Aplicaciones refractarias de polvos de vidrio

Un material refractario
es aquel que tiene una alta tolerancia a la temperatura, y a alta temperatura es resistente a agrietamientos, degradación u otros ataques químicos. El vidrio en polvo puede actuar como un componente en la fabricación de materiales refractarios. Los sectores de producción de hierro y acero consumen 70 de la oferta mundial de materiales refractarios (1). Los materiales refractarios vienen en varias clases; ácido, básico, óxido-carbono o especializado. Como fuente principal de sílice(2), el vidrio molido es por lo tanto un material refractario ácido; sílice es el refractario más utilizado(3). Se estima que se generan anualmente más de 200 millones de toneladas de residuos de vidrio(4), por lo que es imprescindible reutilizar la mayor parte de este residuo. Al ser un producto de desecho, es muy barato y, por lo tanto, atractivo para usos industriales.

La gran mayoría del
vidrio molido
proviene de residuos de vidrio y placa(5). El vidrio residual se recoge típicamente a nivel municipal y experimenta una cantidad de limpieza antes de ser triturado en pellets conocidos como cullet. Cullet en sí se puede fundir directamente para fabricar más vidrio, o puede ser molido en un polvo fino. Lo crucial para el proceso es la identificación del vidrio en sí - vidrio con alto contenido de metal o metaloides puede causar una falta de uniformidad en el propio cullet, el cullet en polvo si se procesa a través de esa ruta, o en cualquier producto de vidrio futuro.

La reutilización del cultivo de vidrio es importante debido a los desequilibrios de reciclaje en el sistema de residuos de un país en particular. El Reino Unido, por ejemplo, no puede procesar toda la copa verde (principalmente a partir de botellas de vino) que utiliza, por lo que debe exportar el cullet de vidrio verde. Sería beneficioso utilizar el cullet localmente en lugar de exportar.

El vidrio molido ha encontrado uso en la fabricación de aislamiento de fibra de vidrio y como fundente en la fabricación de ladrillos. Estos, sin embargo, no son materiales refractarios por derecho propio. Un subconjunto de ladrillos, sin embargo, los llamados "ladrillos de fuego" son.

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Refractarios

Los materiales refractarios se producen mediante un proceso secuencial: procesamiento de materiaprima, formación y posterior cocción. Los ladrillos de fuego son un ejemplo de un material refractario que contiene sílice. Son apreciados por su alta resistencia a la temperatura. Estos ladrillos se encuentran en hornos de acero y vidrio y con el tiempo incluyen vidrio molido contenido(6) como un componente principal. Se han demostrado otros usos más allá de los ladrillos, como un forro de tundish y en cerámica y cementos.

Tundishes

Un tundish es un dispositivo utilizado en la fabricación continua de productos de acero que actúa como amortiguador entre el horno y los moldes de fundición. La producción eficiente de acero es fundamental que el acero fundido no empiece a enfriarse y solidificarse en lugares distintos del molde. Los desbaños están, por lo tanto, aislados con varias capas de materiales refractarios(7). Además de los aislantes, los desbaños se utilizan cada vez más para ayudar en la purificación del acero fundido para absorber impurezas no metálicas y prevenir la oxidación(8).

Al seleccionar materiales refractarios para formar capas tundish, es fundamental tener en cuenta no sólo las propiedades del material en sí, sino las propiedades deduzcadas de la forma en que se encuentra. Los deslízados forrados con capas de ladrillos refractarios tienden a durar menos tiempo que los revestimientos hechos de refractarios individuales vertidos(9) (menos de cinco calores en comparación con 30 para el tipo más monolito). Un revestimiento tundish temprano estaba compuesto de silicato de sodio, formado a partir de la reacción de sílice e hidróxido de sodio.

Una característica particularmente útil de la sílice -y por lo tanto del vidrio molido- es que es capaz de eliminar el óxido de hierro del acero fundido, tanto en el tundish como cuando se inyecta directamente en el acero fundido(10). Cuando se utiliza directamente en un acero fundido de aluminio, el vidrio molido reemplaza la necesidad de silicida de calcio necesario para convertir partículas de alúmina errantes. El silicida de calcio es inflamable y puede inflamarse espontáneamente en el aire. Los estudios han demostrado que se requiere tan poco como 122 g por tonelada de acero fundido. Como parte del revestimiento, el cullet se puede utilizar y actúa como un flujo, ayudando a purificar el metal fundido(11) y potencialmente proporcionando beneficios aguas abajo tales como mejorar la ductilidad y la maquinabilidad.

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Cerámica

La culleta molida ha encontrado aplicación en la
producción de cerámica
junto con el caolín y la arcilla, estas cerámicas son altamente tolerantes al cambio de temperatura, aparentemente debido a la presencia del refractario de sílice derivado del vidrio molido(12), y se consideran como candidatos para su uso en ambientes de condición dura debido a su resistencia química(13). Con el tratamiento de la caolín y la arcilla de esta manera, el vidrio molido se puede transformar en una cerámica de wollastonita sintética(14), a su vez utilizada como aislante en lana de roca, y para su posterior incorporación en cerámica con un requisito de alta térmica Rendimiento.

Como componente en la fabricación de fritas cerámicas renovables a partir de materiales de desecho, el vidrio molido ha demostrado ser útil junto con los lodos cerámicos para formar engobes, que luego se pueden transformar en productos de baldosas térmicamente estables(15). La composición no sólo era resistente a la calefacción a 1450 oC, sino que era significativamente más barata que producir fritas y engobes a partir de nuevos materiales. Un engobe es una capa delgada de materiales a base de arcilla utilizados en y con cerámica para proporcionar propiedades mecánicas. Una de las muchas ventajas de emplear vidrio molido en el engobe es el ahorro de energía necesaria para la producción - ya que se comporta como un flujo en el proceso de fabricación. En la producción de gres, la cerámica se puede hacer con un gran componente porcentual de vidrio molido, sinterizando a 1000oC, con dureza y resistencia comparables a la porcelana convencional(16) - los investigadores atribuyen la fuerza a las interacciones entre el vidrio y la arcilla, produciendo varias fases cristalinas.

Cementos y Ladrillos

En la fabricación de cementos, el vidrio molido se ha utilizado durante mucho tiempo como agregado. En forma de polvo, los investigadores han notado que el vidrio molido ofrece cierta actividad pozzolánica. En pocas palabras, cuanto más fino sea el polvo de vidrio molido, más fuerte será la actividad pozzolanic. En algunos escenarios, una cantidad de cemento Portland en la mezcla de hormigón se puede reemplazar con vidrio molido(17). El cemento refractario es análogo al cemento convencional, pero el cemento Portland se sustituye por varios aluminatos de calcio. Se utiliza cuando se requiere resistencia a altas temperaturas, como en revestimientos de hornos(18).

Un beneficio adicional para el uso de vidrio molido en cemento refractario es su capacidad para reducir la expansión de los álcali-sílice, aunque se observa que el tamaño de las partículas desempeña un papel sustancial(19). Los datos reportados en la literatura muestran que si el vidrio de desecho está finamente molido, especialmente para grados inferiores a 75 m, el efecto álcali-sílice no se produce y la durabilidad del mortero se preserva o incluso se mejora(20). La prevención de este efecto prolonga la vida del cemento refractario. Además, el uso de materiales de vidrio residual dará lugar a menores costos financieros y medioambientales en la producción de cemento(21).

En un estudio, se encontró que la inclusión de vidrio molido de desechos mejoró las características de rendimiento del ladrillo refractario producido: la contracción de cocción disminuyó, mientras que la densidad a granel y la resistencia a la compresión aumentaron con un mayor contenido de vidrio(22). Junto con el óxido de calcio, el vidrio molido - como fuente de sílice - se ha utilizado para formar ladrillos refractarios de sílice(23), y junto con polvo de piedra caliza para producir ladrillos con propiedades mejoradas de resistencia a la compresión(24). Además, el vidrio molido se ha utilizado en conjunto con la biomasa y la arcilla para producir un ladrillo de fuego eficaz a partir de materiales únicamente renovables(25).

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Conceptos similares

La sílice de cáscara de arroz es un producto natural derivado de la molienda de cáscaras de arroz, tiene un alto contenido de sílice y es similar en propiedades al vidrio molido ultrafino.

Se ha utilizado para producir cordirita con fines de aislamiento térmico(26). El uso de arena de sílice en la fabricación de ladrillos refractarios también proporciona propiedades mecánicas mejoradas, y un alto rendimiento a temperaturas típicas de la clasificación de ladrillos de fuego(27). La arena de sílice, al igual que la sílice de cáscara de arroz, es un polvo fino que es ampliamente similar al vidrio molido.

Resumen

La clase baja (cullet) es un producto barato que va en gran parte al vertedero si no se recicla. Es una fuente viable de sílice.
Se utiliza en la producción de acero y vidrio para el revestimiento de hornos, a menudo como parte de un cemento refractario.
El vidrio molido se utiliza en los desmotados en la fabricación de acero, asegurando un flujo estable de acero fundido mientras se retiran las impurezas.
En cerámica refractaria y gres, el vidrio molido se utiliza para reemplazar parte del material de arcilla y al hacerlo aumenta la capacidad térmica y la resistencia.
Como parte de los cementos refractarios, se puede añadir vidrio molido para reemplazar parte del agregado, cemento o ambos, proporcionando mejoras en resistencia, durabilidad y resistencia al calor.
En ladrillos refractarios, la adición de vidrio molido mejoró algunas características de rendimiento mecánico.
En general, el vidrio molido es un material viable para su uso en aplicaciones refractarias.

Referencias

1 A. Muan y E. F. Osborne, Equilibrio de fase entre óxidos en la fabricaciónde acero , Addison Wesley, Reading, Estados Unidos, 1965

2 M. H. Rahman et al., Int. J. Sust. Construido. Env., 2017, 6, 37

3 A. Muan y S. Somiya, J. Am. Ceram. Soc., 1959, 42, 603

4 Q. Ma, et al., Constr. Construir. Mater. 2015, 93, 371

5 R. K. Dhir OBE et al., Materiales de construcción sostenible: culleta de vidrio,cabeza de madera, Duxford, Reino Unido, 2018

6 Patente de los Estados Unidos US3360387A, 1967, expiró

7 Patente de los Estados Unidos US3963815A, 1974, expiró

8 S. Aminorroya et al., Basic Tundish Powder Evaluation for Continuous Casting of Clean Steel, en AIS Tech - The Iron & Steel Technology Conference and Exposition, Cleveland, 2006

9 Y. V. Materikin y V. A. Molochkov, Refractarios, 1983, 24, 108

10 E. T. Turkdogan, Ironmaking and Steelmaking, 2004, 31, 131

11 Patentes de los Estados Unidos US5366535A, 1992, expiró y US617437B1, 1996, expiró

12 M. R. Sahar et al., Int. J. Alfombrilla de Metalurgia Minera., 2018, 25, 350

13 K. Okada, Eur. J. Ceram. Soc., 2004, 24, 2367

14 W. Zhang y H. Liu, Ceram. Int., 2013, 39, 1943

15 A. P. N. Oliveira et al., J. Cleaner Prod., 2015, 86, 461

16 E. Bernardo, J. Am. Ceram. Soc., 2008, 91, 2156

17 C. Shi et al., Cemento Concr. Res., 2005, 35, 987

18 N. Black et al., Adv. Appl. Ceram., 2010, 109, 253

19 W. Li et al., Int. J. Estructura de hormigón. Mater., 2018, 12, 67

20 A. Monterro y otros., Gestión de residuos, 2005, 25, 197