por sus propiedades físicas, pero los cuerpos blancos se eligen generalmente para vajillas.

Los productos industriales (p. ej., refractarios, aislantes eléctricos, portadores de catalizadores, etc.) tienen una amplia gama de propiedades según su uso eventual.

Materias primas. Los ingredientes básicos en un cuerpo de cerámica se muestran en la tabla 1, que también indica proporciones típicas en tipos de cuerpo de muestra.

Tabla 1. Componentes corporales típicos (%)

 

La nefelina-sienita a veces se usa como fundente, y la alúmina puede reemplazar parte o la totalidad del relleno de cuarzo en algunos cuerpos de tipo porcelana. La cristobalita (arena calcinada) se utiliza como relleno en algunas pastas cerámicas, particularmente en la industria de revestimientos cerámicos.

La composición corporal está determinada en parte por las propiedades requeridas del producto final y en parte por el método de producción. Una base de plástico es esencial para los artículos que se moldean mientras están húmedos, pero no para los procesos de formación no plásticos, como el prensado en polvo. La base plástica no es imprescindible, aunque la arcilla sigue siendo el ingrediente principal de la mayoría de los productos cerámicos, incluidos los preparados por prensado en polvo.

Las cerámicas industriales no se muestran en la tabla 1, ya que su composición varía desde todas las arcillas esféricas o refractarias, sin fundente ni relleno adicional, hasta casi todas las alúminas, con una cantidad mínima de arcilla y sin fundente añadido.

Durante la cocción, el fundente se derrite en un vaso para unir los ingredientes. A medida que aumenta la cantidad de fundente, se reduce la temperatura de vitrificación. Los rellenos influyen en la resistencia mecánica de la cerámica antes y durante la cocción; en la fabricación de vajillas, se utiliza tradicionalmente cuarzo (como arena o pedernal calcinado), excepto que la ceniza de hueso se utiliza para fabricar porcelana china. El uso de alúmina u otras cargas no silíceas, que ya se emplean en la fabricación de cerámica industrial, se está extendiendo a la fabricación de otros artículos, incluidos los domésticos.

Procesamiento. Los procesos básicos en la producción de cerámica incluyen:

• preparación de los ingredientes del cuerpo

• formando y formando

• cocción de galletas

• aplicación de esmalte

• disparo brillante

• decoración.

 

Los procesos preparatorios de calcinación, trituración y trituración del pedernal o de la piedra pueden hacerse en un establecimiento separado, pero es común que todos los procesos subsiguientes se realicen en la misma fábrica. En la casa de deslizamiento, los ingredientes del cuerpo se mezclan en agua; luego se produce arcilla plástica por filtración y taponamiento; la barbotina se prepara luego batiendo hasta obtener una consistencia cremosa. El polvo para prensar se prepara secando y moliendo.

Las clasificaciones tradicionales de los procesos de conformación se muestran en la tabla 2. En la fundición, una suspensión de agua del cuerpo se vierte en un molde absorbente y el molde se retira después de un secado parcial. La formación de arcilla plástica por lanzamiento ahora es rara en la producción industrial; la distribución mecánica sobre o en un molde de yeso (jiggering y jolly) con separación del molde después del secado es casi universal en la fabricación de vajillas. El prensado de arcilla plástica o la extrusión se restringe principalmente a la cerámica industrial. Los artículos prensados ​​en polvo se producen compactando el polvo de la carrocería presecado a mano o mediante prensado mecánico.

Tabla 2. Procesos de fabricación

 

Después de darle forma, la vajilla puede secarse y terminarse mediante desbarbado, remolque o esponjado. Entonces está listo para hornear galletas.

Después de la cocción de galletas, el glaseado se aplica por inmersión o pulverización; la inmersión puede ser manual o mecanizada. A continuación, la vajilla esmaltada se vuelve a cocer. A veces, como ocurre con la vajilla blanca sanitaria, se aplica esmalte al artículo de arcilla seca y solo hay una cocción.

La decoración se puede aplicar debajo o sobre el vidriado y puede ser pintura a mano, impresión a máquina o transferencia; la decoración sobre esmalte implica una tercera cocción; ya veces son necesarias cocciones separadas para diferentes colores.

En las etapas finales, la mercancía se clasifica y empaqueta para su envío. La Figura 15 identifica los diversos caminos seguidos por varios tipos de alfarería y cerámica durante su fabricación.

Figura 15. Diagrama de flujo por tipo de cerámica

Baldosa de cerámica

perfil general

Cerámica es un término que alguna vez se pensó que se refería solo al arte o técnica de producir artículos de cerámica. La etimología del término muestra que deriva del griego kéramos, que significa "un alfarero" o "una cerámica". Sin embargo, la palabra griega está relacionada con una raíz sánscrita más antigua, que significa “quemar”; tal como lo usaban los propios griegos, su significado principal era simplemente "cosa quemada" o "tierra quemada". El concepto fundamental contenido en el término era el de producto obtenido por la acción del fuego sobre materiales terrosos.

Una cerámica tradicional, en el contexto de este artículo, se refiere a los productos comúnmente utilizados como materiales de construcción o dentro del hogar y la industria. Aunque existe una tendencia a equiparar la cerámica tradicional con la baja tecnología, en esta industria se suelen utilizar tecnologías de fabricación avanzadas. La dura competencia entre los productores ha hecho que la tecnología se vuelva más eficiente y rentable al utilizar maquinaria y herramientas complejas, junto con el control de procesos asistido por computadora.

Los productos cerámicos más antiguos se originaron a partir de materiales arcillosos. Los primeros alfareros encontraron que la naturaleza plástica de la arcilla era útil para formar formas. Debido a su tendencia a exhibir una gran cantidad de contracción, los cuerpos de arcilla se modificaron agregando arena gruesa y piedra, lo que redujo la contracción y el agrietamiento. En los cuerpos modernos a base de arcilla, las adiciones típicas que no son de arcilla son harina de sílice y minerales alcalinos que se agregan como fundentes. En las formulaciones cerámicas tradicionales, la arcilla actúa como plastificante y aglutinante de otros constituyentes.

Desarrollo de la industria

La producción de tejas de barro seco y cocido tiene orígenes muy antiguos que se remontan a las poblaciones de Oriente Medio. La industria de la cerámica blanca se desarrolló significativamente en Europa y, a principios del siglo XX, la producción de baldosas para pisos y paredes alcanzó una escala industrial. Un mayor desarrollo en este campo se produjo después de la Segunda Guerra Mundial. Europa (Italia y España, en particular), América Latina y el Lejano Oriente son ahora las áreas más importantes de producción de baldosas industriales.

El sector de los pavimentos y revestimientos de la industria de la cerámica blanca ha experimentado un gran desarrollo desde mediados de la década de 1980 con la introducción de nuevas tecnologías, la automatización y la integración del flujo de producción en el proceso de fabricación. Posteriormente, la productividad y la eficiencia aumentaron, mientras que el consumo de energía y los costos se redujeron. La fabricación de losetas ahora es continua tanto en la producción de losetas húmedas como secas, y muchas plantas hoy en día tienen casi un 100 % de automatización. Las principales innovaciones en la industria de las baldosas durante la última década incluyen la molienda en húmedo, el secado por aspersión, el prensado en seco a alta presión, el secado con rodillos y las tecnologías de cocción rápida.

El valor de la oferta del mercado de losetas de cerámica de EE. UU. (envíos de fábrica de EE. UU. más importaciones) aumentó aproximadamente un 9.2% anual compuesto entre 1992 y 1994. Se estimó que las ventas en dólares alcanzaron los 1.3 millones de dólares estadounidenses en 1994. Al mismo tiempo, el volumen de ventas aumentó 11.9 % compuesto anualmente a 1.3 millones de pies cuadrados. Esto se compara con una tasa de crecimiento del mercado del 7.6% basada en las ventas en dólares y del 6.9% basada en el volumen de ventas entre 1982 y 1992.

Clasificaciones de baldosas cerámicas.

Vajilla roja y blanca

Muchos tipos de baldosas cerámicas están disponibles en el mercado. Se diferencian según el estado de la superficie, el color del cuerpo (blanco o rojo), la tecnología de fabricación, las materias primas y el uso final. La diferencia entre las baldosas "rojas" y "blancas" radica en la cantidad de minerales de hierro que contiene el cuerpo. Al reaccionar con los demás componentes del cuerpo, pueden dar más o menos coloración y modificar el comportamiento del cuerpo durante la cocción.

Una clasificación completa y exhaustiva es muy difícil debido a la extrema heterogeneidad de los productos cerámicos, su procesamiento y características posteriores. En este capítulo se consideran las normas europeas (EN) y ASTM.

Las normas EN clasifican las baldosas cerámicas exclusivamente en función de la absorción de agua (que se correlaciona directamente con la porosidad) y del método de conformación (extrusión o prensado). Los métodos de modelado se clasifican en:

• proceso de conformación A (baldosas extrusionadas). Este proceso incluye tejas divididas y tejas extruidas individualmente.

• proceso de conformación B (Pavimentos y revestimientos prensados ​​en seco).

 

La norma europea EN 87, aprobada en noviembre de 1981, especifica que “Las baldosas y pavimentos cerámicos son materiales de construcción generalmente diseñados para su uso como revestimiento de suelos y paredes, tanto en interiores como en exteriores, independientemente de su forma y tamaño”.

La especificación del American National Standards Institute (ANSI) para losetas de cerámica (ANSI A 137.1) contiene las siguientes definiciones:

• Azulejo de mosaico de cerámica se forma por el método de prensado en polvo o plástico, generalmente de 6.4 a 9.5 mm (1/4 a 1/8 pulg.) de espesor, y tiene un área frontal de menos de 39 cm² (6 en² ). Los mosaicos cerámicos pueden ser de composición de porcelana o arcilla natural, y pueden ser lisos o con una mezcla abrasiva en todas partes.

• Azulejo de pared decorativo es un azulejo esmaltado con un cuerpo delgado que generalmente no es vítreo y es adecuado para uso en paredes residenciales decorativas interiores donde la resistencia a la rotura no es un requisito.

• Baldosa de adoquín es una baldosa de porcelana o arcilla natural esmaltada o sin esmaltar formada por el método de prensado en polvo que tiene 39 cm² (6 en² ) o más área facial.

• Porcelanato es una loseta de mosaico de cerámica o loseta de adoquín que generalmente se fabrica mediante el método de prensado en polvo con la composición resultante de la loseta que es densa, impermeable, de grano fino y suave, con una cara de forma nítida.

• Baldosa sin vitrificar es una loseta vidriada o sin vidriar, hecha por el proceso de extrusión de arcilla natural o esquisto, generalmente con 39 cm² (6 en²) o más área facial.

• Azulejo de pared es una loseta vidriada con un cuerpo apto para uso en interiores y generalmente no vítreo y que no requiere soportar un impacto excesivo ni estar sujeto a condiciones de congelación y descongelación.

• Grados individuales de baldosas blancas incluyen baldosas sin esmaltar (mosaico de cerámica, baldosa de cantera, baldosa de adoquín) y baldosas esmaltadas (baldosa de pared esmaltada, baldosa de mosaico de cerámica esmaltada, baldosa de cantera esmaltada, baldosa de adoquín esmaltada) (ANSI 1988).

 

Las baldosas se fabrican mediante procesos cerámicos estándar. Los revestimientos cerámicos para pisos y paredes se preparan a partir de una mezcla de arcillas esféricas, arena, fundentes, agentes colorantes y otras materias primas minerales, y se someten a procesos tales como molienda, tamizado, mezcla y humectación. Se les da forma mediante prensado, extrusión, fundición u otro proceso, normalmente a temperatura ambiente, y posteriormente se secan y finalmente se cuecen a alta temperatura. Las baldosas pueden ser esmaltadas, sin esmaltar o engobadas. Los vidriados son revestimientos impermeables similares al vidrio, y los engobes son revestimientos mate a base de arcilla que también pueden ser porosos. Los revestimientos y pavimentos esmaltados se fabrican mediante cocción en una o dos etapas.

Los cuerpos cerámicos tradicionales se transforman en formas utilizando muchas técnicas diferentes. El proceso de formación específico está dictado por numerosos factores, incluidas las características del material, el tamaño y la forma de la pieza, las especificaciones de la pieza, el rendimiento de la producción y las prácticas aceptadas dentro de la región geográfica.

Los cuerpos a base de arcilla son mezclas heterogéneas de una o más arcillas y uno o más polvos no arcillosos. Antes de adquirir una forma definitiva, estos polvos pasan por una secuencia de operaciones unitarias, operaciones de cocción y operaciones posteriores al fuego (ver figura 17).

Para la mayoría de los cuerpos tradicionales, las técnicas de formación se pueden clasificar como formación de plástico blando, formación de plástico rígido, prensado y fundición.

La presión aplicada se emplea para reorganizar y redistribuir las materias primas en una configuración mejor empaquetada. El comportamiento reológico de los cuerpos a base de arcilla es el resultado de la interacción del mineral arcilloso con el agua, que imparte plasticidad al lote. En cuerpos que no son arcillosos, este mismo tipo de comportamiento se puede lograr agregando plastificantes.

Cerámica Industrial

perfil general

La cerámica se diferencia de otros materiales de ingeniería (metales, plásticos, productos de madera, textiles) en una serie de propiedades individuales. Quizás la diferencia más distintiva para un diseñador o usuario potencial de artículos de cerámica es la forma y el tamaño únicos de cada pieza de cerámica individual. La cerámica no se moldea ni se trabaja fácilmente después de la cocción, excepto mediante una molienda muy costosa; en consecuencia, normalmente deben utilizarse tal cual. A excepción de algunas formas simples de tejas, varillas y tubos de tamaños limitados, la cerámica no se puede comercializar por pie o por yarda, ni cortar para que encaje en el trabajo.

Todas las propiedades útiles, incluida la forma y el tamaño, deben proporcionarse por adelantado, comenzando con las primeras etapas del procesamiento cerámico. La integridad estructural de cada pieza debe preservarse a través de una variedad de exposiciones a esfuerzos térmicos y mecánicos durante el procesamiento y hasta que la pieza finalmente se instale y esté en servicio. Si una cerámica falla en el servicio como resultado de una variedad de causas (fractura frágil por impacto, choque térmico, ruptura dieléctrica, abrasión o corrosión por escoria de fusión), no es probable que se pueda reparar y, por lo general, debe reemplazarse.

Se han logrado avances significativos en la comprensión fundamental y el control tecnológico de las propiedades de la cerámica y de su utilización en muchas aplicaciones nuevas, exigentes y altamente técnicas. La industria en general, y las partes cerámicas técnicas y electrónicas de la misma, en particular, han ideado técnicas de producción y control para producir formas complejas en masa en cuerpos que tienen propiedades eléctricas, magnéticas y/o mecánicas cuidadosamente controladas, manteniendo tolerancias dimensionales lo suficientemente buenas para permitir un ensamblaje relativamente fácil con otros componentes.

Muchas cerámicas se producen en grandes volúmenes como artículos estándar. Ladrillos refractarios y formas, crisoles, muflas, tubos de horno, aisladores, tubos de protección de termopares, dieléctricos de capacitores, sellos herméticos y tableros de fibra son almacenados rutinariamente por varios productores de cerámica en una variedad de composiciones y tamaños. Por lo general, es más rápido y más económico usar artículos en stock siempre que sea posible. Cuando los artículos en stock no satisfacen la necesidad, la mayoría de los fabricantes están preparados para producir artículos personalizados. Cuanto más estrictos sean los requisitos para una determinada propiedad de la cerámica, o cuanto más restrictivos sean los requisitos para combinaciones específicas de propiedades, tamaños y formas, más limitados serán los parámetros de composición, microestructurales y configuracionales aceptados para la cerámica. Por lo tanto, el coste y la dificultad de fabricación son mayores. La mayoría de los fabricantes de cerámica cuentan con ingenieros y diseñadores experimentados que están bien calificados para trabajar con clientes potenciales en los detalles del diseño de artículos de cerámica.

Industrias

El principal mercado para la cerámica de última generación ha sido y seguirá siendo la electrónica, pero los vigorosos programas de investigación y desarrollo en todo el mundo buscan continuamente nuevas aplicaciones e identifican formas de mejorar las propiedades de la cerámica para poder acceder a nuevos mercados.

La cerámica avanzada se produce en Japón, Estados Unidos y Europa Occidental. Las materias primas utilizadas en la industria se comercializan a nivel internacional, principalmente en forma de polvo, pero también hay una cantidad significativa de procesamiento interno.

Las principales aplicaciones de la cerámica industrial son:

• óxidos. Los principales materiales de óxido que se utilizan en la actualidad son la alúmina en bujías, sustratos y aplicaciones de desgaste; zirconio (ZrO₂) en sensores de oxígeno, como componente en piezoeléctricos de plomo-zirconio-titanato (PZT), aplicaciones de desgaste y revestimientos de barrera térmica; titanatos en condensadores de titanato de bario y piezoeléctricos PZT; y ferritas en imanes permanentes, cabezales de grabación magnética, dispositivos de memoria, sensores de temperatura y partes de motores eléctricos.

• Carburos y nitruros. Los carburos (principalmente carburo de silicio y carburo de boro) se utilizan en aplicaciones de desgaste, mientras que los nitruros (principalmente nitruro de silicio y Sialon) se utilizan en aplicaciones de desgaste y herramientas de corte. El nitruro de aluminio, con su alta conductividad térmica, es el principal material de competencia para una parte del mercado de sustratos electrónicos actualmente dominado por la alúmina.

• Cerámica de óxidos mixtos. Los esfuerzos de investigación y desarrollo de la cerámica se centran en una serie de nuevas aplicaciones para la cerámica que tienen un enorme potencial. Tres aplicaciones importantes son: (1) superconductores cerámicos, (2) cerámica para celdas de combustible de óxido sólido y (3) componentes cerámicos para motores térmicos.

 

Los superconductores cerámicos se basan en varios sistemas de óxidos mixtos que incluyen itrio, bario, cobre, estroncio y cobre (YBa₂Cu₃O_{7 - 8}, Bi₂Sr₂cacu₂O₈, Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀) estabilizado con óxido de plomo. Las cerámicas de celdas de combustible de óxido sólido se basan en conductores iónicos en los que la circona estabilizada de alta pureza es actualmente el material de elección. Los componentes cerámicos del motor térmico que se están investigando están compuestos de carburo de silicio, Sialons y zirconia, ya sea como cerámicas monofásicas, compuestos cerámico-cerámicos o compuestos de matriz metálica (MMC).

Procesos de manufactura

Desarrollo de tecnología de fabricación.

Innovaciones de procesamiento. La actividad de investigación y desarrollo está generando nuevas tecnologías para la producción de materiales cerámicos. Se estimó que las cerámicas derivadas de precursores tenían un valor de mercado de 2 millones de dólares EE.UU. en 1989, la mayor parte del cual estaba en CVD (86% del valor total de mercado). Otros segmentos de este mercado en crecimiento incluyen la infiltración de vapor químico (CVI), sol-gel y pirólisis de polímeros. Los productos que se están produciendo con éxito por estos medios incluyen fibras cerámicas continuas, compuestos, membranas y polvos de ultra alta pureza/alta actividad.

Los procesos utilizados para convertir estas materias primas en productos terminados incluyen procesamiento adicional de polvo (p. ej., molienda y secado por aspersión) antes de formar formas verdes que luego se cuecen en condiciones controladas. Los procesos de formación incluyen prensado en matriz, prensado isostático, moldeado deslizante, moldeado en cinta, extrusión, moldeado por inyección, prensado en caliente, prensado isostático en caliente (HIP), CVD, etc.

Aditivos químicos para ayudar al procesamiento de cerámica. Cada paso del proceso de fabricación requiere un control cuidadoso para que las propiedades del producto final se obtengan con la máxima eficiencia de producción y se utilicen productos químicos de efecto clave para optimizar el tratamiento del polvo y la formación en verde. Los productos químicos de efecto incluyen auxiliares de molienda, floculantes y aglutinantes, lubricantes para efectuar la liberación del producto durante el prensado y minimizar el desgaste de las piezas del troquel, y plastificantes para ayudar en la extrusión y el moldeo por inyección. En la tabla 3 se muestra una lista de dichos productos químicos. Si bien estos materiales desempeñan un papel económico importante en la producción, se queman durante la cocción y no participan en la química del producto final. El proceso de quemado debe controlarse cuidadosamente para evitar el carbono residual en los productos terminados, y la investigación y el desarrollo de procesos están investigando continuamente formas de minimizar los niveles de productos químicos de efecto utilizados.

Tabla 3. Aditivos químicos seleccionados utilizados para optimizar el tratamiento en polvo y la formación en verde de cerámica

 

Además de generar productos cerámicos y tecnologías de fabricación de cerámica para nuevas aplicaciones, no debe pasarse por alto la influencia de la industria cerámica avanzada en la industria cerámica tradicional. Se espera que muchos materiales y procesos de alta tecnología encuentren aplicación en la industria cerámica tradicional, ya que esta última se esfuerza por reducir los costos de fabricación, mejorar la calidad y brindar un mejor valor en el servicio al usuario final.

Materias primas

Existen determinados materiales clave que o bien son utilizados directamente por la industria cerámica o bien representan el punto de partida para la producción de materiales de valor añadido:

• sílice

• arcilla

• alúmina

• magnesia

• titania

• oxido de hierro

• circón/zirconio.

 

Esta discusión se centrará en las propiedades de la sílice, la alúmina y el zircón/zirconia.

Silica, además de su uso en refractarios y lozas blancas, también es el punto de partida en la fabricación de silicio elemental, carburo de silicio y tetracloruro de silicio. El silicio, a su vez, es el punto de partida del nitruro de silicio, y el tetracloruro de silicio es el precursor de una amplia gama de compuestos orgánicos de silicio que se pueden pirolizar en condiciones controladas para obtener carburo de silicio y nitruro de silicio de alta calidad.

El nitruro de silicio y sus derivados Sialon, así como el carburo de silicio, a pesar de su tendencia a oxidarse, tienen el potencial de cumplir muchos de los objetivos de propiedades establecidos por el mercado de motores térmicos. Una característica del sílice y de los materiales cerámicos que se derivan del sílice es que todos los elementos están fácilmente disponibles en la corteza terrestre. En este sentido, estos materiales ofrecen el potencial de facilidad de suministro en todas partes del mundo. En la práctica, sin embargo, se requiere una entrada de energía significativa para producir silicio y carburo de silicio. En consecuencia, la fabricación de estos materiales se limita en general a países con energía eléctrica barata y de fácil acceso.

Alúmina se encuentra en toda la corteza terrestre como componente de los minerales de aluminosilicato. La economía dicta que la alúmina se extraiga de la bauxita utilizando el proceso Bayer. La bauxita está muy extendida en el cinturón ecuatorial en diferentes estados de pureza y se divide en dos clasificaciones: mineral de grado refractario y mineral metalúrgico.

China y Guyana suministran bauxita de grado refractario como una calcina de alta temperatura del mineral natural: diáspora (Al₂O₃· H₂O) en China y gibbsita (Al₂O₃· 3H₂O) en Guayana. Durante la calcinación, un ensamblaje de fase compleja de corindón (Al₂O₃), se forma mullita, vidrio de sílice y niveles menores de titanato de aluminio. El consumo de bauxita de grado refractario supera las 700,000 toneladas anuales a nivel mundial.

La bauxita de grado metalúrgico se extrae en Australia, Jamaica y África occidental y tiene niveles variables de alúmina junto con importantes impurezas como óxido de hierro y sílice. La alúmina en los minerales metalúrgicos se extrae del mineral cuando se disuelve con hidróxido de sodio, lo que produce una solución de aluminato de sodio que se separa del óxido de hierro y la sílice, que se rechazan como producto de desecho en forma de lodo rojo. Esencialmente, el hidróxido de aluminio puro se precipita del aluminato de sodio y luego se calcina a varios grados de alúmina.

Las alúminas de alta pureza utilizadas en la industria cerámica y derivadas del proceso Bayer se clasifican como alúmina tabular, alúmina fundida o alúmina calcinada especial.

La alúmina tabular se produce mediante calcinación a alta temperatura (~2,000 °C o 3,630 °F) de alúmina calcinada a baja temperatura en grandes hornos rotatorios alimentados con aceite. La alúmina fundida se produce por fusión eléctrica de alúmina calcinada. La alúmina tabular y fundida se vende a la industria refractaria en forma triturada y graduada para su uso en una amplia gama de productos de alta calidad, como refractarios de colada continua (por ejemplo, con muescas de un solo borde o SEN/compuertas deslizantes), refractarios monolíticos para aplicación en altos hornos y en la industria petroquímica.

Los polvos de alúmina calcinada especiales son las principales materias primas utilizadas en la industria de la cerámica avanzada para aplicaciones electrónicas y de ingeniería. Los polvos se producen en una amplia gama de grados de acuerdo con las especificaciones exactas de química, tamaño de partícula y tipo de cristal, para adaptarse a una amplia gama de aplicaciones de productos finales.

Existe un comercio internacional establecido de alúminas de alta calidad. Muchos de los fabricantes de cerámica tienen instalaciones internas de molienda y secado por aspersión. Claramente existe una limitación al crecimiento en el suministro de sistemas de secado por aspersión y una necesidad continua de suministrar alúminas que coincidan con las plantas de los clientes para que el uso de estas últimas pueda optimizarse a un precio aceptable. La alúmina es un material cerámico significativo que está disponible con un alto grado de pureza. La posición dominante de la alúmina como materia prima cerámica surge porque tiene propiedades deseables a un costo relativamente bajo. Esta rentabilidad es atribuible a la naturaleza de producto básico del negocio que surge de la gran demanda de alúmina por parte de la industria del aluminio.

Circón y zirconio. La principal fuente de zirconio es el mineral zircón (ZrO₂  SiO₂), que existe en las arenas de las playas principalmente en Australia, Sudáfrica y Estados Unidos. El circón extraído de la arena de la playa contiene aproximadamente un 2 % de óxido de hafnio y trazas de Al.₂O₃ (0.5%), hierro₂O₃ (0.1%) y TiO₂ (0.1%). Además, todos los circones contienen trazas de uranio y torio. El circón se procesa mediante molienda fina para producir una gama de productos molidos de tamaño de partícula definido. Estos productos han encontrado uso en fundición de inversión, fundiciones, productos refractarios y como opacificante en vidriados para artículos blancos.

El circón es también la principal fuente de zirconio. El circón se puede clorar en presencia de carbono para dar tetracloruros de circonio y silicio que luego se separan por destilación. El tetracloruro de zirconio producido se puede utilizar para preparar zirconio directamente o como materia prima para otros productos químicos de zirconio. La sinterización con óxidos alcalinos o alcalinotérreos también se utiliza para descomponer el circón. La sílice se lixivia con agua de los productos de descomposición, dejando que el hidróxido de zirconio se purifique aún más mediante disolución ácida y reprecipitación. Luego se obtiene zirconio calcinando el hidróxido. El zircón también se convierte en zirconio y sílice en un plasma a 1,800 °C (3,270 °F) con enfriamiento rápido para evitar la reasociación. La sílice libre se elimina por disolución en hidróxido de sodio. La zirconia fundida se produce en hornos de arco eléctrico a partir de materias primas de baddeleyita o zircón/carbono. En este último proceso, el componente de sílice del zircón se reduce carbotérmicamente a monóxido de silicio, que se volatiliza antes de la fusión del zirconio residual.

Resumen

La industria cerámica industrial es muy diversa y hay mucho procesamiento interno. Muchas de las operaciones finales de fabricación se realizan en atmósferas tipo fundición. Los sistemas de manejo de materiales en estas operaciones transportan materias primas finas donde el polvo puede ser un problema. Luego, los materiales se elevan a temperaturas muy altas y se derriten o fusionan en las formas necesarias para las piezas finales. Por lo tanto, muchos de los problemas de seguridad que existen en cualquier industria de alta temperatura también existen en la industria de la cerámica industrial.

Ladrillo y Azulejo

perfil general

Los ladrillos y tejas de arcilla se han utilizado como material de construcción desde tiempos remotos en muchas partes del mundo. Cuando se fabrican y cuecen correctamente, son más duraderas que algunas piedras, resistentes a la intemperie ya los grandes cambios de temperatura y humedad. El ladrillo es un rectángulo de tamaño estándar, que varía ligeramente de una región a otra, pero esencialmente conveniente para que un albañil lo manipule con una mano; las tejas son losas delgadas, planas o curvas; Las baldosas de arcilla también se pueden usar para pisos.

La industria del ladrillo está muy fragmentada. Hay muchos pequeños proveedores ubicados en todo el mundo. La fabricación de ladrillos tiende a involucrar proveedores y mercados locales debido al costo de envío del producto terminado. En 1994, había 218 plantas de fabricación de ladrillos en los Estados Unidos, y en 1992 el número de productores de productos de arcilla estructural en el Reino Unido figuraba en 182, por ejemplo. Los fabricantes de ladrillos generalmente se ubican cerca de los depósitos de arcilla para reducir el costo de envío de la materia prima.

En los Estados Unidos, los ladrillos se utilizan principalmente en la construcción residencial como material de carga o como material de fachada. Dado que la industria del ladrillo está estrechamente relacionada con la industria de la vivienda, la actividad manufacturera depende en gran medida de la industria de la construcción residencial y depende casi totalmente de la industria de la construcción residencial y no residencial combinada.

Procesos de manufactura

Materiales y procesamiento

El material básico es arcilla de varios tipos con mezclas de margas, esquistos y arena, según la oferta y las necesidades locales, para dar las propiedades requeridas de textura, plasticidad, regularidad y contracción, y color.

La extracción de arcilla ahora suele estar completamente mecanizada; la fabricación suele tener lugar junto al orificio de extracción, pero en grandes obras la arcilla se transporta a veces en patines sobre teleféricos. El procesamiento posterior de la arcilla varía según su constitución y el producto final, pero en general incluye trituración, molienda, cribado y mezcla. Consulte la figura 16 para ver una operación típica de fabricación de ladrillos.

Figura 16. La fabricación de ladrillos y tejas

La arcilla para los ladrillos cortados con alambre se rompe con rodillos; se agrega agua en un mezclador; la mezcla se vuelve a enrollar y luego se alimenta a través de un molino horizontal. A continuación, la arcilla plástica extruida se corta a medida en una mesa de corte de alambre. El material plástico semiseco y rígido se produce mediante laminación y cribado y luego se alimenta a prensas mecánicas. Algunos ladrillos todavía se moldean a mano.

Cuando se utilice material plástico, los ladrillos deben secarse al sol y al aire, o más frecuentemente en hornos regulados, antes de la cocción; los ladrillos hechos de plástico semiseco o rígido pueden cocerse inmediatamente. La cocción puede tener lugar en hornos circulares, a menudo alimentados a mano, o en hornos de túnel, alimentados mecánicamente. Los combustibles utilizados variarán según la disponibilidad local. Se aplica un esmalte de acabado a algunos ladrillos decorativos.

Refractarios

perfil general

Los materiales refractarios se consideran tradicionalmente como elementos no metálicos que resisten la degradación por gases, líquidos o sólidos corrosivos a temperaturas elevadas. Estos materiales deben resistir el choque térmico causado por un calentamiento o enfriamiento rápido, fallas atribuibles a tensiones térmicas, fatiga mecánica debido a que otro material entre en contacto con el propio refractario y el ataque químico activado por el entorno de alta temperatura. Estos materiales son necesarios para la fabricación de la mayoría de los productos cerámicos y se necesitan específicamente en hornos, secadores, hornos y piezas de motores que soportan altas temperaturas.

Los refractarios siguieron siendo casi exclusivamente de base mineral hasta bien entrado el siglo XX. Sin embargo, los tecnólogos expertos en mineralogía estaban prestando atención. Los metalúrgicos habían estado experimentando con prácticas de desescoriado ácido y básico desde la Edad Media y habían catalogado algunos de los beneficios de cada uno. Los artesanos refractarios habían experimentado en consecuencia con ganister, con otros minerales de sílice casi puros y con magnesita, un predominantemente MgCO₃ mineral que fue calcinado a MgO. Cuando se inventó el convertidor siderúrgico Bessemer en 1856, que combinaba temperaturas de trabajo de más de 1,600 ºC con escoria ácida corrosiva, los refractarios de sílice “ácida” estaban prácticamente listos. Cuando el horno de solera abierta de Siemens siguió en 1857 a temperaturas aún más altas, y la fabricación de acero pasó en ambos casos a una escoria básica corrosiva, pronto se introdujeron los revestimientos de magnesita "básicos". Los refractarios básicos hechos de dolomita (MgO-CaO) se desarrollaron durante la Primera Guerra Mundial, cuando los aliados cortaron el suministro europeo de magnesita. Más tarde, con el desarrollo de otros recursos minerales en todo el mundo, la magnesita se reafirmó.

Tabla 4. Uso de refractarios por industria en los Estados Unidos

 

Mientras tanto, los ladrillos de carbono aglomerado se produjeron en el Reino Unido a partir de 1863 y finalmente llegaron al alto horno de fundición de hierro a medida que sus temperaturas de trabajo subían aún más. También entraron rápidamente en las celdas de Hall-Héroult para la producción de aluminio (1886).

La cal se había hecho durante unos 5,000 años usando hornos de arcilla y luego de ladrillos refractarios. La fabricación de cemento Portland primero requirió un refractario innovador cuando se introdujeron los hornos rotatorios después de 1877. Los primeros revestimientos resistentes estaban hechos de clínker de cemento aglomerado con cemento. Más tarde, los refractarios comerciales más duraderos regresaron a esta industria.

Los hornos recuperativos y regenerativos, que se originaron en la recién nacida fabricación de acero en la década de 1850, se introdujeron en la metalurgia no ferrosa y la fabricación de vidrio a fines del siglo XIX. Los refractarios de arcilla refractaria también tuvieron que ser reemplazados allí. Los revestimientos de magnesita se utilizaron en convertidores de cobre desde 19 y en los primeros tanques de vidrio modernos unos 1909 años después. Los hornos de arco eléctrico se probaron por primera vez para la fabricación de acero en 10 y se volvieron comunes después de 1853. Una unidad de aproximadamente 1990 toneladas instalada en los Estados Unidos en 100 empleaba un revestimiento de magnesita.

Los hornos de arco trifásico ya existían antes de 1950; solo entonces surgieron serias demandas de refractarios más sofisticados. Al mismo tiempo, se introdujo el soplado de oxígeno en los hornos Bessemer y de hogar abierto en la década de 1940. El horno de oxígeno básico (BOF) literalmente se hizo cargo de la fabricación de acero a fines de la década de 1950. El soplado de oxígeno, por su gran importancia económica, impulsó a la industria refractaria por primera vez a introducir materiales sintéticos en sus productos a una escala significativa.

Otro factor que es esencial para comprender el desempeño de un refractario es la estabilidad dimensional. A lo largo del uso industrial, los materiales refractarios están sujetos a ciclos de calentamiento/enfriamiento, lo que hace que las unidades refractarias se expandan o se contraigan. Grandes cambios en las dimensiones reducirán la estabilidad y, en última instancia, pueden conducir a la falla de la estructura basada en el refractario.

Un fenómeno relacionado comúnmente observado con los materiales refractarios es el desconchado. El desconchado generalmente se considera fractura, división o descamación del refractario, lo que resulta en la exposición de la masa interna del material. El desconchado generalmente se produce por gradientes de temperatura dentro del material, compresión en la estructura debido a cargas de gran volumen y variaciones del coeficiente de expansión térmica dentro del ladrillo. En la fabricación de refractarios se hace todo lo posible para evitar el desconchado porque reduce la eficacia del refractario.

Los refractarios tienen aplicación en una amplia variedad de aplicaciones industriales que van desde un uso extensivo en la industria del hierro y el acero hasta usos de bajo volumen en las industrias del cemento y de servicios públicos. Básicamente, los refractarios se utilizan en cualquier industria donde se utilizan altas temperaturas para calentar y secar o incinerar material. La Tabla 4 proporciona un desglose actual por industria del uso de refractarios dentro de los Estados Unidos.

Como se muestra en la tabla 4, la industria del acero es el área donde se utiliza más del 50% del refractario producido en los EE. UU. Por lo tanto, las necesidades de la industria del acero han impulsado en gran medida los desarrollos refractarios que se han producido.

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refractarios modernos

La cerámica había crecido sustancialmente desde el oficio hasta la ciencia aplicada. La American Ceramic Society se fundó en 1899, la British Ceramic Society en 1901. Los diagramas de fase de óxido comenzaron a aparecer en la literatura en la década de 1920. Las técnicas de petrografía estaban bien desarrolladas y los mecanismos detallados de degradación y desgaste del refractario comenzaban a comprenderse. Los productores estadounidenses de refractarios se habían reorganizado y consolidado en gran medida y eran capaces de realizar sus propias investigaciones. Las herramientas de síntesis refractaria y los instrumentos de investigación florecían.

Los carbones industriales sintéticos, por supuesto, no eran nuevos. El coque se fabricó comercialmente por primera vez a partir del carbón en la década de 1860 y poco después a partir del petróleo. El grafito sintético y el carburo de silicio aparecieron casi simultáneamente a principios de siglo, tras la invención de Acheson del horno eléctrico calentado por resistencia propia en 1896. Estos productos, con propiedades muy diferentes a las de los óxidos, estimularon rápidamente sus propios usos y mercados.

Alúmina sintética, Al₂O₃, había estado disponible desde que el proceso Bayer comenzó a alimentar la producción de aluminio alrededor de 1888. La magnesia sintética (MgO) se fabricó por primera vez a partir de agua de mar en el Reino Unido en 1937 y en los Estados Unidos en 1942, estimulada por las necesidades de magnesio durante la guerra. La zirconia estaba disponible, también impulsada por los militares. La cal había sido un producto importante durante mucho tiempo. Una gran cantidad de otros productos químicos estaban disponibles para su consideración como componentes refractarios o como aditivos menores y agentes de unión. El único componente importante de los refractarios de óxido que en su mayor parte ha resistido el reemplazo por materiales sintéticos es la sílice (SiO₂) Las rocas y arenas de sílice de alta pureza abundan y se utilizan en esta industria, así como en la formulación de vidrio.

El uso de materiales sintéticos en la fabricación de refractarios ha sido de gran ayuda; pero las materias primas minerales de ninguna manera han sido desplazadas. Los sintéticos cuestan más, y ese costo debe justificarse. Algunos materiales sintéticos crean problemas graves en el procesamiento refractario y se deben encontrar nuevas formas de superarlos. Los resultados óptimos a menudo se han logrado mediante combinaciones de materias primas sintéticas y minerales, junto con aportes creativos en su procesamiento.

Se habían utilizado mezclas de arcilla con carbón para revestir crisoles y cucharones desde que se vertió el hierro por primera vez; y los ladrillos de sílice que contenían carbono se fabricaron en Francia en la década de 1860. Desde 1960 tanto las técnicas como las composiciones han cambiado drásticamente. El uso de refractarios de óxido que contienen carbono se ha multiplicado, comenzando con MgO+C. El primer impulso real puede haber sido proporcionado por el BOF; pero hoy en día casi no hay ningún tipo de refractario de óxido avanzado que no se pueda obtener con o sin carbono agregado o un precursor de carbono para un rendimiento superior en aplicaciones específicas.

Grano o agregado refractario fundido por arco se había fabricado desde principios de 1900, y los ladrillos refractarios fundidos fundidos de varias composiciones siguieron en los años veinte y treinta, en particular de mullita, alúmina, magnesia-alúmina-sílice y alúmina-zirconia-sílice. La mayoría de las veces, estos productos estaban hechos completamente de materias primas minerales.

De hecho, los refractarios a base de minerales siguen siendo hoy en día un componente importante del menú de productos. En general, son más baratos, a menudo funcionan admirablemente y todavía hay muchas aplicaciones de menor demanda, así como aquellas de demanda crítica para los más altos niveles de refractariedad y resistencia a la corrosión.

industria refractaria

Los refractarios se encontrarán en uso en muchas industrias para revestir calderas, hornos y hornos de todo tipo, pero el mayor porcentaje se usa en la fabricación de metales. En la industria del acero, un horno alto típico o de hogar abierto puede utilizar muchos tipos diferentes de refractarios, algunos hechos de sílice, algunos de cromo y/o magnesita y otros de arcilla refractaria.

También se utilizan cantidades mucho menores en las siguientes industrias: gas, coque y subproductos; plantas generadoras de energía; productos químicos; hornos y estufas para hornear; cemento y cal; cerámica; vaso; esmaltes y vidriados; locomotoras y barcos; reactores nucleares; Refinerías de petroleo; eliminación de basura (incineradores).

Procesos de manufactura

El tipo de refractario que se utiliza en cualquier aplicación en particular depende de los requisitos críticos del proceso. Por ejemplo, los procesos que exigen resistencia a la corrosión gaseosa o líquida requieren baja porosidad, alta resistencia física y resistencia a la abrasión. Las condiciones que exigen baja conductividad térmica pueden requerir refractarios completamente diferentes. De hecho, generalmente se emplean combinaciones de varios refractarios. No existe una línea de demarcación bien establecida entre los materiales que son y los que no son refractarios, aunque la capacidad de soportar temperaturas superiores a 1,100 °C sin ablandarse se ha citado como un requisito práctico de los materiales refractarios industriales.

Los objetivos técnicos de la fabricación de un refractario determinado se materializan en sus propiedades y rendimiento en una aplicación prevista. Las herramientas de fabricación consisten en elecciones entre materias primas y entre métodos y parámetros de procesamiento. Los requisitos de fabricación tienen que ver con las características de la composición de la fase y la microestructura, denominadas colectivamente carácter del material, que se desarrollan a través del procesamiento y son responsables de las propiedades y el comportamiento del producto.

Materias primas

En el pasado, las materias primas refractarias se seleccionaban de una variedad de depósitos disponibles y se usaban como minerales extraídos. La minería selectiva produjo materiales con las propiedades deseadas, y solo en casos de materias primas costosas, como la magnesita, se requirió un proceso de beneficio. Hoy en día, sin embargo, las materias primas naturales de alta pureza tienen una demanda cada vez mayor, al igual que el grano refractario preparado sintéticamente a partir de combinaciones de materias primas beneficiadas y de alta pureza. El material producido al quemar minerales crudos extraídos o mezclas sintéticas se denomina grano, clinker, co-clinker o grog.

Los refractarios suelen clasificarse en cuatro tipos: aluminosilicato, sílice (o ácido), básicos y misceláneos.

Los materiales generalmente utilizados en los cuatro tipos de refractarios incluyen:

1. refractarios de aluminosilicato. Las arcillas refractarias consisten principalmente en el mineral caolinita [CAS 1318-74-7] (Al₂0₃  2 SiO₂ 2H₂O) con pequeñas cantidades de otros minerales arcillosos, cuarcita, óxido de hierro, titania e impurezas alcalinas. Las arcillas se pueden utilizar en estado bruto o después de ser calcinadas. Las arcillas crudas pueden ser de tamaño grueso o molidas finamente para incorporarlas en una mezcla refractaria. Algunos caolines de alta pureza se mezclan, clasifican, secan y flotan con aire para lograr una calidad alta y constante. Las arcillas clasificadas también se pueden mezclar y extruir o peletizar y luego calcinar para producir grog caolinítico sintético quemado, o se puede quemar caolinita cruda triturada en trozos grandes para producir grog. Al calcinarse o quemarse, la caolinita se descompone en mullita y un vidrio silíceo que incorpora impurezas minerales asociadas con el depósito de arcilla (p. ej., cuarcita, óxido de hierro, titania y álcalis) y se consolida en grog granular denso y duro a altas temperaturas.
2. refractarios de sílice o ácido utilizar principalmente sílice en forma de cuarcita triturada y molida (ganister) (92 a 98 %), a la que se añade una sustancia aglutinante adecuada, como la cal (CaO). Los ladrillos de sílice generalmente se calientan dos veces porque se expanden cuando se calientan (los ladrillos de arcilla refractaria se contraen), y es deseable que la expansión se complete antes de construir la pared o el revestimiento.
3. refractarios basicos use dolomita, magnesita (MgO), óxido de cromo, hierro y aluminio.
4. Varios refractarios. De la gran variedad de materiales que se utilizan actualmente, los más comunes son los carburos como el carburo de silicio, el grafito, la alúmina, la berilio, la toria, el óxido de uranio, el asbesto y el óxido de circonio.

 

Se han producido varias revoluciones en la industria. En estas revoluciones se incluyen métodos mecanizados adicionales para manejar sólidos de tonelaje, mayores capacidades y automatización de equipos y técnicas de procesamiento para la rápida adquisición y análisis de datos de control en proceso. Estos avances han transformado la práctica de fabricación de refractarios.

La Figura 17 ilustra cómo se fabrican los diferentes tipos de refractarios. La figura está dibujada en estilo de "árbol de decisión" con las ramas divergentes marcadas con números para su identificación. Existen varios caminos, cada uno de los cuales produce un tipo particular de producto refractario.

Figura 17. Diagrama de flujo de fabricación de refractarios

Estos diagramas de flujo genéricos representan miles de procesos específicos, diferenciados, por ejemplo, por sus listas de materias primas, la forma de preparación y el tamaño y dosificación (es decir, la cantidad pesada) de cada uno, la secuencia y forma de mezcla, etc. Se permiten omisiones; por ejemplo, algunos refractarios no formados se mezclan en seco y nunca se humedecen hasta la instalación.

Los refractarios o productos pueden preformarse (moldearse) o formarse e instalarse en el sitio, pero en general se suministran en las siguientes formas:

Ladrillo. Las dimensiones estándar de un ladrillo refractario son 23 cm de largo por 11.4 cm de ancho y 6.4 cm de espesor (ladrillo recto). Los ladrillos se pueden extruir o prensar en seco en prensas mecánicas o hidráulicas. Las formas formadas pueden quemarse antes de su uso o, en el caso de la brea, la resina o el ladrillo aglomerado químicamente (curado).

Formas fundidas por fusión. Las composiciones refractarias se funden por arco y se moldean en formas (por ejemplo, bloques de fundente de tanque de vidrio tan grandes como 0.33, 0.66, 1.33 m). Después de la fundición y el recocido, los bloques se muelen con precisión para garantizar un ajuste preciso.

Refractarios fundidos y moldeados a mano. Las formas grandes, como bloques de quemadores y bloques de fundente, y formas intrincadas, como piezas de alimentadores de vidrio, pandeos y similares, se producen mediante técnicas de moldeo a mano o colada con cemento hidráulico o en barbotina. Debido a que estas técnicas requieren mucha mano de obra, se reservan para artículos que no pueden formarse satisfactoriamente de otras formas.

refractarios aislantes. Los refractarios aislantes en forma de ladrillo son mucho más ligeros que el ladrillo convencional de la misma composición en virtud de la porosidad del ladrillo.

Castables y mezclas para gunitar. Los moldeables consisten en granos refractarios a los que se les agrega un ligante hidráulico. Al mezclarse con agua, el agente hidráulico reacciona y une la masa. Las mezclas para gunitar están diseñadas para ser rociadas a través de una boquilla bajo presión de agua y aire. La mezcla puede diluirse antes de dispararse a través de la pistola o mezclarse con agua en la boquilla.

Refractarios de plástico y mezclas de apisonamiento. Los refractarios plásticos son mezclas de granos refractarios y arcillas plásticas o plastificantes con agua. Las mezclas apisonadoras pueden o no contener arcilla y generalmente se usan con formas. La cantidad de agua utilizada con estos productos varía pero se mantiene al mínimo.

Riesgos laborales y precauciones

La Tabla 5 proporciona información sobre muchos de los peligros potenciales que se encuentran en este sector industrial.

Tabla 5. Peligros potenciales para la salud y la seguridad encontrados durante la fabricación de vidrio, cerámica y materiales relacionados

 

Problemas de seguridad y salud y patrones de enfermedad

Esta sección proporciona una descripción general de los problemas de seguridad y salud documentados o sospechados en toda la industria. Los datos internacionales sobre lesiones y enfermedades en este sector empresarial no se localizaron en búsquedas bibliográficas y búsquedas en Internet (en 1997). La información recopilada por el Departamento de Trabajo de EE. UU., la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) y la Oficina de Estadísticas Laborales (BLS) se utilizó para identificar peligros comunes en el lugar de trabajo y para describir las características de lesiones y enfermedades. Estos datos deberían ser representativos de la situación mundial.

Peligros detectados durante las inspecciones

Las inspecciones de cumplimiento normativo de las empresas de fabricación de productos de piedra, arcilla, vidrio y hormigón (Clasificación Industrial Estándar (SIC) Código 32, equivalente al Código CIIU 36) revelan algunos de los peligros comunes en este sector. Las citaciones de cumplimiento normativo emitidas por OSHA indican que los problemas comunes de salud y seguridad se pueden agrupar de la siguiente manera:

• comunicación peligrosa de los peligros físicos y para la salud de las sustancias químicas en el lugar de trabajo

• control de energía peligrosa—procedimientos de bloqueo y etiquetado para controlar actividades alrededor de maquinaria o equipo donde la activación o liberación inesperada de energía almacenada podría causar lesiones. La energía peligrosa incluye radiación eléctrica, mecánica, hidráulica, neumática, química, térmica y otras fuentes.

• seguridad ELECTRICA, incluido el diseño de equipos o sistemas eléctricos, métodos de cableado, prácticas de trabajo seguras y capacitación

• permiso requerido entrada a espacios confinados—procedimientos de identificación, evaluación y entrada segura

• equipo de protección personal—evaluaciones, selección y uso de protección para los ojos, la cara, las manos, los pies y la cabeza

• protección de máquinas, equipos y herramientas para proteger a los operadores y trabajadores adyacentes de peligros en el punto de operación, puntos de contacto entrantes y de piezas giratorias, astillas o chispas; incluye maquinaria fija, maquinaria portátil y herramientas eléctricas portátiles, y ajuste de protecciones y apoyos de trabajo en maquinaria de ruedas abrasivas (amoladoras) (ver figura 18)

 

Figura 18. La protección de la máquina protege a los operadores

• protección respiratoria—selección, uso, mantenimiento, capacitación, autorización médica y prueba de ajuste de los respiradores

• exposición al ruido ocupacional—control de exposiciones mediante ingeniería, administración o protección auditiva e implementación de programas de conservación auditiva

• prevención de incendios y preparación y respuesta ante emergencias, incluidos extintores de incendios, rutas de escape, planes y almacenamiento o uso de materiales inflamables/combustibles

• superficies para caminar y trabajar, incluida la protección de aberturas y agujeros en pisos y paredes; limpieza interna; y mantener los pasillos y pasillos libres de condiciones que presenten peligros de resbalones, tropiezos o caídas (consulte la figura 19)

 

Figura 19. Riesgos de tropiezos y resbalones

• vehículos industriales motorizados—diseño, mantenimiento, uso y otros requisitos de seguridad para carretillas elevadoras, carretillas de plataforma, tractores, carretillas de mano motorizadas u otras carretillas industriales especializadas propulsadas por motores eléctricos o motores de combustión interna

• escaleras fijas y portátiles, escaleras y andamios—diseño, inspección o mantenimiento y uso seguro

• protección contra caídas—uso de sistemas de restricción de caídas y equipo de detención para trabajos elevados

• corte y soldadura—uso y procedimientos seguros para oxígeno/acetileno o gas combustible o equipo de soldadura o corte por arco

• Equipo de manejo de materiales—incluidos puentes grúa y grúas pórtico, montacargas, cadenas y eslingas

• control de la exposición a sustancias tóxicas o peligrosas, incluidos los contaminantes del aire o los productos químicos regulados específicamente (por ejemplo, sílice, plomo, asbesto, formaldehído, cadmio o arsénico).

 

Perfil de lesiones y enfermedades

Tasas de incidencia de enfermedades por lesiones

Según los registros del Departamento de Trabajo de EE. UU., los fabricantes de productos de piedra, arcilla y vidrio (SIC 32) tienen una tasa de incidencia total "registrable" de lesiones y enfermedades ocupacionales no fatales de 13.2 casos por cada 100 trabajadores de tiempo completo por año. Esta tasa de incidencia es más alta que las tasas correspondientes para toda la manufactura (12.2) y toda la industria privada (8.4). Alrededor del 51% de los casos de "lesiones registrables" en el sector de fabricación de productos de piedra, arcilla y vidrio no resultan en días de trabajo perdidos (tiempo fuera del trabajo).

Las tasas de incidencia del “caso total de días de trabajo perdidos” basadas en la cantidad de lesiones o enfermedades incapacitantes que dan como resultado que un trabajador pierda días de trabajo por cada 100 trabajadores de tiempo completo también están disponibles en el Departamento de Trabajo de EE. UU. La tasa de incidencia de días de trabajo perdidos totales incluye los casos en los que se pierden días de trabajo y el trabajador no es capaz de realizar todo el alcance del trabajo (restringido o ligero). Los fabricantes de productos de piedra, arcilla y vidrio tienen una tasa de incidencia total de días de trabajo perdidos de 6.5 casos por cada 100 trabajadores por año. Esto es más alto que las tasas correspondientes para toda la manufactura (5.5) y para toda la industria privada (3.8). Alrededor del 93% de los casos de días de trabajo perdidos en el sector de fabricación de productos de piedra, arcilla y vidrio se deben a lesiones más que a enfermedades profesionales.

La Tabla 6 presenta información más detallada sobre las tasas de incidencia de lesiones y enfermedades (combinadas) o lesiones (solo) para varios tipos de procesos de fabricación dentro del sector de fabricación de productos de piedra, arcilla y vidrio (Código SIC 32). Las tasas de incidencia y la demografía pueden no ser representativas de la información global, pero es la información más completa disponible.

 

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Tabla 6. Tasas de incidencia de lesiones y enfermedades ocupacionales no fatales¹ por cada 100 trabajadores a tiempo completo para empresas estadounidenses en el Código SIC 32, industria privada y manufactura, 1994

 

nec = no clasificado en otra parte
- = datos no disponibles

¹ Las tasas de incidencia representan el número de lesiones y enfermedades por cada 100 trabajadores a tiempo completo y se calcularon como el número de lesiones y enfermedades dividido por las horas trabajadas por todos los empleados en el año calendario multiplicado por 200,000 100 (el equivalente base para 40 trabajadores con 52 horas por semana). durante XNUMX semanas al año).

² Manual de Clasificación Industrial Estándar Edición 1987.

³ El empleo se expresa como un promedio anual y se derivó principalmente del programa de estadísticas de empleo actual del estado de BLS.

⁴ El total de casos incluye casos que involucran actividad laboral restringida únicamente, además de casos de días fuera del trabajo con o sin actividad laboral restringida.

⁵ Los casos de días de baja incluyen los que resultan de días de baja, con o sin actividad laboral restringida.

Fuente = Fuente: Basado en una encuesta nacional de lesiones y enfermedades relacionadas con el trabajo en la industria privada realizada por la Oficina de Estadísticas Laborales del Departamento de Trabajo de EE. UU.

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Demografía de casos de lesiones y enfermedades

Los trabajadores de 25 a 44 años representaron alrededor del 59% de los 23,203 casos de lesiones o enfermedades con tiempo perdido en el sector de fabricación de productos de piedra, arcilla y vidrio de EE. UU. El siguiente grupo más afectado fue el de los trabajadores de 45 a 54 años, quienes tenían el 18% de los casos de lesiones o enfermedades con tiempo perdido (ver figura 20).

Figura 20. Lesiones y enfermedades con tiempo perdido por edad; NOSOTROS

Alrededor del 85% de los casos de lesiones y enfermedades con tiempo perdido en el Código SIC 32 fueron hombres. En el 24% de los casos de tiempo perdido (ambos sexos), los trabajadores tenían menos de 1 año de servicio en el trabajo. Los trabajadores con 1 a 5 años de servicio en el puesto representaron el 32% de los casos. Los empleados experimentados con más de 5 años de servicio comprendieron el 35% de los casos de tiempo perdido.

Naturaleza. El análisis de los perfiles de incidentes con tiempo perdido caracteriza la naturaleza de las lesiones y enfermedades incapacitantes y ayuda a explicar los factores causales o contribuyentes. Las distensiones y los esguinces son la principal causa de lesiones y enfermedades en el sector de fabricación de productos de piedra, arcilla y vidrio. Como se muestra en la figura 23, las torceduras y los esguinces representan aproximadamente el 42 % de todos los casos con tiempo perdido. Los cortes y pinchazos (10%) fueron la segunda naturaleza más común de lesión o enfermedad incapacitante. Otras categorías principales de lesiones fueron contusiones (9 %), fracturas (7 %) y dolor de espalda/otros (5 %). Las quemaduras por calor, las quemaduras químicas y las amputaciones fueron menos comunes (1% o menos).

Figura 21. Lesiones y enfermedades ocupacionales

Eventos o exposiciones. La Figura 22 muestra que el sobreesfuerzo durante el levantamiento conduce a todos los demás eventos o exposiciones a lesiones incapacitantes. El esfuerzo excesivo durante el levantamiento fue un factor causal en aproximadamente el 17% de los casos de discapacidad; el movimiento repetitivo fue la exposición en un 5% adicional de los casos incapacitantes. Golpeado por un objeto fue el siguiente evento más común, que condujo al 16% de los casos. Los eventos de golpe contra un objeto causaron el 10% de los casos. Otros eventos importantes fueron atrapamiento en un objeto (9 %), caídas al mismo nivel (9 %), caídas a un nivel inferior (6 %) y resbalones/tropezones sin caída (6 %). La exposición a sustancias nocivas o al medio ambiente fue un factor causal en solo el 5% de los casos.

Figura 22. Evento o exposición en accidentes de trabajo

Parte del cuerpo. La parte del cuerpo más frecuentemente afectada fue la espalda (24% de los casos) (ver figura 23). Se produjeron lesiones en las extremidades superiores (dedo, mano, muñeca y brazo combinados) en el 23% de los casos, con lesión en el dedo en el 7% de los casos. Las lesiones en las extremidades inferiores fueron similares (22% de los casos), con la rodilla afectada en el 9% de los casos.

Figura 23. Parte del cuerpo afectada en lesión con jornada laboral perdida

Fuentes. Las fuentes más comunes de casos de lesiones o enfermedades incapacitantes fueron: piezas y materiales (20%); posición o movimiento del trabajador (16%); pisos, pasillos o superficies de suelo (15%); contenedores (10%); maquinaria (9%); vehículos (9%); herramientas de mano (4%); muebles y enseres (2%); y productos químicos y productos químicos (2%) (ver figura 24).

Figura 24. Fuentes de lesiones laborales

Prevención y control de enfermedades

El trauma acumulativo asociado con movimientos repetitivos, sobreesfuerzos y fuerzas excesivas es un hallazgo común en este sector manufacturero. Los dispositivos robóticos están disponibles en algunos casos, pero las prácticas de manejo manual aún dominan. Los compresores, sopladores, rotadores, vibradores neumáticos y equipos de empaque pueden generar un ruido que supera los 90 a 95 dBA. La protección auditiva y un buen programa de conservación de la audición evitarán cambios permanentes en la audición.

Esta industria consume grandes cantidades de sílice cristalina. Las exposiciones deben limitarse durante la manipulación, el mantenimiento y la limpieza. Una buena limpieza con un sistema de aspiración adecuado o métodos de limpieza húmedos reducirá las posibles exposiciones. Se deben realizar exámenes periódicos utilizando pruebas de función pulmonar y radiografías de tórax si se ha producido una exposición excesiva a la sílice. También se deben minimizar las exposiciones a metales pesados ​​que se encuentran como materias primas, vidriados o pigmentos. El uso de sustitutos de los metales pesados ​​que se encuentran en los vidriados también eliminará los problemas de salud relacionados con la filtración de metales en alimentos o bebidas. Se utilizan buenas prácticas de limpieza y protección respiratoria para prevenir efectos adversos. Puede ser necesaria una vigilancia médica que incluya un control biológico.

El uso de ligantes que contienen formaldehído, epoxis y silanos es común en la fabricación de fibras vítreas. Se deben tomar medidas para minimizar la irritación cutánea y respiratoria. El formaldehído está regulado como carcinógeno en muchos países. Las fibras respirables se producen durante la fabricación, corte e instalación de productos de fibra de vidrio, roca, escoria y cerámica refractaria. Aunque las exposiciones a las fibras suspendidas en el aire han sido generalmente bastante bajas (menos de 1 fibra por centímetro cúbico) para la mayoría de estos materiales, las aplicaciones de soplado de relleno suelto tienden a ser mucho más altas.

La roca, la escoria y el vidrio se encuentran entre los productos de aislamiento comercial más ampliamente estudiados que se usan en la actualidad. Los estudios epidemiológicos han revelado que fumar cigarrillos tiene un gran impacto en la mortalidad por cáncer de pulmón entre los empleados de la industria. Los estudios transversales bien realizados no han demostrado que las fibras produzcan un exceso de mortalidad o morbilidad pulmonar. Recientes estudios de inhalación crónica en ratas han demostrado que la durabilidad de las fibras vítreas es un determinante crítico del potencial biológico de estas fibras. La composición, que determina la durabilidad de estas fibras, puede variar considerablemente. Para evitar problemas de salud pública, un Comité Técnico de la Comisión Europea ha propuesto recientemente que la biopersistencia de las fibras vítreas se pruebe mediante inhalación a corto plazo. Se sugiere como fibra de referencia una composición de lana aislante que se ha probado minuciosamente a la dosis máxima tolerada por inhalación crónica en ratas y se ha encontrado que no produce enfermedades irreversibles.

Problemas ambientales y de salud pública

El principal contaminante del aire emitido durante la fabricación de vidrio, cerámica, alfarería y ladrillo son las partículas. La máxima tecnología de control alcanzable que consta de filtros de mangas y precipitadores electrostáticos húmedos está disponible para reducir las emisiones cuando sea necesario. Los contaminantes atmosféricos peligrosos generados durante los procesos de mezcla, aplicación y curado de aglutinantes están siendo objeto de escrutinio. Estas sustancias incluyen estireno, silanos y resinas epoxi utilizadas en filamentos de vidrio continuos, y formaldehído, metanol y fenol utilizados durante la producción de roca, escoria y vidrio. El formaldehído es el contaminante peligroso del aire que está impulsando los estándares de control para las últimas líneas de fabricación. Los contaminantes del aire peligrosos de metales pesados, como el cromo, están impulsando los estándares de los hornos de fusión de vidrio, mientras que NO_x y entonces_x siguen siendo problemas en algunos países. Las emisiones de fluoruro y boro son motivo de preocupación en la producción continua de filamentos de vidrio. El boro también puede convertirse en una preocupación ambiental si en algunos países se requieren fibras de lana de vidrio vítreo altamente solubles.

Debido al alto volumen de descarga de aire y la naturaleza de la formación y fusión del vidrio, la industria evapora cantidades considerables de agua. Muchas instalaciones, como, por ejemplo, en Estados Unidos, tienen vertido cero de aguas residuales. Las aguas residuales recicladas que contienen material orgánico pueden crear peligros biológicos en el lugar de trabajo si no se implementa un tratamiento para prevenir el crecimiento biológico (consulte la figura 25). Los residuos generados por este sector industrial incluyen metales pesados, corrosivos, algunos aglutinantes y solventes usados. La industria de la fibra de vidrio se ha convertido en un punto importante para el reciclaje de botellas de vidrio y placas de vidrio. Por ejemplo, los productos actuales de lana de vidrio contienen entre un 30 y un 60 % de vidrio reciclado. Los refractarios gastados también se recuperan y se reutilizan de manera beneficiosa.

Figura 25. Aerosoles de aguas residuales reutilizadas

Agradecimientos: Un agradecimiento especial a Dan Dimas, CSP, Libbey-Owens-Ford, por proporcionar fotografías, ya Michel Soubeyrand, Libbey-Owens-Ford, por brindar información sobre la deposición de vapor químico para la sección sobre vidrio.

 

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Las fibras ópticas son hebras de vidrio delgadas como un cabello diseñadas para transmitir rayos de luz a lo largo de su eje. Diodos emisores de luz (LED) or diodos láser convertir señales eléctricas en señales ópticas que se transmiten a través de un núcleo cilíndrico interior del cable de fibra óptica. Las propiedades refractivas más bajas del revestimiento externo permiten que las señales de luz se propaguen por reflexión interna a lo largo del núcleo cilíndrico interno. Las fibras ópticas están diseñadas y fabricadas para propagarse como un solo haz de luz o como múltiples haces de luz transmitidos simultáneamente a lo largo del núcleo. (Ver figura 1.)

Figura 1. Fibras ópticas monomodo y multimodo

La fibra monomodo se utiliza principalmente para telefonía, aplicaciones de televisión por cable y redes troncales de campus. La fibra multimodo se usa comúnmente para comunicaciones de datos y redes en las instalaciones.

fabricación de fibra óptica

Se requieren materiales y procesos especiales para fabricar fibras ópticas que cumplan con los criterios básicos de diseño: (1) un núcleo con un índice de refracción alto y un revestimiento con un índice de refracción bajo, (2) una atenuación de señal baja o pérdida de potencia, y (3) una baja dispersión o ensanchamiento del haz de luz.

El vidrio de sílice de alta pureza con otros materiales de vidrio (es decir, vidrios de fluoruro de metales pesados, vidrios de calcogenuro) son los materiales principales que se utilizan actualmente para fabricar fibras ópticas. También se utilizan materiales policristalinos, materiales monocristalinos, guías de ondas huecas y materiales plásticos poliméricos. Las materias primas deben ser relativamente puras con concentraciones muy bajas de metales de transición y grupos formadores de hidroxilo (por debajo del nivel de partes por billón). Los métodos de procesamiento deben proteger el vidrio formado de las impurezas del entorno de fabricación.

Las fibras ópticas se fabrican utilizando una preparación en fase de vapor no convencional de una preforma de vidrio que luego se transforma en fibra. Los compuestos volátiles de sílice se convierten en SiO.₂ por hidrólisis a la llama, deposición química de vapor (CVD) u oxidación a alta temperatura. Luego se agregan otros dopantes al vidrio para cambiar las propiedades del vidrio. Las variaciones en el proceso de deposición de vapor comienzan con el mismo material pero difieren en el método utilizado para convertir este material en sílice.

Uno de los siguientes métodos de deposición en fase de vapor se utiliza para fabricar fibras ópticas a base de sílice: (1) deposición química de vapor modificada (MCVD), (2) deposición química de vapor de plasma (PCVD), (3) deposición de vapor exterior (OVD), y (4) deposición axial en fase de vapor (VAD) (ver figura 2). Tetracloruro de silicio (SiCI₄), tetracloruro de germanio (GeCI₄) u otros haluros líquidos volátiles se convierten en gas cuando se calientan ligeramente debido a sus altas presiones de vapor. El haluro gaseoso se envía a una zona de reacción y se convierte en partículas de vidrio (consulte también el capítulo Microelectrónica y semiconductores.)

Figura 2. Diagrama de flujo de fabricación de fibra óptica

MCVD y PCVD en costes. Un tubo de sílice fundido de alta calidad está conectado a un torno de trabajo de vidrio equipado con una antorcha de hidrógeno/oxígeno que atraviesa su longitud. Un suministro de material de haluro está conectado a un extremo del tubo de vidrio y un depurador al extremo opuesto para eliminar el exceso de material de haluro. La superficie del tubo de vidrio se limpia primero mediante pulido al fuego a medida que el soplete atraviesa la longitud del tubo. Se agregan varios reactivos en el sistema de vapor según el producto que se fabrica. Se produce una reacción química cuando los haluros pasan a través de la sección del tubo que se está calentando. Los haluros se convierten en partículas de “hollín” de sílice que se depositan en la pared interior del tubo de vidrio aguas abajo del soplete. Las partículas depositadas se sinterizan en la capa de vidrio. El proceso PCVD es similar al MCVD excepto que los haluros son suministrados por un sistema burbujeador y se usan microondas en lugar de un soplete para convertir el material del haluro en vidrio.

DVO y VAD en costes. En la primera etapa del proceso de fabricación de la fibra, el core y revestimiento los vidrios se depositan en forma de vapor alrededor de una varilla objetivo giratoria para formar una preforma de "hollín". Primero se deposita el material del núcleo, seguido del revestimiento. Toda la preforma debe ser extremadamente pura, ya que tanto el núcleo como el revestimiento se depositan al vapor. La geometría de la fibra se determina durante la fase de colocación de la fabricación. Después de retirar la varilla objetivo, la preforma se coloca en un horno, donde se consolida en un vidrio transparente sólido y se cierra el orificio central. Se pasa gas a través de la preforma para eliminar la humedad residual que afecta negativamente a la atenuación de la fibra (pérdida de señal óptica a medida que la luz se transmite a lo largo del eje de la fibra). Luego, las preformas se lavan con ácido fluorhídrico para garantizar la pureza del vidrio y eliminar los contaminantes.

La preforma de vidrio consolidada se coloca en una torre de extracción para formar una hebra continua de fibra de vidrio. Primero, la preforma se carga en la parte superior de un horno de extracción. A continuación, se calienta la punta de la preforma y comienza a caer un trozo de vidrio fundido. A medida que esta pieza se dibuja (tira), pasa a través de un monitor de diámetro en línea para garantizar que la fibra cumpla con un diámetro especificado exacto (generalmente medido en micrones). El diámetro del revestimiento de la fibra debe cumplir con las especificaciones exactas para mantener baja la pérdida de señal en las conexiones. . El diámetro del revestimiento exterior se utiliza como guía para alinear los núcleos de fibra durante el uso final. Los núcleos deben alinearse para que la transferencia de luz se produzca de manera eficiente.

Se aplican polímeros de acrilato u otros recubrimientos y se curan con lámparas ultravioleta. Los recubrimientos están destinados a proteger la fibra óptica del medio ambiente durante el uso final. Las fibras ópticas se prueban para garantizar el cumplimiento de los estándares de fabricación en cuanto a resistencia, atenuación y geometría. Se enrollan longitudes específicas de fibra en carretes según las especificaciones del cliente.

Se encuentran varios peligros potenciales durante la fabricación de fibra óptica. Estos incluyen: (1) exposición al ácido fluorhídrico (al limpiar preformas de vidrio), (2) energía radiante y estrés por calor asociado con entornos de trabajo cerca de tornos y procesos de deposición de vapor, (3) contacto directo con superficies calientes o material fundido (preformas de vidrio ), (4) exposición a recubrimientos de polímeros de acrilato (sensibilizadores de la piel), (5) pinchazos y laceraciones en la piel durante el manejo de la fibra y (6) una variedad de peligros físicos descritos anteriormente.

 

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