Obtención del abrasivo SiC-Al2O3 Mediante Proceso SHS-AE, efecto sobre el Medio Ambiente
1.
Introducción
El medio ambiente global manifiesta, cada vez
más, un mayor deterioro debido al uso indiscriminado de
los recursos naturales y a la insuficiente atención, en
general, que se da a la solución de los efectos negativos
que esto produce sobre los seres vivos, incluidas las poblaciones
humanas.
En este sentido, se reconoce que los problemas de la
protección del medio ambiente, que gradualmente surgieron
en los siglos anteriores, se agudizaron bruscamente en la segunda
mitad del siglo XX a causa de la Revolución
Científico-Técnica, donde la ciencia se
convirtió en fuerza productiva directa empujando los
procesos de producción y haciendo sentir su impacto sobre
el medio ambiente.
Si hasta el momento primaba una visión
triunfalista sobre la tecnología, a partir de este momento
comienza a darse una preocupación y ocupación por
parte de, científicos, sobre la concepción que
hasta ese momento se manejaba sobre el medio ambiente.
La Conferencia Intergubernamental sobre la
Educación Ambiental, realizada en Tbilisi, Georgia, en
1977, auspiciada por Organización de las Naciones Unidas
para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO) y con
la colaboración del Programa de las Naciones Unidas para
el Medio Ambiente (PNUMA), actualizó la evolución
lógica e histórica del concepto medio ambiente al
expresar en el informe final que: "… se ha convenido ahora en
que el concepto de medio ambiente debe abarcar el medio social y
cultural y no solo el físico, por lo que los
análisis que efectúan deben tomar en
consideración las interacciones entre el medio natural,
sus componentes biológicos y sociales, y también
los factores culturales…".
Es decir que a la hora de abordar el medio ambiente hay
que contar con la presencia del hombre, en estrecha
interacción con la naturaleza, pero también con el
resto de los demás hombres, los cuales le imprimen su
huella.
Los procesos tecnológicos están mediados
por el nivel de desarrollo alcanzado por la sociedad, la cual en
última instancia condiciona la manera de llevarlos a cabo,
un ejemplo de ello lo constituye, la obtención de
materiales cerámicos con múltiples
características (abrasivas, electrónicas,
ópticas, etc.), lo cual se remonta desde el siglo XIX y ha
venido evolucionando hasta la actualidad, desde grandes hornos,
altos consumidores de energía eléctrica, emisores
de contaminantes al medio ambiente, hasta el uso de modernos
equipamientos: molinos especiales (síntesis por
mecanoquímica), hornos microwave y la síntesis
auto-propagada de alta temperatura en reactores abiertos o
cerrados, entre otros.
La producción de productos abrasivos, se
encuentra concentrada en manos de grandes monopolios
norteamericanos. El mayor productor de abrasivos en los Estados
Unidos a finales de la década de los 90 fue la Norton Co.
de Worcester, Massachusett, una subsidiaria totalmente
poseída indirectamente por la Compañía
Francesa de Saint Gobain, la cual posteriormente en el 2002 tuvo
ingresos de 30,2 mil millones de USD. A finales de Octubre de
1999, la Norton adquirió la Furon Co. líder en
diseño y fabricación de productos de
ingeniería hechos de polímetros de altas
prestaciones. La Norton cambió su nombre a Saint-Gobain
Abrasives Inc. en el 2001, además de ser el mayor
productor de abrasivos en el mundo, esta compañía
produce cerámicas, plásticos y productos para
procesos químicos. En todo el mundo tiene alrededor de
16000 empleados y tiene 88 fábricas en los Estados Unidos
y 19 en otros países.
En nuestro país no existen plantas productoras de
estos materiales, solo existe una fábrica de muelas
abrasivas a partir de materias primas importadas. En
contraposición con esta situación nos encontramos
que existen varias fábricas con excelente equipamiento,
los cuales pudieran ser utilizados para la producción de
materias primas cerámicas, dentro de ellas están:
Antillana de Acero en la Habana, Planta Mecánica en Santa
Clara, Acinox en las Tunas y Planta Mecánica en Moa, entre
otras. Por lo que sería muy ventajoso aprovechar estas
instalaciones y su cultura metalúrgica, en el desarrollo y
aplicación de métodos para la obtención de
productos abrasivos en nuestro país, con el consecuente
ahorro de divisas por concepto de sustitución de
importaciones, permitiéndonos la soberanía
tecnológica a partir de nuestros recursos
naturales.
En la Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas
existe un Centro de Investigación de Soldadura donde se
han realizado varios trabajos relacionados en la obtención
de nuevos materiales y constituye un acervo
científico-técnico que sientan una base precedente
de conocimiento y experiencia para enfrentar el desarrollo de
esta temática, entre los que se encuentran "hornos por
arco eléctrico de mediana capacidad para la
síntesis de fundentes fundidos", "reducción
carbotérmica", "trabajos utilizando la energía de
la reacción aluminotérmica en reactores de grafito,
para la obtención de metales puros y aleaciones complejas,
ferroaleaciones y de ferroaleaciones con escorias de propiedades
abrasivas (galaxita)(Carrillo-Alfonso, 2003, Cruz-Crespo, 2002,
Gómez-Pérez, 1996, González-Ruiz, 2001,
Jerez-Pereira, 2006, Morales-Rodríguez, 2006,
Perdomo-González, 2000, Pons, 2000, Torres-Alpízar,
2002), pero no existen precedentes de "combinar el uso de la
energía del arco eléctrico y la energía de
la reacción aluminotérmica simultáneamente
en la obtención de materiales cerámicos con dureza
superior a 9 en la escala de MOHS a partir de nuestros recursos
naturales y desechos industriales".
La necesidad de esta investigación está
fundamentada por el incremento de la demanda de productos
abrasivos en la industria metal-mecánica, el
déficit de su producción, la concentración
en monopolios norteamericanos, así como al desarrollo de
procesos productivos más eficientes energéticamente
respetuosos del medioambiente a partir de materias primas y
materiales reciclados nacionales.
A partir de lo explicado se puede definir:
2. Problema
Científico
Se desconoce la influencia sobre el medio ambiente de
las características estructuroquímicas de las
materias primas naturales y materiales reciclados y la
combinación del proceso aluminotérmico con arco
eléctrico como proceso de bajo consumo energético,
en la síntesis del material cerámico del sistema
SiC-Al2O3
Hipótesis
El empleo de materiales reciclados y materias primas
naturales con determinadas características
estructuroquímicas y del proceso de combustión
auto-sostenido de alta temperatura (aluminotérmia)
asistido con arco eléctrico permite la síntesis de
materiales cerámicos con características abrasivas
con bajo consumo de energía disminuyendo la
contaminación del medio ambiente
3. Objetivo
General
Contribuir a disminuir la contaminación del medio
ambiente a través de la obtención de un material
cerámico a partir de recursos minerales naturales y
materiales reciclados que se enmarque en el sistema SiO2-Al-C,
cuyas fases mayoritarias sean el ßSiC-aAl2O3 mediante la
Síntesis por Combustión Auto-Sostenida de Alta
Temperatura (aluminotérmia) asistida con la energía
de arco eléctrico con un bajo consumo de
energía.
Objetivos Específicos
• Valorar los métodos precedentes de
obtención de compósitos cerámicos del
sistema del tipo SiC-Al2O3 y seleccionar el más adecuado
en función de disminuir el consumo de
energía.
• Diseñar y construir horno de arco
eléctrico, así como los accesorios complementarios
para la realización de la síntesis.
• Proponer un método para la
obtención de un compósito cerámico del tipo
SiC-Al2O3, con propiedades físicas específicas,
como: alto punto de fusión, alta rigidez, alto esfuerzo
compresivo así como resistencia al desgaste y a la
corrosión.
• Determinar los parámetros más
idóneos del método propuesto para lo
obtención de compósitos cerámicos o
metalocerámicos. Caracterizar el compósito
cerámico determinando sus características
químico-estructurales y sus propiedades
físicas.
• Proponer y evaluar una aplicación
práctica del compósito cerámico obtenido y
analizar el ahorro del consumo de energía y la
disminución de la contaminación sobre el medio
ambiente.
4. Desarrollo
En primera aproximación puede decirse que los
materiales cerámicos son aquellos materiales
químicamente definidos como inorgánicos y no
metálicos, sin embargo, esta definición engloba a
las rocas y a muchos minerales que se encuentran en la naturaleza
que no son considerados como cerámicos (Freiman,
1991).
Un concepto un tanto simple fue dado por Kingery, quien
señala que "una cerámica es un sólido
inorgánico no-metálico" (Kingery et al., 1976). En
otras palabras lo que no es un metal, un semiconductor o un
polímero, es una cerámica.
El autor de este trabajo lo define como un compuesto
sólido que se obtiene por la aplicación de calor y
en ocasiones con la combinación de calor y presión,
comprimiendo por lo menos dos elementos con la condición
que uno de ellos es un no-metal o un elemento sólido
no–metálico.
Existe una variedad de métodos para la
síntesis de los polvos cerámicos divididos en dos
grandes grupos: métodos mecánicos y métodos
químicos, los métodos mecánicos son
generalmente usados para la preparación de
cerámicas tradicionales a partir de materias primas de
origen natural, pero en los últimos años se
reportan importantes investigaciones de cerámicas
avanzadas y de materiales biocerámicos (González et
al., 2000, Cihangir et al., 2007, Duran et al., 2008, Gonzalez et
al., 2006, Welham et al., 1999), mediante el molido de alta
velocidad.
Los métodos químicos son generalmente
usados para la preparación de polvos para las
cerámicas avanzadas a partir de materias primas
sintéticas o de origen natural, algunos de estos
métodos combinan en su primera parte un molido como parte
del proceso. El molido usualmente es necesario para destruir la
presencia de aglomerados y la producción de determinadas
características físicas, como son el tamaño
promedio de partícula y el promedio de distribución
de partícula.
La preparación de polvos por esta vía es
un área del procesamiento de las cerámicas que ha
tenido recientes e importantes resultados (Dobbs and Dolhert,
2005, Dobbs, 2005a, Dobbs, 2005b, Jingyan and Clive, 2008, Han
and Li, 2005, Gustafsson et al., 2008).
Existen diversos métodos de obtención de
polvos cerámicos, de ellos, el utilizado en esta
investigación es el químico con reacción
entre sólidos para la síntesis del SiC-Al2O3. Para
la obtención de este producto se reportan en la literatura
diferentes procesos (Amroune et al., 2000, Lee et al., 2000,
Kiminami et al., 2001, Han and Li, 2005, Altinkok. et al., 2007,
Cihangir et al., 2007, Pushkarev, 2002).
La utilización de la Síntesis por
Combustión Auto-Sostenida de Alta Temperatura, conocida
por SHS (Self-Propagating High-Temperature Synthesis), es un
proceso (Merzhanov, 1997) que consiste básicamente en
comenzar la reacción a partir de una fuente de
energía externa. Una vez iniciada la reacción, el
calor exotérmico ayuda a que se propague a través
de los reactantes por todo el volumen y haga
energéticamente auto-sostenido el proceso (Pathak et al.,
1997). Estos autores necesitaron precalentar la mezcla de
reactantes hasta una temperatura aproximada de 400°C para
lograr que la reacción se propagara por todo el volumen,
haciendo menos económico el proceso desde el punto de
vista energético y haciendo posible disminuir la
contaminación sobre el medio ambiente.
Nuestro país presta especial atención a la
protección del medio ambiente en el contexto de una
política de desarrollo consagrada en la obra
revolucionaria iniciada en 1959, como expresión de lo
cual, el Artículo 27de la Constitución de la
República postula que:
"El Estado protege el medio ambiente y los recursos
naturales del país. Reconoce su estrecha
vinculación con el desarrollo económico y social
sostenible para hacer más racional la vida humana y
asegurar la supervivencia, el bienestar y la seguridad de las
generaciones actuales y futuras. Corresponde a los órganos
competentes aplicar esta política. Es deber de los
ciudadanos contribuir al a protección del agua, la
atmósfera, la conservación del suelo, la flora, la
fauna y todo el rico potencial de la naturaleza"
El ser humano necesita formas para proteger el medio
ambiente. Sobre el particular, Castro, F. (1992),
señaló que "los portentosos avances de la ciencia y
la tecnología se multiplican diariamente, pero sus
beneficios no llegan a la mayoría de la Humanidad, y
siguen estando en lo fundamental al servicio de un consumismo
irracional que derrocha los recursos limitados y amenaza
gravemente la vida en el planeta".
Hoy intelectuales, científicos, estadistas han
comenzado a prestar tención a este problema, Pueden
citarse diversos hechos harto elocuentes de tan relevante estado
de cosas, como son entre otros: la internacionalización
que ha adquirido el fenómeno ambiental, el grado de
concienciación alcanzado sobre los problemas
ecológicos globales, el surgimiento de un fuerte
movimiento de organizaciones no gubernamentales (ONGs) de corte
ambientalista, así como los compromisos formales de muchos
estados y gobiernos en hacer reversible el deterioro del entorno
al más corto plazo de tiempo posible.
Sin lugar a equívocos, ante tal desafío el
planeta se divide entre dos grandes grupos de países, de
una parte una minoría industrializada, poderosa y rica,
con un alto desarrollo de la ciencia y la tecnología y una
mayoría atrasada, pobre y desposeída, con un
incipiente desarrollo científico técnico, dotadas
ambas con marcadas diferencias en el nivel de vida, pero
semejantes al compartir una baja calidad de vida. Recordemos que
más del 90 % de la capacidad científica y
tecnológica mundial está en manos de un reducido
grupo de países y algunos centenares de grandes
corporaciones transnacionales. Tal proceso de
concentración es parte del proceso de
marginalización que la actual globalización reserva
para numerosos grupos humanos y países. La ciencia y la
tecnología son parte de la dinámica de
concentración de riqueza y poder.
Es precisamente en el seno de los países
poderosos donde se encuentra el origen de la pobreza ambiental
predominante en el mundo de hoy, al imponer a la Humanidad los
actuales patrones de desarrollo, donde ha predominado la
ignorancia ambiental, junto a la avaricia, el egoísmo y la
necedad propios de la especie humana.
Mientras que de una parte, la minoría de la
Humanidad se aísla en un ambiente de consumismo,
artificial enajenado y pobre en sus componentes sociales y
ecológicos, la otra parte minoritaria, subsiste en
precarias condiciones de vida, matizada por la agonía que
representa el círculo vicioso donde se opta por la
pobreza, el hambre, la insalubridad, el analfabetismo, el
deterioro ambiental y otras secuelas derivadas del estilo de
desarrollo impuesto desde el Norte del mundo.
A las puertas del siglo XXI el nivel de desarrollo nunca
antes alcanzado por la ciencia y la tecnología está
marcando transformaciones tan significativas en la sociedad
actual como lo hicieron en su momento las dos revoluciones
industriales, de ahí la denominación de tercera
revolución industrial al cambio cualitativo y la
interrelación
ciencia-técnica-tecnología-producción y el
papel protagónico de la ciencia y su conversión en
fuerza productiva directa, proceso que identificamos como
Revolución Científica Técnica.
En el ámbito social se aprecia el elevado costo
del desarrollo que gravita sobre el capital humano, la
insuficiente valoración del impacto social en el proceso
de desarrollo, la incipiente cultura ambiental en cuanto a
gestión participativa, la insuficiente
sensibilización humana sobre los problemas del ambiente y
la escasa utilización de las elevadas potencialidades
humanas para resarcir los efectos negativos sobre el
ambiente.
Los componentes más sensibles que alertaron sobre
el deterioro del medio ambiente, se refieren a los efectos
nefastos de los actuales estilos de desarrollo, sobre las aguas,
el aire atmosférico, los suelos, la diversidad
biológica, los cambios climáticos y las condiciones
culturales, curativas, éticas y estéticas de la
naturaleza.
En tal compleja situación se ha originado por lo
tanto una nueva crisis, la ambiental, que se añade a
tantas otras propias de estos tiempos, como son entre otras la
económica, la financiera y las guerras y que con diferente
connotación a éstas últimas, amenaza a
más largo plazo con el exterminio de la especie
humana.
En la actualidad la Humanidad asiste a la crisis de la
era del desarrollismo industrial, dado el acusado declive que
muestran sus efectos sobre los sistemas sustentadores de la vida
en el Planeta y sobre la propia subsistencia del ser humano.
Resulta evidente reconocer que la tecnología y la
eficiencia económica comienzan a rendirse ante las
respuestas y reacciones de los sistemas biofísicos, a su
transformación desmedida, y al hecho de que no se respeta
la lógica propia de las leyes de la Naturaleza
(Jiménez Herrero, 1995).
De ahí la necesidad de prestar atención
sobre el compromiso ético de investigadores y
científicos para con el medio ambiente, lo cual
permitirá su conservación y la disminución
de su contaminación por la utilización de
sustancias químicas nocivas, buscando formas alternativas
en la producción de nuevas sustancias, a partir de la
utilización de recursos minerales naturales y materiales
reciclados que no lo agredan, además de las ventajas que
en el plano económico significan.
5. Conclusiones
El siglo XX, que ha sido un siglo intensamente
industrial y tecnológico, proporciona una perspectiva
impresionante de lo conseguido en términos de
evolución tecnológica. El hombre ha creado un mundo
artificial pero profundamente humano, ya que ha surgido del
hombre mismo dando libertad a su naturaleza más profunda y
a sus características más genuinas. El único
problema es que la tecnología, una vez fuera de la mente
del hombre, es decir, una vez hecha realidad física, y una
vez puesta al servicio de los intereses de unos y de otros,
adquiere autonomía, se rebela y causa, o puede causar,
estragos sin límite en la vida del hombre, razón
por la cual se hace necesario utilizar a la naturaleza pero
racionalmente.
El Proceso propuesto de Síntesis por
Combustión Auto-Sostenida de Alta Temperatura asistida con
la energía de arco eléctrico (EA-SHS), para la
obtención de cerámicas compuestas de SiC-Al2O3a
partir de materias primas naturales (carbón vegetal) y
materiales reciclados (vidrio sódico-cálcico) es un
proceso que permitirá disminuir la contaminación
sobre el medio ambiente.
6.
Bibliografía
AMROUNE, A. G., FANTOZZI, J. D., DELOUME., J.-P.,
DURAND., B. & HALIMI., R. 2000. Formation of Al2O3–SiC
powder from andalusite and carbon. Materials Science and
Engineering A, 290, 11-15.
ARANA E. M., CALDERÍN V. A., VALDÉS M. N.
1999. La cultura tecnológica del ingeniero y el cambio de
paradigma. En Tecnología y Sociedad. Editorial
Félix Varela. MES.
CIHANGIR, D., GÖÇMEZ., H. & YiLMAZ., H.
2007. Dispersion of mechanochemically activated SiC and Al2O3
powders. Materials Science and Engineering.
CRUZ-CRESPO, A. 2002. Síntesis por
fusión de un fundente fundido del sistema MnO-SiO2 para la
soldadura por arco sumergido. Universidad Central "Marta
Abreu de Las Villas".
DURAN, C., GÖÇMEZ, H. & YILMAZ, H. 2008.
Dispersion of mechanochemically activated SiC and Al2O3 powders.
Materials Science and Engineering: A, 475,
23-26.
FREIMAN, W. 1991. Introduction to Ceramic and
Glasses, ASM International.
GACETA OFICIAL DE LA REPUBLICA DE CUBA Edicion
Extraordinaria, La Habana, 11 de julio de 1997, AÑO XCV,
7, 47
GÓMEZ-PÉREZ, C. R. 1996.
Obtención de un fundente fundido para la SAAS. a
partir de rocas cubanas. Universidad Central "Marta Abreu de
Las Villas".
GONZÁLEZ-RUIZ, J. 2001. Obtención de
recubrimientos difusivos de carburos complejos de cromo en
aleaciones de hierro carbono a partir de cromita
refractarias. Universidad Central "Marta Abreu de Las
Villas".
GONZALEZ, G., SAGARZAZU, A. & VILLALBA, R. 2006.
Mechanochemical transformation of mixtures of Ca(OH)"2 and
(NH"4)"2HPO"4 or P"2O"5. Materials Research Bulletin,
41, 1902-1916.
GONZÁLEZ, G., SAGARZAZU, A. & VILLALBA, R.
2000. Study of the mechano-chemical transformation of goethite to
hematite by TEM and XRD. Materials Research Bulletin,
35, 2295-2308.
GUSTAFSSON, S., FALK, L. K. L., LIDÉN, E. &
CARLSTRÖM, E. 2008. Pressureless sintered Al2O3-SiC
nanocomposites. Ceramics International, 34,
1609-1615.
JEREZ-PEREIRA, R. 2006. Matriz fundida vítrea
obtenida a partir de la reducción carbotérmica de
residuales sólidos industriales destinada a fundentes
aglomerados aleados para la soldadura automática.
Universidad Central "Marta Abreu de Las Villas".
JINGYAN, H. & CLIVE, P. 2008. Oxidation of SiC
powders for the preparation of SiC/mullite/alumina
nanocomposites. Journal of Materials Science, 43,
4031-4041.
KINGERY, W. D., BOWEN, H. K. & UHLMANN, D. R. 1976.
Introduction to Ceramics, John Wiley &
Sons.
LEE, J. H., AN, C. Y., WON, C. W., CHO, S. S. &
CHUN, B. S. 2000. Characteristics of Al2O3–SiC composite
powder prepared by the self-propagating high-temperature
synthesis process and its sintering behavior. Materials
Research Bulletin, 35, 945-954.
MERZHANOV, A. G. 1997. Reviews – Fundamentals,
achievements, and perspectives for development of solid – flame
combustion. Russian Chemical Bulletin, 46,
1-27.
MORALES-RODRÍGUEZ, F. 2006. Obtención
de carga aleante para consumibles de soldadura utilizando
residuales catalíticos y cromita cubana. Universidad
Central "Marta Abreu de Las Villas".
NÚÑEZ, J. 1999 "La ciencia y la
tecnología como procesos sociales". Editorial Félix
Varela. La Habana,
PATHAK, L. C., MUKHERJEE, I., DAS, S. K., GANGULY, R.
G., RAMACHANDRARAO, P. & BANDYOPADHYAY, D. 1997. Fabrication
of Al2O3-SICW in situ composite through a new combustion
technique. Elsevier Science.
PERDOMO-GONZÁLEZ, L. 2000. Obtención
de un fundente aglomerado aleado para el recargue a partir de los
productos de la reducción de cromitas refractarias
cubanas. Universidad Central "Marta Abreu de Las
Villas".
PONS, J. 2000. Obtención de productos
refractarios para la fundición a partir de dunitas
serpentinizadas de la región de Moa, zonas "Merceditas" y
"Amores". Universidad Central "Marta Abreu de Las
Villas".
PUSHKAREV, O. I. 2002. Production of Abrasive Materials
in the SiC-Al2O3 System. Refractories and Industrial
Ceramics, 43, 8-10.
COLECTIVO DE AUTORES, 2002. Tecnologia y Sociedad..
Editorial Felix Varela.
TORRES-ALPÍZAR, E. 2002. Estudio de la
influencia del Cr y el Ni en las propiedades mecánicas y
funcionales de los depósitos de soldadura de acero al
manganeso. Universidad Central "Marta Abreu de Las
Villas".
WELHAM, N. J., KERR, T. & WILLIS, P. E. 1999.
Ambient-Temperature Mechanochemical Formation of Titanium
Nitride-Alumina Composites from TiO2 and FeTiO3.
Autor:
M. Sc. Ing. Jorge Luis Garcia Jacomino
Dr. Lic. Rafael Quintana Puchol
M. Sc. Lic. María de los Angeles
Castillo Dávila
Centro de Investigación de Soldadura
(CIS)
Facultad de Ingeniería
Mecánica
Universidad Central "Marta Abreu" de Las
Villas
Carretera a Camajuaní Km.
5½
Santa Clara, Villa Clara, CP.
54830
Cuba
