ES2924598B2 - Procedure for the preparation of ceramic, bioceramic and refractory materials of a basic nature with a high content of forsterite by means of reactive grinding - Google Patents
Procedure for the preparation of ceramic, bioceramic and refractory materials of a basic nature with a high content of forsterite by means of reactive grinding Download PDFInfo
- Publication number
- ES2924598B2 ES2924598B2 ES202130248A ES202130248A ES2924598B2 ES 2924598 B2 ES2924598 B2 ES 2924598B2 ES 202130248 A ES202130248 A ES 202130248A ES 202130248 A ES202130248 A ES 202130248A ES 2924598 B2 ES2924598 B2 ES 2924598B2
- Authority
- ES
- Spain
- Prior art keywords
- forsterite
- weight
- temperature
- stage
- talc
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- HCWCAKKEBCNQJP-UHFFFAOYSA-N magnesium orthosilicate Chemical compound [Mg+2].[Mg+2].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] HCWCAKKEBCNQJP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 145
- 229910052839 forsterite Inorganic materials 0.000 title claims description 136
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 title claims description 66
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 58
- 238000000227 grinding Methods 0.000 title claims description 47
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims description 27
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims description 18
- 239000003462 bioceramic Substances 0.000 title claims description 15
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 186
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 claims description 94
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 60
- 239000000454 talc Substances 0.000 claims description 56
- 229910052623 talc Inorganic materials 0.000 claims description 56
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 55
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 36
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 29
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 29
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 21
- 238000001994 activation Methods 0.000 claims description 13
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims description 13
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 11
- 239000007900 aqueous suspension Substances 0.000 claims description 6
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 5
- 238000003826 uniaxial pressing Methods 0.000 claims description 5
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 claims description 4
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 claims description 4
- 101100055113 Caenorhabditis elegans aho-3 gene Proteins 0.000 claims description 3
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 3
- 230000004580 weight loss Effects 0.000 claims description 3
- 238000007605 air drying Methods 0.000 claims description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 2
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 claims 1
- 208000016261 weight loss Diseases 0.000 claims 1
- 235000012245 magnesium oxide Nutrition 0.000 description 91
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 67
- 235000012222 talc Nutrition 0.000 description 54
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 43
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 34
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 32
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 30
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 28
- 239000000047 product Substances 0.000 description 25
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 25
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 24
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 23
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 22
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 21
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 21
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 20
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 18
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 17
- 150000004760 silicates Chemical class 0.000 description 16
- 239000001095 magnesium carbonate Substances 0.000 description 15
- 229910000021 magnesium carbonate Inorganic materials 0.000 description 15
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 14
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 14
- 235000014380 magnesium carbonate Nutrition 0.000 description 14
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N alstonine Natural products C1=CC2=C3C=CC=CC3=NC2=C2N1C[C@H]1[C@H](C)OC=C(C(=O)OC)[C@H]1C2 WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N 0.000 description 13
- ZLNQQNXFFQJAID-UHFFFAOYSA-L magnesium carbonate Chemical compound [Mg+2].[O-]C([O-])=O ZLNQQNXFFQJAID-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 13
- 229910052634 enstatite Inorganic materials 0.000 description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 12
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 12
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 11
- 229910052609 olivine Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000010450 olivine Substances 0.000 description 11
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 11
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 10
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 10
- BBCCCLINBSELLX-UHFFFAOYSA-N magnesium;dihydroxy(oxo)silane Chemical compound [Mg+2].O[Si](O)=O BBCCCLINBSELLX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229910004283 SiO 4 Inorganic materials 0.000 description 9
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 9
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 9
- 229910052619 chlorite group Inorganic materials 0.000 description 9
- QBWCMBCROVPCKQ-UHFFFAOYSA-N chlorous acid Chemical compound OCl=O QBWCMBCROVPCKQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 9
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 9
- 235000010755 mineral Nutrition 0.000 description 9
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 9
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 9
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 9
- 229910001919 chlorite Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 8
- -1 for example Chemical class 0.000 description 8
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 7
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 7
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 7
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 7
- 235000008733 Citrus aurantifolia Nutrition 0.000 description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 235000011941 Tilia x europaea Nutrition 0.000 description 6
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 6
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 239000004571 lime Substances 0.000 description 6
- 239000000391 magnesium silicate Substances 0.000 description 6
- 238000004137 mechanical activation Methods 0.000 description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 6
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 5
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 5
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 5
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 5
- 238000003746 solid phase reaction Methods 0.000 description 5
- 238000010671 solid-state reaction Methods 0.000 description 5
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 4
- 239000011822 basic refractory Substances 0.000 description 4
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 4
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 4
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 4
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 4
- 235000013980 iron oxide Nutrition 0.000 description 4
- 229910052919 magnesium silicate Inorganic materials 0.000 description 4
- 235000019792 magnesium silicate Nutrition 0.000 description 4
- MFUVDXOKPBAHMC-UHFFFAOYSA-N magnesium;dinitrate;hexahydrate Chemical compound O.O.O.O.O.O.[Mg+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O MFUVDXOKPBAHMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000012713 reactive precursor Substances 0.000 description 4
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 4
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical compound [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002893 slag Substances 0.000 description 4
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 description 4
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910017625 MgSiO Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 3
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 3
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 3
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 3
- 239000010423 industrial mineral Substances 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 3
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 240000007817 Olea europaea Species 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 239000003125 aqueous solvent Substances 0.000 description 2
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 229910052599 brucite Inorganic materials 0.000 description 2
- 244000309464 bull Species 0.000 description 2
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 2
- 235000013339 cereals Nutrition 0.000 description 2
- 239000004927 clay Substances 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000005906 dihydroxylation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000010459 dolomite Substances 0.000 description 2
- 229910000514 dolomite Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 229910052840 fayalite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000001033 granulometry Methods 0.000 description 2
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 2
- 230000036571 hydration Effects 0.000 description 2
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 description 2
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 2
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- YIXJRHPUWRPCBB-UHFFFAOYSA-N magnesium nitrate Chemical compound [Mg+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O YIXJRHPUWRPCBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 235000012243 magnesium silicates Nutrition 0.000 description 2
- 238000010303 mechanochemical reaction Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 2
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 125000002524 organometallic group Chemical group 0.000 description 2
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 229920000193 polymethacrylate Polymers 0.000 description 2
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 2
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 2
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 2
- 238000012552 review Methods 0.000 description 2
- 238000007873 sieving Methods 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 2
- 239000010455 vermiculite Substances 0.000 description 2
- 229910052902 vermiculite Inorganic materials 0.000 description 2
- 235000019354 vermiculite Nutrition 0.000 description 2
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- GFQYVLUOOAAOGM-UHFFFAOYSA-N zirconium(iv) silicate Chemical compound [Zr+4].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] GFQYVLUOOAAOGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000005997 Calcium carbide Substances 0.000 description 1
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000519 Ferrosilicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 108010022355 Fibroins Proteins 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CERQOIWHTDAKMF-UHFFFAOYSA-N Methacrylic acid Chemical class CC(=C)C(O)=O CERQOIWHTDAKMF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N Nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 description 1
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 1
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 description 1
- 150000004703 alkoxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000012736 aqueous medium Substances 0.000 description 1
- 239000000560 biocompatible material Substances 0.000 description 1
- 230000010478 bone regeneration Effects 0.000 description 1
- 239000011449 brick Substances 0.000 description 1
- 238000002089 carbo-reduction Methods 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 150000001844 chromium Chemical class 0.000 description 1
- UOUJSJZBMCDAEU-UHFFFAOYSA-N chromium(3+);oxygen(2-) Chemical class [O-2].[O-2].[O-2].[Cr+3].[Cr+3] UOUJSJZBMCDAEU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002734 clay mineral Substances 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000008119 colloidal silica Substances 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000007334 copolymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000009867 copper metallurgy Methods 0.000 description 1
- 239000002537 cosmetic Substances 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 239000010987 cubic zirconia Substances 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- YGANSGVIUGARFR-UHFFFAOYSA-N dipotassium dioxosilane oxo(oxoalumanyloxy)alumane oxygen(2-) Chemical compound [O--].[K+].[K+].O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O YGANSGVIUGARFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 239000006112 glass ceramic composition Substances 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- 159000000011 group IA salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000010903 husk Substances 0.000 description 1
- 230000000887 hydrating effect Effects 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- VBMVTYDPPZVILR-UHFFFAOYSA-N iron(2+);oxygen(2-) Chemical class [O-2].[Fe+2] VBMVTYDPPZVILR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N iron(II,III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]O[Fe]=O SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N kaolin Chemical compound O.O.O=[Al]O[Si](=O)O[Si](=O)O[Al]=O NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052622 kaolinite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009871 lead metallurgy Methods 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- VTHJTEIRLNZDEV-UHFFFAOYSA-L magnesium dihydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[Mg+2] VTHJTEIRLNZDEV-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000000347 magnesium hydroxide Substances 0.000 description 1
- 229910001862 magnesium hydroxide Inorganic materials 0.000 description 1
- DZBOAIYHPIPCBP-UHFFFAOYSA-L magnesium;2-methylprop-2-enoate Chemical compound [Mg+2].CC(=C)C([O-])=O.CC(=C)C([O-])=O DZBOAIYHPIPCBP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- OUHCLAKJJGMPSW-UHFFFAOYSA-L magnesium;hydrogen carbonate;hydroxide Chemical compound O.[Mg+2].[O-]C([O-])=O OUHCLAKJJGMPSW-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011823 monolithic refractory Substances 0.000 description 1
- 229910052627 muscovite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 1
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 1
- 230000002688 persistence Effects 0.000 description 1
- 238000010587 phase diagram Methods 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 239000012704 polymeric precursor Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- YGSFNCRAZOCNDJ-UHFFFAOYSA-N propan-2-one Chemical compound CC(C)=O.CC(C)=O YGSFNCRAZOCNDJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 229910052903 pyrophyllite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011044 quartzite Substances 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 239000011214 refractory ceramic Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 1
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229910002027 silica gel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000741 silica gel Substances 0.000 description 1
- 150000003376 silicon Chemical class 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011029 spinel Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- CLZWAWBPWVRRGI-UHFFFAOYSA-N tert-butyl 2-[2-[2-[2-[bis[2-[(2-methylpropan-2-yl)oxy]-2-oxoethyl]amino]-5-bromophenoxy]ethoxy]-4-methyl-n-[2-[(2-methylpropan-2-yl)oxy]-2-oxoethyl]anilino]acetate Chemical compound CC1=CC=C(N(CC(=O)OC(C)(C)C)CC(=O)OC(C)(C)C)C(OCCOC=2C(=CC=C(Br)C=2)N(CC(=O)OC(C)(C)C)CC(=O)OC(C)(C)C)=C1 CLZWAWBPWVRRGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- LFQCEHFDDXELDD-UHFFFAOYSA-N tetramethyl orthosilicate Chemical compound CO[Si](OC)(OC)OC LFQCEHFDDXELDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007725 thermal activation Methods 0.000 description 1
- 238000002411 thermogravimetry Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 1
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 1
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 229910052845 zircon Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
- C01B33/20—Silicates
- C01B33/22—Magnesium silicates
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
- Silicates, Zeolites, And Molecular Sieves (AREA)
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Procedimiento de preparación de materiales cerámicos, biocerámicos y refractarios de carácter básico con alto contenido en forsterita mediante molienda reactivaProcedure for the preparation of ceramic, bioceramic and refractory materials of a basic nature with a high content of forsterite by means of reactive grinding
SECTOR DE LA TÉCNICATECHNIQUE SECTOR
La presente invención se refiere a un procedimiento de preparación de materiales cerámicos que contienen magnesio y silicio combinados en su composición química, con alto contenido en ortosilicato de magnesio ( 2 MgO.SiO 2 ) fase cristalina denominada forsterita, preparación de biocerámicos y refractarios de carácter básico, así como sus aplicaciones y usos de interés. Sector de la Técnica: Química. Productos minerales no metálicos diversos. Industrias manufactureras diversas y reciclaje. Materiales cerámicos y refractarios. Material estructural para construcción de hornos de alta temperatura (> 1500 °C). Siderurgia y metalurgia. Biocerámicas (cerámicas biocompatibles).The present invention refers to a process for the preparation of ceramic materials that contain magnesium and silicon combined in their chemical composition, with a high content of magnesium orthosilicate ( 2 MgO.SiO 2 ) crystalline phase called forsterite, preparation of bioceramics and refractories of character basic, as well as its applications and uses of interest. Technical Sector: Chemistry. Various non-metallic mineral products. Various manufacturing industries and recycling. Ceramic and refractory materials. Structural material for the construction of high temperature furnaces (> 1500 °C). Steel and metallurgy. Bioceramics (biocompatible ceramics).
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION
Como “refractarios básicos” se designan a un determinado número de materiales y productos refractarios donde la suma de los óxidos de magnesio, calcio y cromo es preponderante [Singer, F. y Singer S., Cerámica Industrial, Vols. 1, 2 y 3, Ed Urmo, Barcelona, 1971; Norton, F.H., Refractarios, traducción 3a edición americana, Ed Blume, Barcelona, 1972; Baumgart, W., Process Mineralogy of Ceramic Materials, Publicaciones F. Enke, Stuttgart, 1984]. En este grupo se engloban a los materiales refractarios de cromita y forsterita que, si bien debían ser considerados como neutros, en parte pueden reemplazar a los refractarios puramente básicos. Los productos de transición son muy numerosos e interesantes por sus aplicaciones técnicas, tales como los de magnesia-cromita [Alper, A.M., Refractory Materials, Vol. 5: High-Temperature oxides, Part I: Magnesia, Lime and Chrome Refractories, Academia Press, New York and London, 1970].As "basic refractories" are designated a certain number of refractory materials and products where the sum of magnesium, calcium and chromium oxides is predominant [Singer, F. and Singer S., Industrial Ceramics, Vols. 1, 2 and 3, Ed Urmo, Barcelona, 1971; Norton, F.H., Refractories, translation 3rd American edition, Ed Blume, Barcelona, 1972; Baumgart, W., Process Mineralogy of Ceramic Materials, F. Enke Publications, Stuttgart, 1984]. This group includes chromite and forsterite refractories which, although they should be considered neutral, can partly replace purely basic refractories. Transition products are very numerous and interesting for their technical applications, such as those of magnesia-chromite [Alper, A.M., Refractory Materials, Vol. 5: High-Temperature oxides, Part I: Magnesia, Lime and Chrome Refractories, Academia Press , New York and London, 1970].
Una extensa revisión de las investigaciones y estado de la técnica sobre materiales refractarios de forsterita ha sido previamente realizada, en particular considerando a esta fase cristalina como componente principal de materiales refractarios clasificados como de carácter básico [Alper, A.M., Refractory Materials, Vol. 5: High-Temperature oxides, Part I: Magnesia, Lime and Chrome Refractories, Academia Press, New York and London, 1970].An extensive review of the research and state of the art on forsterite refractory materials has been previously carried out, particularly considering this crystalline phase as the main component of refractory materials classified as basic in nature [Alper, A.M., Refractory Materials, Vol. 5 : High-Temperature oxides, Part I: Magnesia, Lime and Chrome Refractories, Academy Press, New York and London, 1970].
Dentro de la clasificación general de los materiales refractarios básicos, los materiales refractarios de forsterita (orto-silicato de magnesio MgSiO 4 ) de composición química molar 2MgO.SiO2 y punto de fusión 1910 °C, se han venido preparando por tratamiento térmico a partir de silicatos naturales empleando materias primas con magnesio en elevada proporción, tal como el olivino de Noruega y dunitas y serpentinas de Rusia e India. Su nombre se debe a Adolarius Jacob Forster (1739-1806). La aplicación de la roca de olivino en el campo de los materiales refractarios se inició ya en 1925 por Goldschmidt [Singer, F. y Singer S., Cerámica Industrial, Vols. 1, 2 y 3, Ed Urmo, Barcelona, 1971]. Debería entonces denominarse “refractario de olivino” ya que el olivino es la materia prima original, pero sin embargo se aplica con frecuencia el término de “refractario de forsterita” como producto final de la manufactura. Las materias primas más comúnmente empleadas para la obtención de forsterita son el olivino de Noruega y las dunitas y serpentinas de Rusia y de la India.Within the general classification of basic refractory materials, the materials Forsterite refractories (magnesium ortho-silicate MgSiO 4 ) with a molar chemical composition of 2MgO.SiO2 and a melting point of 1910 °C, have been prepared by heat treatment from natural silicates using raw materials with high magnesium content, such as olivine from Norway and dunites and serpentines from Russia and India. Its name is due to Adolarius Jacob Forster (1739-1806). The application of olivine rock in the field of refractory materials began as early as 1925 by Goldschmidt [Singer, F. and Singer S., Industrial Ceramics, Vols. 1, 2 and 3, Ed Urmo, Barcelona, 1971]. It should then be referred to as an "olivine refractory" since olivine is the original raw material, but the term "forsterite refractory" is nevertheless often applied as the end product of manufacture. The raw materials most commonly used to obtain forsterite are olivine from Norway and dunite and serpentine from Russia and India.
La roca natural olivino es de color verde oliva, al que alude su nombre del latín “oliva”, se compone de cristales mixtos de forsterita y fayalita (silicato de hierro FeO.SiO 2 ), junto con pequeñas cantidades de serpentina y, a veces, talco, variando las proporciones relativas de las diferentes fases minerales con la procedencia de la roca, de ahí que se den composiciones como (Mg 0 . 9 Fe 0 . 1 ) 2 SiO 4 [Alper, A.M., Refractory Materials, Vol. 5: High-Temperature oxides, Part I: Magnesia, Lime and Chrome Refractories, Academia Press, New York and London, 1970]. La única fase mineral con propiedades como refractario es la forsterita, siendo la fayalita un constituyente de las escorias metalúrgicas de hierro; el talco y la serpentina producen cantidades importantes de fase líquida por encima de 1500 °C, lo que repercute desfavorablemente en la refractariedad del material, más aún si se somete a una carga o esfuerzos termomecánicos [Ford, W.F., The Effect of Heat on Ceramics, Text-Book Series, Ed MacLaren and Sons Ltd., London, 1978].The natural rock olivine is olive green in color, to which its name from the Latin "olive" alludes, it is composed of mixed crystals of forsterite and fayalite (iron silicate FeO.SiO 2 ), together with small amounts of serpentine and sometimes , talc, varying the relative proportions of the different mineral phases with the origin of the rock, hence compositions such as (Mg 0 . 9 Fe 0 . 1 ) 2 SiO 4 [Alper, AM, Refractory Materials, Vol. 5 : High-Temperature oxides, Part I: Magnesia, Lime and Chrome Refractories, Academy Press, New York and London, 1970]. The only mineral phase with refractory properties is forsterite, with fayalite being a constituent of metallurgical iron slag; Talc and serpentine produce significant amounts of liquid phase above 1500 °C, which adversely affects the refractoriness of the material, even more so if it is subjected to a load or thermomechanical stresses [Ford, WF, The Effect of Heat on Ceramics , Text-Book Series, Ed MacLaren and Sons Ltd., London, 1978].
Los materiales refractarios de forsterita no poseen, además, una reactividad apreciable con los de magnesita, son de muy baja conductividad térmica y pueden usarse en combinación con los refractarios de magnesita y cromo-magnesita hasta 1500 °C, con refractarios de alta alúmina hasta 1500 °C y con dolomita hasta 1400 °C, con buenas propiedades termomecánicas. El olivino con alto contenido en forsterita es un material refractario muy útil y al no presentar contracciones ni expansiones notables por tratamiento térmico (de -1 a 0 %, comparado con - 60 % para magnesita, -15 % para arcilla refractaria y 15 % para cuarcita), ni tampoco modificaciones cristalinas o desprendimiento de gases durante el proceso térmico, se puede cortar de la roca natural en la forma deseada y utilizarse directamente para los fondos o superficies de los hornos, hornos de calentamiento y otras aplicaciones en las que sea útil un tipo de refractario sin apenas porosidad. También se puede utilizar el olivino triturado y moldeado según interese aplicar [Alper, A.M., Refractory Materials, Vol. 5: High-Temperature oxides, Part I: Magnesia, Lime and Chrome Refractories, Academic Press, New York and London, 1970]. En general, el punto de fusión de un buen material refractario de forsterita se situaría sobre 1700 -1900 °C, según las impurezas presentes. Se suelen añadir aglomerantes adecuados para mantener unidas las partículas del refractario, como son cromita y magnesita caústica. Como requisito técnico, un verdadero “refractario de forsterita” debería ser aquél en el cual este silicato está presente en gran proporción como ortosilicato de magnesio (de composición química 2 MgO.SiO 2 ) y el hierro en forma de compuestos de tipo no silíceos, tal y como, por ejemplo, ferrita de magnesio ó magnesioferrita, para lo cual se adiciona óxido de magnesio. Pueden existir otras fases cristalinas, como la periclasa (MgO), enstatita y espinela.Furthermore, forsterite refractories do not have appreciable reactivity with magnesite, they have very low thermal conductivity and can be used in combination with magnesite and chrome-magnesite refractories up to 1500 °C, with high alumina refractories up to 1500 °C and with dolomite up to 1400 °C, with good thermomechanical properties. Olivine with a high forsterite content is a very useful refractory material and as it does not present notable contractions or expansions by heat treatment (from -1 to 0%, compared to -60% for magnesite, -15% for refractory clay and 15% for quartzite), nor crystalline modifications or evolution of gases during the thermal process, can be cut from the natural rock in the desired shape and used directly for the bottoms or surfaces of furnaces, heating furnaces and other applications in which it is useful a type of refractory with hardly any porosity. Olivine can also be used crushed and molded according to interest to apply [Alper, AM, Refractory Materials, Vol. 5: High-Temperature oxides, Part I: Magnesia, Lime and Chrome Refractories, Academic Press, New York and London, 1970]. In general, the melting point of a good forsterite refractory material would be around 1700 -1900 °C, depending on the impurities present. Suitable binders are usually added to hold the refractory particles together, such as chromite and caustic magnesite. As a technical requirement, a true "forsterite refractory" should be one in which this silicate is present in large proportion as magnesium orthosilicate (chemical composition 2 MgO.SiO 2 ) and iron in the form of non-silicon type compounds, such as, for example, magnesium ferrite or magnesium ferrite, for which magnesium oxide is added. Other crystalline phases may exist, such as periclase (MgO), enstatite, and spinel.
Una composición típica de este tipo de materiales refractarios de forsterita sería aquél con 45 51 % en peso de MgO y 40-43 % de SiO 2 como componentes mayoritarios, junto a 7-8 % de Fe 2 O 3 , 0,2-0,8 % de CaO y 1,8-2 % de otros óxidos como cromo, titanio, aluminio, níquel y cobalto. No debe presentar una apreciable pérdida de peso por calcinación, pues una cierta proporción indicaría la presencia de silicatos con agua estructural no eliminada, como la serpentina [Watson, I., Industrial Minerals 1981 Refractories Survey, Ed B.M. Coope and E.M. Dickson, Metal Bulletin Ltd., 1981; Harben, P., The Industrial Minerals HandyBook 2nd Edition, Guide to Markets, Specifications & Prices, Ed Warwick Printing Company Ltd., England, 1995]. Materiales refractarios aislantes de forsterita, con porosidad total 44-70 %, se han obtenido a partir de mezclas de una roca ígnea compuesta casi enteramente de olivino y denominada dunita, con magnesita, estudiando la influencia de las materias primas de partida sobre las propiedades de los refractarios obtenidos [Stamenkovic, I., and Sigulinski, F., Proc. 3rd. Int. Meeting Modern Ceramics and Technologies, Rimini, Italia, 1976, 27-31].A typical composition of this type of forsterite refractory materials would be that with 45-51% by weight of MgO and 40-43% of SiO 2 as major components, together with 7-8% of Fe 2 O 3 , 0.2-0 .8% CaO and 1.8-2% other oxides such as chromium, titanium, aluminum, nickel and cobalt. It should not present an appreciable weight loss on calcination, since a certain proportion would indicate the presence of silicates with structural water not removed, such as serpentine [Watson, I., Industrial Minerals 1981 Refractories Survey, Ed BM Coope and EM Dickson, Metal Bulletin Ltd., 1981; Harben, P., The Industrial Minerals HandyBook 2nd Edition, Guide to Markets, Specifications & Prices, Ed Warwick Printing Company Ltd., England, 1995]. Forsterite insulating refractory materials, with total porosity 44-70%, have been obtained from mixtures of an igneous rock composed almost entirely of olivine and called dunite, with magnesite, studying the influence of the starting raw materials on the properties of the refractories obtained [Stamenkovic, I., and Sigulinski, F., Proc. 3rd. Int. Meeting Modern Ceramics and Technologies, Rimini, Italy, 1976, 27-31].
En España se han logrado preparar y estudiar materiales refractarios de forsterita desde los años 70 del pasado siglo a partir de mezclas de serpentinas españolas, a veces magnéticas (al contener magnetita Fe 3 O 4 ), y diversas magnesitas comerciales, comparando los materiales obtenidos con refractarios típicos de la bibliografía [Aleixandre, V. y González, J. Ma, Bol. Soc. Esp. Ceram. V., 1972, 11, 3-10]. En estas investigaciones, además de realizar un exhaustivo estudio bibliográfico sobre el estado de la técnica en cuanto a la obtención de forsterita hasta los años sesenta [Aleixandre, V. y González, J.Ma, Bol. Soc. Esp. Ceram. V. 1963, 2, 425-444; idem., Bol. Soc. Esp. Ceram. V. 1967, 6, 19-42], se analizó el efecto de diversos mineralizadores sobre la síntesis de forsterita y se puso de manifiesto que es posible utilizar los refractarios de forsterita en hornos donde se tratan sustancias sensibles a la acción de la sílice, al contrario de lo que ocurre con los silicoaluminosos.In Spain, forsterite refractory materials have been prepared and studied since the 1970s from mixtures of Spanish serpentines, sometimes magnetic (containing Fe 3 O 4 magnetite), and various commercial magnesites, comparing the materials obtained with typical refractories in the literature [Aleixandre, V. and González, J. Ma, Bol. Soc. Esp. Ceram. See, 1972, 11, 3-10]. In these investigations, in addition to carrying out an exhaustive bibliographical study on the state of the art in terms of obtaining forsterite up to the sixties [Aleixandre, V. and González, J.Ma, Bol. Soc. Esp. Ceram. See 1963, 2, 425-444; idem., Bol. Soc. Esp. Ceram. V. 1967, 6, 19-42], the effect of various mineralizers on the synthesis of forsterite was analyzed and it was revealed that it is possible to use forsterite refractories in furnaces where substances sensitive to the action of forsterite are treated. silica, contrary to what occurs with silicoaluminous.
Los refractarios de forsterita también son de utilidad para recubrir las paredes de las zonas de cocción de los hornos rotatorios de cemento [Baumgart, W., Silicates Ind., 1961,24, 191-197]. Asimismo, los refractarios básicos de dolomita y magnesita poseen una resistencia al ataque de escorias mucho más elevada que los de forsterita, pero poseen una conductividad térmica mayor: por tanto, aumenta la pérdida de calor de tal modo que se necesita protección con un material aislante. Los revestimientos de hornos que emplean ladrillos de forsterita no necesitan de este tipo de protección, lo cual es una clara ventaja sobre los otros materiales. Por otro lado, otra propiedad de este tipo de refractarios es de hacerse aparentemente más elásticos a temperatura elevada y, como consecuencia, los crisoles fabricados con este material no se fisuran, lo que se conoce desde hace décadas [Konopicky, K., Les matériaux de construction réfractaires, Société d’éditions scientifiques, techniques et artistiques, París, 1961; Wecht, P., Sprechsaal, 1962, 95, 275-278]. Se ha indicado su uso en hornos rotatorios de cemento y regeneradores de hornos (horno Martin) y en la industria del vidrio, en este caso se emplea en recuperadores de hornos de vidrio, así como en la metalurgia del cobre y del plomo [Aleixandre, V., Bol. Soc. Esp. Ceram. V., 1962, 1, 255-258; Aleixandre, V. y González, J.Ma, Bol. Soc. Esp. Ceram. V. 1967, 6, 19-42].Forsterite refractories are also useful for lining the walls of the firing zones of cement rotary kilns [Baumgart, W., Silicates Ind., 1961, 24, 191-197]. Also, basic dolomite and magnesite refractories have a much higher resistance to slag attack than forsterite, but have a higher thermal conductivity: therefore, heat loss increases to such an extent that protection with an insulating material is needed. . Kiln linings that use forsterite bricks do not need this type of protection, which is a clear advantage over other materials. On the other hand, another property of this type of refractory is that it apparently becomes more elastic at high temperatures and, as a consequence, the crucibles made with this material do not crack, which has been known for decades [Konopicky, K., Les matériaux de construction réfractaires, Société d'éditions scientifiques, techniques et artistiques, Paris, 1961; Wecht, P., Sprechsaal, 1962, 95, 275-278]. Its use has been indicated in rotary cement kilns and kiln regenerators (Martin kiln) and in the glass industry, in this case it is used in glass kiln recuperators, as well as in copper and lead metallurgy [Aleixandre, V., Bol. Soc. Esp. Ceram. See, 1962, 1, 255-258; Aleixandre, V. and González, J.Ma, Bol. Soc. Esp. Ceram. See 1967, 6, 19-42].
Asimismo, se han obtenido materiales cerámicos de forsterita y porcelanas de forsterita mediante reacción de óxido de magnesio con materias primas que contienen silicatos de magnesio, como son serpentina o bien talco [Kock, W.J. and Berry, J., Ceramic Industry, 1963, 80, 68-69; Harman, R., Lebeda, S. and Slosiar, J., Silikaty, 1968, 12, 19-28], comenzando una reacción en estado sólido a 1000 °C que se hace cuantitativa a 1200 °C, siguiendo el siguiente esquema (1-4):Likewise, forsterite ceramics and forsterite porcelains have been obtained by reacting magnesium oxide with raw materials containing magnesium silicates, such as serpentine or talc [Kock, W.J. and Berry, J., Ceramic Industry, 1963, 80, 68-69; Harman, R., Lebeda, S. and Slosiar, J., Silikaty, 1968, 12, 19-28], starting a reaction in the solid state at 1000 °C that becomes quantitative at 1200 °C, following the following scheme ( 1-4):
1) la serpentina, de fórmula Si 4 Mg 6 O 10 (OH )8 se descompone en forsterita y sílice con eliminación del agua estructural del silicato.1) Serpentine, with the formula Si 4 Mg 6 O 10 (OH )8 decomposes into forsterite and silica with elimination of the structural water from the silicate.
2) la sílice se combina con el óxido de magnesio para dar más forsterita.2) Silica combines with magnesium oxide to give more forsterite.
3) el talco, de fórmula Si 8 Mg 6 O 20 (OH )4 se descompone en enstatita y sílice con eliminación de agua estructural.3) Talc, with the formula Si 8 Mg 6 O 20 (OH ) 4 decomposes into enstatite and silica with elimination of structural water.
4) la enstatita y sílice se combinan por reacción con óxido de magnesio para dar lugar a forsterita, de punto de fusión cuando es una fase pura de 1910 °C, como producto final de dicha reacción de una forma cuantitativa.4) enstatite and silica combine by reaction with magnesium oxide to give rise to forsterite, with a melting point of 1910 °C when it is a pure phase, as the final product of said reaction in a quantitative way.
Así, por ejemplo, se ha estudiado la síntesis de materiales refractarios utilizando también residuos de serpentina con adición de MgO [Scheng, T.W., Ding, Y.C., Chiu, J.P., Minerals Engineering, 2002, 15, 271-275]. Por otra parte, pueden darse sustituciones iónicas en los cristales de forsterita que se forman por reacciones químicas en estado sólido, de tal modo que el magnesio puede ser reemplazado por calcio y por hierro, con variaciones de composición como Ca(Mg,Fe)SiO 4 según se ha demostrado mediante análisis químico de refractarios magnésicos [Lampropolou, P.G., Katagas, C.G. and Papamentellos, D.C., J. Am. Ceram. Soc., 2005, 88, 1568-1574]. Asimismo, es importante mencionar que el olivino y la forsterita se reducen por el carbono a temperaturas superiores a 1630 °C, así como por ferrosilicio y carburo de calcio, entre otros compuestos, dando lugar a la formación de vapores de magnesio y monóxido de silicio, también volátil. El propio hierro puede sustituir también al magnesio en los cristales de forsterita a temperaturas elevadas [Smith, P.L., Liddle, J. and White, J., Trans. J. Br. Ceram. Soc., 1985, 84, 62-69], aunque el hierro fundido parece que no afecta a los refractarios de forsterita hasta los 1800 °C [Gilghrist, J., Combustibles y Refractarios, Ed Alhambra, Madrid, 1967]. La forsterita puede producirse a partir de talco pero en presencia de carbono, mediante un proceso de reducción carbotérmica (carborreducción) y nitruración reactiva, en atmósfera de nitrógeno, lo que da lugar a la formación a su vez de nitruros y oxinitruros [Sugahara, Y., Fukaishi, A., Kuroda, K. and Kato, C., Clay Science, 1987, 29-35].Thus, for example, the synthesis of refractory materials has been studied using also serpentine residues with MgO addition [Scheng, TW, Ding, YC, Chiu, JP, Minerals Engineering, 2002, 15, 271-275]. On the other hand, ionic substitutions can occur in the forsterite crystals that are formed by chemical reactions in the solid state, in such a way that magnesium can be replaced by calcium and iron, with composition variations such as Ca(Mg,Fe)SiO 4 as demonstrated by chemical analysis of magnesium refractories [ Lampropolou, PG, Katagas, CG and Papamentellos, DC, J. Am. Ceram. Soc., 2005, 88, 1568-1574]. Likewise, it is important to mention that olivine and forsterite are reduced by carbon at temperatures above 1630 °C, as well as by ferrosilicon and calcium carbide, among other compounds, giving rise to the formation of magnesium and silicon monoxide vapors. , also volatile. Iron itself can also replace magnesium in forsterite crystals at elevated temperatures [Smith, PL, Liddle, J. and White, J., Trans. J.Br. Ceram. Soc., 1985, 84, 62-69], although cast iron does not seem to affect forsterite refractories up to 1800 °C [Gilghrist, J., Combustibles y Refractarios, Ed Alhambra, Madrid, 1967]. Forsterite can be produced from talc but in the presence of carbon, through a process of carbothermal reduction (carboreduction) and reactive nitriding, in a nitrogen atmosphere, which in turn gives rise to the formation of nitrides and oxynitrides [Sugahara, Y ., Fukaishi, A., Kuroda, K. and Kato, C., Clay Science, 1987, 29-35].
La Patente española ES 2080650 describe un procedimiento de preparación de nitruros y oxinitruros de silicio, aluminio y magnesio a partir de un silicato hidroxilado con aluminio y magnesio en su estructura (vermiculita) mediante reducción carbotérmica y nitruración.Spanish Patent ES 2080650 describes a process for preparing silicon, aluminum and magnesium nitrides and oxynitrides from a hydroxylated silicate with aluminum and magnesium in its structure (vermiculite) by means of carbothermal reduction and nitriding.
Es importante mencionar en el estado de la técnica que la reacción directa en estado sólido entre los dos óxidos de alta pureza, el dióxido de silicio o sílice SiO 2 y el óxido de magnesio o periclasa MgO, para dar lugar a forsterita ha sido estudiada hasta 1500 °C [Ford, W.F., The effect of heat on ceramics, Institute of Ceramics Textbook Series, McLaren and Sons Ltd., London, 1967; Alper, A.M., Refractory Materials, Vol. 5: High-Temperature oxides, Part I: Magnesia, Lime and Chrome Refractories, Academic Press, New York and London, 1970]. Se ha encontrado que, aunque son lentas las reacciones químicas sólido-sólido, se forman dos silicatos, de fórmula Mg 2 SiO 4 (forsterita, 2MgO.SiO2 y punto de fusión 1910 °C) y enstatita MgSiO 3 (MgO.SiO 2 y punto de fusión 1550 °C), como predice el diagrama de fases binario, con cantidades residuales de los dos óxidos sin reaccionar. Sólo se produce la fase de mayor punto de fusión, forsterita, en proporción mayoritaria manteniendo la temperatura de 1500 °C durante largos períodos de tiempo (superiores a 1 hora), además dependiendo de diversos factores, como es la naturaleza y composición química de las materias primas de partida, formándose incluso una delgada capa de la fase enstatita entre forsterita y sílice, fase que después va reaccionando con MgO para originar por reacción y difusión más forsterita [Brindley, G.W. and Hayami, R., Philosophical Magazine, 1965, 12, 505-512; Mikhail, S.A. and King, P.E., Thermochimica Acta, 1992, 207, 95-102].It is important to mention in the state of the art that the direct reaction in the solid state between the two high purity oxides, silicon dioxide or silica SiO 2 and magnesium oxide or periclase MgO, to give rise to forsterite has been studied until 1500 °C [Ford, WF, The effect of heat on ceramics, Institute of Ceramics Textbook Series, McLaren and Sons Ltd., London, 1967; Alper, AM, Refractory Materials, Vol. 5: High-Temperature oxides, Part I: Magnesia, Lime and Chrome Refractories, Academic Press, New York and London, 1970]. It has been found that, although solid-solid chemical reactions are slow, two silicates are formed, with the formula Mg 2 SiO 4 (forsterite, 2MgO.SiO2 and melting point 1910 °C) and enstatite MgSiO 3 (MgO.SiO 2 and melting point 1550 °C), as predicted by the binary phase diagram, with residual amounts of the two oxides unreacted. Only the phase with the highest melting point, forsterite, is produced in a majority proportion, maintaining a temperature of 1500 °C for long periods of time (over 1 hour), also depending on various factors, such as the nature and chemical composition of the starting raw materials, even forming a thin layer of the enstatite phase between forsterite and silica, a phase that then it reacts with MgO to give rise by reaction and diffusion to more forsterite [Brindley, GW and Hayami, R., Philosophical Magazine, 1965, 12, 505-512; Mikhail, SA and King, PE, Thermochimica Acta, 1992, 207, 95-102].
La patente norteamericana US 4977024 describe la preparación de un gránulo de óxido de magnesio recubierto de forma continua y uniforme con sílice o forsterita para su aplicación como relleno con resinas en electrónica, con excelentes propiedades aislantes y elevada resistencia al deterioro.The North American patent US 4977024 describes the preparation of a magnesium oxide granule coated continuously and uniformly with silica or forsterite for its application as a filler with resins in electronics, with excellent insulating properties and high resistance to deterioration.
La forsterita también se ha logrado obtener en condiciones de laboratorio a partir de nitrato de magnesio hexahidratado como precursor del óxido MgO y una materia prima de sílice, como es el "Cabosil 600”, un gel de sílice comercial de alta superficie específica, descomponiendo primero el nitrato y con tratamientos térmicos prolongados a 1500 K durante tres días, enfriamiento, mezclado con agua, posterior molienda y tratamiento térmico final a 1550 K [Ball, M.C. and Sutherland, I., J. Mater. Chem., 1995, 5, 1459-1462].Forsterite has also been obtained under laboratory conditions from magnesium nitrate hexahydrate as a precursor of MgO oxide and a silica raw material, such as "Cabosil 600", a commercial silica gel with a high specific surface area, first decomposing nitrate and with prolonged heat treatments at 1500 K for three days, cooling, mixing with water, subsequent grinding and final heat treatment at 1550 K [Ball, M.C. and Sutherland, I., J. Mater. Chem., 1995, 5, 1459-1462].
Durante las últimas décadas, la preparación de materiales cerámicos con alto contenido en forsterita ha experimentado un cierto desarrollo teniendo en cuenta el procesado de tipo solgel y la formación de nanocomposites y materiales multifásicos [Brinker, C.J., Clark, D.E. and Ulrich, D.R., eds., Better Ceramics through Chemistry, Vol. 3, Ed Elsevier, Ámsterdam, 1987; Hench, L.L. and West, J.K., Chem. Rev., 1990, 90, 33-72]. De este modo, se han preparado y densificado materiales cerámicos de forsterita obtenidos a partir de precursores reactivos, partiendo de nitrato de magnesio, etanol absoluto y un alcóxido de silicio a 60 °C, con agitación hasta que se produce la formación de un sol; después éste gelifica, se trata a 100 °C y se calcina a 400 °C y después a 1200 °C y 1500 °C. Se obtienen materiales con forsterita en proporción mayoritaria, con densidades de 97 % de la teórica, partiendo de geles difásicos y 91 % de geles monofásicos, pero teniendo que someter a tratamiento térmico el material a 1200 °C durante 30 horas para eliminar la enstatita [Kazakos, A., Komarmeni, S. and Roy, R., Mater. Letters, 1990, 9, 405-409]. En definitiva, largos y diversos tratamientos térmicos de los precursores.During the last decades, the preparation of ceramic materials with a high forsterite content has undergone a certain development considering solgel-type processing and the formation of nanocomposites and multiphase materials [Brinker, C.J., Clark, D.E. and Ulrich, D.R., eds., Better Ceramics through Chemistry, Vol. 3, Ed Elsevier, Amsterdam, 1987; Hench, L. L. and West, J.K., Chem. Rev., 1990, 90, 33-72]. In this way, forsterite ceramic materials obtained from reactive precursors have been prepared and densified, starting with magnesium nitrate, absolute ethanol and a silicon alkoxide at 60 °C, with stirring until a sol is formed; then it gels, is treated at 100 °C and calcined at 400 °C and then at 1200 °C and 1500 °C. Materials with forsterite are obtained in a majority proportion, with densities of 97 % of the theoretical, starting from diphasic gels and 91 % from monophasic gels, but having to subject the material to heat treatment at 1200 °C for 30 hours to eliminate enstatite [ Kazakos, A., Komarmeni, S. and Roy, R., Mater. Letters, 1990, 9, 405-409]. In short, long and diverse heat treatments of the precursors.
Con este procedimiento sol-gel, partiendo de alcóxidos, empleado ácido acético para un mezclado más íntimo, y en condiciones apropiadas para conformar el gel obtenido en forma de fibras, también se han logrado preparar a nivel de laboratorio fibras de forsterita nanocristalina que cristalizan a temperaturas tan bajas como 550 °C, con un crecimiento de grano a 800 °C, lo que da lugar a cristales de 20-30 nanómetros pero que precisan de un tratamiento final a 1300 °C [Tsai, M.T., Materials Research Bulletin, 2002, 37, 2213-2226; Tsai, M.T., J. Am. Ceram. Soc., 2002, 85, 453-458].With this sol-gel procedure, starting from alkoxides, using acetic acid for more intimate mixing, and under appropriate conditions to form the gel obtained in the form of fibers, it has also been possible to prepare nanocrystalline forsterite fibers at the laboratory level that crystallize at temperatures as low as 550 °C, with grain growth at 800 °C, which gives rise to crystals of 20-30 nanometers but which require a final treatment at 1300 °C [Tsai, MT, Materials Research Bulletin, 2002, 37, 2213-2226; Tsai, MT, J. Am. Ceram. Soc., 2002, 85, 453-458].
La síntesis de forsterita sin que contenga enstatita también ha sido conseguida en el estado de la técnica mediante la obtención de precursores poliméricos organometálicos de tipo poli(metacrilato), vía copolimerización de sales alcalinas del ácido metacrílico, con varias combinaciones de siloxano-metacrilato y metoxi-silil-metacrilato con metacrilato de magnesio, dando lugar a una conversión de los óxidos precursores durante la pirólisis en aire que origina rendimientos del 77 % del teórico [Hogan, M., Martin, E., Ober, C.K., Hubbard, C.R., Porter, W.D. and Cavin, O.B., J. Am. Ceram. Soc., 1992, 75, 1831-1838]. Asimismo, en la síntesis de forsterita y enstatita por la vía sol-gel, se ha empleado incluso el propio metal magnesio y tetrametoxisilano o tetraetoxisilano, en diversas relaciones molares, en presencia de ácido clorhídrico como catalizador de la reacción de hidrólisis, de tal modo que la forsterita cristaliza a 500 °C [Ban, T., Ohya, Y. and Takashi, Y., J. Am. Ceram. Soc., 1999, 82, 22-26]. Otros procedimientos por la vía sol-gel son de interés en la obtención de partículas nanoestructuradas de forsterita con una estrecha distribución de tamaños de partícula [Sanosh, K.D., et al., J. Alloys Comp., 2010, 495, 113-115] o bien por un método modificado mediante la vía sol-gel combinada con un tratamiento de molienda seguido de tratamiento térmico a 600-1000 °C [Mirhadi, S.M., et al., Ceram. Int., 2016, 42, 7974-7979].The synthesis of forsterite without containing enstatite has also been achieved in the state of the art by obtaining organometallic polymeric precursors of the poly(methacrylate) type, via copolymerization of alkaline salts of methacrylic acid, with various combinations of siloxane-methacrylate and methoxy -silyl-methacrylate with magnesium methacrylate, giving rise to a conversion of the precursor oxides during pyrolysis in air that causes yields of 77% of theory [Hogan, M., Martin, E., Ober, C.K., Hubbard, C.R., Porter, W.D. and Cavin, O.B., J. Am. Ceram. Soc., 1992, 75, 1831-1838]. Likewise, in the synthesis of forsterite and enstatite by the sol-gel route, even magnesium metal itself and tetramethoxysilane or tetraethoxysilane have been used, in various molar ratios, in the presence of hydrochloric acid as a catalyst for the hydrolysis reaction, thus that forsterite crystallizes at 500 °C [Ban, T., Ohya, Y. and Takashi, Y., J. Am. Ceram. Soc., 1999, 82, 22-26]. Other procedures by the sol-gel route are of interest in obtaining nanostructured forsterite particles with a narrow particle size distribution [Sanosh, K.D., et al., J. Alloys Comp., 2010, 495, 113-115] or by a modified method using the sol-gel route combined with a grinding treatment followed by heat treatment at 600-1000 °C [Mirhadi, S.M., et al., Ceram. Int., 2016, 42, 7974-7979].
Un renovado interés en la preparación de materiales cerámicos de forsterita se produjo en 1987 debido al descubrimiento técnico de las propiedades ópticas, como materiales de tipo LASER, de cristales de forsterita conteniendo, aproximadamente, un 0,4 % atómico de Cromo, en el rango cercano al infrarrojo de 1,167-1,345 |jm. Las especies activas son los iones Cr(IV) que ocupan posiciones tetraédricas en el cristal de forsterita. Ello ha supuesto un desarrollo de gran interés técnico [Burlich, J.M., Beeman, M.L., Riley, B. and Kohlstedt, D.L., Chem. Mater., 1991, 3, 692-698; Park, D.G., Burlich, J.M., Geray, R.F., Dieckmann, R., Barber, D.B. and Pollock, C.R., Chem. Mater., 1993, 5, 518-524; Beecroft, L.L. and Ober, C.K., Adv. Mater., 1995, 7, 1009-1012]. De este modo se ha logrado obtener nanopartículas de forsterita dopadas con Cromo mediante pirólisis de un precursor por evaporación, condensación y oxidación empleando alta temperatura en fase gaseosa [Tani, T., Saeki, S., Suzuki, T. and Ohishi, Y., J. Am. Ceram. Soc., 2007, 90, 805-808].A renewed interest in the preparation of forsterite ceramic materials occurred in 1987 due to the technical discovery of the optical properties, as LASER-type materials, of crystals of forsterite containing approximately 0.4 atomic % Chromium, in the range near infrared of 1,167-1,345 |jm. The active species are the Cr(IV) ions that occupy tetrahedral positions in the forsterite crystal. This has meant a development of great technical interest [Burlich, JM, Beeman, ML, Riley, B. and Kohlstedt, DL, Chem. Mater., 1991, 3, 692-698; Park, DG, Burlich, JM, Geray, RF, Dieckmann, R., Barber, DB and Pollock, CR, Chem. Mater., 1993, 5, 518-524; Beecroft, LL and Ober, CK, Adv. Mater., 1995, 7, 1009-1012]. In this way, it has been possible to obtain Chromium-doped forsterite nanoparticles by pyrolysis of a precursor by evaporation, condensation and oxidation using high temperature in the gas phase [Tani, T., Saeki, S., Suzuki, T. and Ohishi, Y. , J. Am. Ceram. Soc., 2007, 90, 805-808].
La patente norteamericana US 6632757 de 14 de octubre de 2003 describe la preparación de un material vitrocerámico de forsterita a partir de un precursor vítreo que puede ser dopado con 1 % de Cromo para dar lugar a una actividad óptica del mismo. US Pat. No. 6,632,757 of October 14, 2003 describes the preparation of a forsterite glass-ceramic material from a glassy precursor that can be doped with 1% Chromium to give rise to its optical activity.
Partiendo de precursores organometálicos del tipo polimetacrilato, ya mencionados anteriormente, utilizados en la síntesis de forsterita, también se han preparado este tipo de materiales de forsterita dopados con cromo de interés por sus aplicaciones en tecnología LÁSER [Hogan, M., Martin, E., Ober, C.K., Hubbard, C.R., Porter, W.D. and Cavin, O.B., J. Am. Ceram. Soc., 1992, 75, 1831-1838; Park, D.G., Hogan, M., Martin, E., Ober, C.K., Burlitch, J.M., Cavin, O.B., Porter, W.D. and Hubbard, C.R., J. Am. Ceram. Soc., 1994, 77, 33-40].Starting from organometallic precursors of the polymethacrylate type, already mentioned above, used in the synthesis of forsterite, this type of chromium-doped forsterite materials of interest for their applications in LASER technology have also been prepared [Hogan, M., Martin, E. , Ober, C.K., Hubbard, C.R., Porter, W.D. and Cavin, O.B., J. Am. Ceram. Soc., 1992, 75, 1831-1838; Park, D.G., Hogan, M., Martin, E., Ober, C.K., Burlitch, J.M., Cavin, O.B., Porter, W.D. and Hubbard, C.R., J. Am. Ceram. Soc., 1994, 77, 33-40].
Por otra parte, los materiales cerámicos de forsterita son difíciles de sinterizar [Shiono, T., Sato, R., Shiomi, H., Minagi, T., and Nishida, T., J. Soc. Mater. Sci. Japan, 1999, 48, 554-558] y de ahí la porosidad que presentan. No obstante, investigadores japoneses han conseguido la síntesis de materiales cerámicos de forsterita de alta densidad y transparentes utilizando precursores de tamaño nanométrico y elevada superficie específica, estudiando el efecto de la temperatura de sinterización, variación en el tamaño de partícula y grado de dispersión de dos precursores hidroxilados de óxido de magnesio en el material finalmente obtenido, con tratamientos térmicos hasta 1700 °C durante 10 horas [Sano, S., Saito, N., Matsuda, S., OACI, N., Haneda, H., Arita, Y. and Takemoto, M., J. Am. Ceram. Soc., 2006, 89, 568-574].On the other hand, forsterite ceramics are difficult to sinter [Shiono, T., Sato, R., Shiomi, H., Minagi, T., and Nishida, T., J. Soc. Mater. Sci. Japan, 1999, 48, 554-558] and hence the porosity they present. However, Japanese researchers have achieved the synthesis of high-density and transparent forsterite ceramic materials using nanometer-sized precursors and high specific surface area, studying the effect of sintering temperature, variation in particle size, and degree of dispersion of two hydroxylated magnesium oxide precursors in the material finally obtained, with heat treatments up to 1700 °C for 10 hours [Sano, S., Saito, N., Matsuda, S., ICAO, N., Haneda, H., Arita, Y. and Takemoto, M., J. Am. Ceram. Soc., 2006, 89, 568-574].
Asimismo, materiales cerámicos conteniendo forsterita ya se consideraron con antelación también como potenciales aisladores de alta frecuencia [Ghosh, P.K. and Das, A.R., Trans. Indian Ceram. Soc., 1979, 38, 758-762] y para su aplicación como sustratos de resistencias en forma de películas delgadas [Somogyi, A. and Szebeni, S., 13th Szilikatip. Szilikattu Konference, Budapest, 1981, 290-295]. Los materiales cerámicos de forsterita muestran excelentes propiedades dieléctricas en el campo de las microondas, pero la variación en la frecuencia de resonancia con la temperatura limita sus aplicaciones prácticas, por lo que se han modificado mediante adición de óxido de titanio a los óxidos de magnesio y silicio (99,9% de pureza), utilizados como materias primas, lo que también altera su sinterización y propiedades dieléctricas [Tsunooka, T., Andréu, M., Higashida, Y., Sugiura, H. and Ohsato, H., J. Eur. Ceram. Soc., 2003, 23, 2573-2578]; o bien mediante sustitución de magnesio por calcio y manganeso para lograr mejorar estas propiedades [Sugiyama, T., Tsunooka, T., Kakimoto, K. and Ohsato, H., J. Eur. Ceram. Soc., 2006, 26, 2097-2100], incluso con adición de borosilicato de litio a materiales de forsterita obtenidos por síntesis de precursores de MgO y SiO 2 tratados a 1350 °C durante 4 horas [Sasikala, T.S., et al., J. Alloys Comp., 2008, 461, 555-559].Likewise, forsterite-containing ceramic materials have already been considered in advance also as potential high-frequency insulators [Ghosh, PK and Das, AR, Trans. Indian Ceramic. Soc., 1979, 38, 758-762] and for their application as resistor substrates in the form of thin films [Somogyi, A. and Szebeni, S., 13th Szilikatip. Szilikattu Konference, Budapest, 1981, 290-295]. Forsterite ceramics show excellent dielectric properties in the microwave field, but the variation in resonance frequency with temperature limits their practical applications, so they have been modified by adding titanium oxide to magnesium oxides and silicon (99.9% purity), used as raw materials, which also alters their sintering and dielectric properties [Tsunooka, T., Andréu, M., Higashida, Y., Sugiura, H. and Ohsato, H., J. Eur. Ceram. Soc., 2003, 23, 2573-2578]; or by replacing magnesium with calcium and manganese to improve these properties [Sugiyama, T., Tsunooka, T., Kakimoto, K. and Ohsato, H., J. Eur. Ceram. Soc., 2006, 26, 2097-2100], even with addition of lithium borosilicate to forsterite materials obtained by synthesis of MgO and SiO 2 precursors treated at 1350 °C for 4 hours [Sasikala, TS, et al., J. Alloys Comp., 2008, 461, 555-559].
En las últimas décadas los progresos de la moderna metalurgia y las nuevas tecnologías han llevado asociados la utilización de materiales con mejores prestaciones y, en este sentido, son importantes los materiales refractarios de alta calidad. Además de esto, la necesidad de ahorro energético precisa del uso de materiales refractarios aislantes, como pueden ser los de forsterita. Aunque la refractariedad de los materiales con forsterita en proporción mayoritaria es alta, teóricamente la forsterita funde a 1910 °C como ya se ha mencionado, su resistencia a los cambios bruscos de temperatura o choque térmico es relativamente baja [Alper, A.M., Refractory Materials, Vol. 5: High-Temperature oxides, Part I: Magnesia, Lime and Chrome Refractories, Academic Press, New York, 1970]. Para mejorar la resistencia al choque térmico de los materiales refractarios de forsterita, se han realizado diversas modificaciones en la preparación de los mismos. Una de ellas, desde investigaciones muy anteriores, ha sido emplear diversas adiciones de magnesia y rutilo, estudiando la influencia de dichas adiciones en las propiedades de los refractarios obtenidos [Ringh, R., et al., Bull. Soc. Franc. Ceram., 1957, 35, 21-35]. Otras modificaciones han conseguido una disminución de la temperatura de sinterización del refractario de forsterita y se mejoran también las propiedades con la adición de un 2 % de rutilo [Birgis, L.G. and Fahim, M.A., Ceramurgia, 1977, 315-320]. Incluso se han logrado preparar refractarios de cromo-forsterita con propiedades parecidas a los de cromo-magnesita, pero de coste inferior [Uzberg, A., Bron, V.A. and Vidrina, J.A., Ogneupory, 1970, 35, 23-31]. Una mejora importante en las propiedades mecánicas y resistencia al choque térmico de este tipo de materiales refractarios de forsterita, se ha logrado mediante su obtención a partir de silicato de zirconio (zircón) y óxido de magnesio por reacción en estado sólido, lo que da lugar a un material compuesto de forsterita y óxido de zirconio, siendo éste último el responsable de esta mejora [Yangyun, S. and Brook, R.J., Ceram. Int., 1983, 38-46].In recent decades, the progress of modern metallurgy and new technologies have associated the use of materials with better performance and, in this sense, high quality refractory materials are important. In addition to this, the need for energy savings requires the use of insulating refractory materials, such as forsterite. Although the refractoriness of materials with forsterite in the majority proportion is high, theoretically forsterite melts at 1910 °C as already mentioned, its resistance to sudden changes in temperature or thermal shock is relatively low [Alper, AM, Refractory Materials, Vol. 5: High-Temperature oxides, Part I: Magnesia, Lime and Chrome Refractories, Academic Press, New York, 1970]. To improve the resistance to thermal shock of forsterite refractories, various modifications have been made in their preparation. One of them, from much earlier research, has been to use various additions of magnesia and rutile, studying the influence of said additions on the properties of the refractories obtained [Ringh, R., et al., Bull. Soc. Franc. Ceram., 1957, 35, 21-35]. Other modifications have achieved a decrease in the sintering temperature of the forsterite refractory and the properties are also improved with the addition of 2% rutile [Birgis, LG and Fahim, MA, Ceramurgia, 1977, 315-320]. It has even been possible to prepare chromium-forsterite refractories with properties similar to those of chromium-magnesite, but at a lower cost [Uzberg, A., Bron, VA and Vidrina, JA, Ogupory, 1970, 35, 23-31]. An important improvement in the mechanical properties and resistance to thermal shock of this type of forsterite refractory materials has been achieved by obtaining it from zirconium silicate (zircon) and magnesium oxide by solid-state reaction, which gives rise to to a material composed of forsterite and zirconium oxide, the latter being responsible for this improvement [Yangyun, S. and Brook, RJ, Ceram. Int., 1983, 38-46].
En la patente norteamericana US 5204298 se describe un refractario monolítico de carácter básico con una composición química de 65-96 % de MgO y que contiene como fases cristalinas óxido de zirconio cúbico y forsterita, con porosidad aparente de 7 % o inferior, densidad de 3,2 g/cm3 y excelente resistencia a penetración y a corrosión por escorias, además de excelentes prestaciones en servicio, con aplicación en siderurgia en hornos de fabricación de acero. La patente norteamericana US 5453408 describe la preparación de una arena refractaria de alto contenido en forsterita para su uso en siderurgia, con una relación MgO:SiO 2 en peso de, al menos, 1,2, densidad de 3 g/cm3 y punto de fusión de 1610 °C, siendo de un 50 % en peso de forsterita, al menos, de 5 a 15 % de un agente con carbono, como aglomerante, y 8 a 27 % en peso de maghemita sintética. Otro tipo de composición de arena refractaria de forsterita sintética se describe en la patente norteamericana US 5576255. Por otra parte, la activación mecánica por molienda reactiva es un procedimiento de utilidad en síntesis de materiales, produciéndose reacciones mecanoquímicas. En estas reacciones mecanoquímicas se dan procesos que en otras condiciones no se llevarían a cabo y en las que intervienen tanto la deformación plástica de las partículas como el aumento de microtensiones y defectos en las mismas, incluso a nivel molecular y de enlaces químicos, que actúan en un sentido favorable para conseguir transformaciones de importancia en procesos no convencionales de estado sólido y que pueden verse más favorecidas por un tratamiento térmico posterior [Tkácová, K., Mechanical Activation of Minerals, Elsevier, Amsterdam, 1989; Yariv, S., and Lapides, I., J. Mater. Synt. Proc., 2000, 8, 223-233; Beyer, M.K., and Clausen-Schaumann, H., Chemical Reviews, 2005, 105, 2921-2948; Wieczorek-Ciurowa, K., and Gamrat, K., Mechanochemical syntheses as an example of green processes, J. Thermal Anal. Calorim., 2007, 1, 213-217; Baláz, P., et al., Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 7571-7637].The North American patent US 5204298 describes a basic monolithic refractory with a chemical composition of 65-96% MgO and containing cubic zirconium oxide and forsterite as crystalline phases, with apparent porosity of 7% or less, density of 3 .2 g/cm3 and excellent resistance to penetration and corrosion by slag, in addition to excellent performance in service, with application in the steel industry in steel manufacturing furnaces. The North American patent US 5453408 describes the preparation of a refractory sand with a high forsterite content for use in the steel industry, with a MgO:SiO 2 ratio by weight of at least 1.2, a density of 3 g/cm3 and a point of melting at 1610 °C, being 50% by weight of forsterite, at least 5 to 15% of an agent with carbon, as a binder, and 8 to 27% by weight of synthetic maghemite. Another type of synthetic forsterite refractory sand composition is described in US Pat. No. 5,576,255. On the other hand, mechanical activation by reactive grinding is a useful procedure in materials synthesis, producing mechanochemical reactions. In these reactions In mechanochemical processes, processes occur that would not take place under other conditions and in which both the plastic deformation of the particles and the increase in microstresses and defects in them are involved, even at the molecular level and chemical bonds, which act in one direction. favorable for achieving important transformations in unconventional solid-state processes and that can be more favored by subsequent heat treatment [Tkácová, K., Mechanical Activation of Minerals, Elsevier, Amsterdam, 1989; Yariv, S., and Lapides, I., J. Mater. Synth. Proc., 2000, 8, 223-233; Beyer, MK, and Clausen-Schaumann, H., Chemical Reviews, 2005, 105, 2921-2948; Wieczorek-Ciurowa, K., and Gamrat, K., Mechanochemical syntheses as an example of green processes, J. Thermal Anal. Calorim., 2007, 1, 213-217; Baláz, P., et al., Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 7571-7637].
En concreto, en la síntesis de forsterita empleando este tipo de tratamiento, se han empleado diversos precursores inorgánicos, como son sílice amorfa y carbonato de magnesio [Fathi, M.H. and Kharaziha, M., Mater. Letters, 2008, 62, 4306-4309], además de talco de alta pureza y carbonato de magnesio [Tavangarian, F. and Emadi, R., J. Alloys Comp., 2009, 485, 648 652; Tavangarian, F., et al., Powder Technol., 2010, 198, 412-416]. Con 10-100 horas de activación mecánica por molienda y tratamientos a 1000 °C -1200 °C se pueden obtener materiales de alto contenido en forsterita. Si se emplea talco de alta pureza y MgO, como materias primas de partida, con tratamientos de molienda de 5 horas seguido de tratamiento térmico a 1000 °C durante 1 hora, pueden obtenerse tamaños de partícula de forsterita de 40 nanometros, o bien con una molienda de 20-60 horas y tratamientos a 1200 °C, durante 1 hora, para una mejor sinterización del material resultante [Tavangarian, F. and Emadi, R., Mater. Res. Bull., 2010, 45, 388-391].Specifically, in the synthesis of forsterite using this type of treatment, various inorganic precursors have been used, such as amorphous silica and magnesium carbonate [Fathi, M.H. and Kharaziha, M., Mater. Letters, 2008, 62, 4306-4309], as well as high purity talc and magnesium carbonate [Tavangarian, F. and Emadi, R., J. Alloys Comp., 2009, 485, 648-652; Tavangarian, F., et al., Powder Technol., 2010, 198, 412-416]. With 10-100 hours of mechanical activation by grinding and treatments at 1000 °C -1200 °C, materials with a high forsterite content can be obtained. If high purity talc and MgO are used as starting raw materials, with grinding treatments of 5 hours followed by heat treatment at 1000 °C for 1 hour, forsterite particle sizes of 40 nanometers can be obtained, or with a grinding for 20-60 hours and treatments at 1200 °C for 1 hour for better sintering of the resulting material [Tavangarian, F. and Emadi, R., Mater. Res. Bull., 2010, 45, 388-391].
En cuanto a materiales biocerámicos a base de forsterita para regeneración ósea, en general se han obtenido mediante síntesis por la vía sol-gel a partir de distintos precursores, como son sílice coloidal y nitrato de magnesio hexahidratado, realizando un envejecimiento durante 24 horas a 60 °C, secado a 120 °C durante 48 horas y tratamiento térmico entre 1100-1300 °C durante 3 horas [Ni, S., et al., Ceram. Int., 2007, 33, 83-88]. Otros métodos de síntesis de forsterita como material biocerámico precisamente se han llevado a cabo a partir de talco y MgCO 3 con ajuste de una relación molar MgO:SiO 2 de 2:1 ó bien 5:1 y formación de precursores nanoestructurados [Tavangarian, F. and Emadi, R., Mater. Letters, 2011,65, 740 743; Tavangarian, F., and Emadi, R., Ceram. Int., 2011, 37, 2275-2280].As for forsterite-based bioceramic materials for bone regeneration, they have generally been obtained by sol-gel synthesis from different precursors, such as colloidal silica and magnesium nitrate hexahydrate, aging for 24 hours at 60 °C, drying at 120 °C for 48 hours and heat treatment between 1100-1300 °C for 3 hours [Ni, S., et al., Ceram. Int., 2007, 33, 83-88]. Other methods of synthesis of forsterite as a bioceramic material have been carried out precisely from talc and MgCO 3 with adjustment of a 2 :1 or 5:1 MgO:SiO 2 molar ratio and formation of nanostructured precursors [Tavangarian, F and Emadi, R., Mater. Letters, 2011,65, 740 743; Tavangarian, F., and Emadi, R., Ceram. Int., 2011, 37, 2275-2280].
Materiales de forsterita con alta porosidad para aplicaciones biomédicas también se han obtenido empleando hidroxicarbonato de magnesio y sílice mediante molienda durante 10 horas y tratamiento térmico a 900 °C [Saidi, R., et al., J. Sol-Gel Sci. Technol., 2017, 81, 734 740]. En los últimos años también se ha estudiado la fabricación de materiales compuestos seda-forsterita utilizando precursores inorgánicos y la proteína fibroína de la seda para aplicaciones en ingeniería de tejidos [Teimouri, A., et al., Ceram. Int., 2014, 40, 5405-6411]. Recientemente se han obtenido materiales nanocristalinos de forsterita por reacción en estado sólido a partir de cenizas de cascarilla de arroz, subproducto industrial que contiene SiO 2 en proporción mayoritaria, con MgO previamente calcinado en cantidades estequiométricas para la síntesis de forsterita, empleando un tratamiento de molienda de 12 horas y un posterior tratamiento térmico del producto resultante a 700-1000 °C, encontrando una proporción mayoritaria de forsterita a 1000 °C [Mathur, L., et al., Bol. Soc. Esp. Ceram. Vidr., 2018, 57, 112-118].Forsterite materials with high porosity for biomedical applications have also been obtained using magnesium hydroxycarbonate and silica by grinding for 10 hours and heat treatment at 900 °C [Saidi, R., et al., J. Sol-Gel Sci. Technol., 2017, 81, 734 740]. In recent years, the fabrication of silk-forsterite composites using inorganic precursors and the silk fibroin protein for tissue engineering applications has also been studied [Teimouri, A., et al., Ceram. Int., 2014, 40, 5405-6411]. Nanocrystalline forsterite materials have recently been obtained by solid-state reaction from rice husk ash, an industrial by-product that contains SiO 2 in a majority proportion, with previously calcined MgO in stoichiometric amounts for the synthesis of forsterite, using a grinding treatment. of 12 hours and a subsequent thermal treatment of the resulting product at 700-1000 °C, finding a majority proportion of forsterite at 1000 °C [Mathur, L., et al., Bol. Soc. Esp. Ceram. Glass., 2018, 57, 112-118].
Como ha quedado expuesto anteriormente en detalle, existen varios procedimientos en el estado de la técnica con utilidad manifiesta para la obtención y fabricación de materiales cerámicos, biocerámicos y refractarios que contienen forsterita en proporción mayoritaria y que evidencian un alto interés tecnológico, pero se parte de materias primas en forma de rocas muy compactas, como el olivino, la dunita o la serpentina, o bien reactivos metalorgánicos que son de precio y pureza elevados. Estos últimos precursores, además, se presentan en estado líquido a temperatura ambiente y, en general, suelen ser fácilmente inflamables, lo que lleva asociado otra serie de inconvenientes, como son el uso de disolventes no acuosos, con frecuencia también inflamables, con alto coste relativo y condiciones especiales de manipulación en atmósferas protegidas o inertes para evitar la humedad ya que se puede provocar incluso su hidrólisis, además de originar residuos y problemas medioambientales por su toxicidad.As has been previously explained in detail, there are several procedures in the state of the art with manifest utility for obtaining and manufacturing ceramic, bioceramic and refractory materials that contain forsterite in a majority proportion and that show a high technological interest, but it is based on raw materials in the form of very compact rocks, such as olivine, dunite or serpentine, or high-purity metal-organic reagents. These last precursors also appear in a liquid state at room temperature and, in general, tend to be easily flammable, which is associated with another series of drawbacks, such as the use of non-aqueous solvents, often also flammable, with high cost. relative and special handling conditions in protected or inert atmospheres to avoid humidity since it can even cause its hydrolysis, in addition to causing residues and environmental problems due to its toxicity.
Como mayor inconveniente, se señala el coste elevado que llevaría asociado un escalado de este tipo de procedimientos de invención, hasta ahora nivel de laboratorio, restringiéndolos a la obtención de cantidades pequeñas de materias primas precursoras, de elevada pureza, para la fabricación de piezas de tamaño reducido destinadas a aplicaciones especiales o muy puntuales. En definitiva, se ha prestado escasa atención a la preparación de materiales con alto contenido en forsterita partiendo de materias primas inorgánicas relativamente asequibles, con una pureza media y a un moderado o bajo coste, sin utilizar reactivos metalorgánicos.As a major drawback, the high cost that would be associated with scaling up this type of invention procedures, until now at the laboratory level, is pointed out, restricting them to obtaining small amounts of precursor raw materials, of high purity, for the manufacture of pieces of small size intended for special or very specific applications. In short, little attention has been paid to the preparation of materials with a high forsterite content starting from relatively affordable inorganic raw materials, with medium purity and at moderate or low cost, without using metal-organic reagents.
La patente española P200900844 (Procedimiento de obtención de un material cerámico de forsterita), con número de publicación internacional WO 2010/109051 A1 y número de solicitud internacional PCT/ES2010/070175, describe un procedimiento de obtención de un material cerámico a partir de talco de pureza media que comprende mezclar una suspensión acuosa del mismo con MgO, secado de la suspensión obtenida a una temperatura de hasta 350 °C y tratar el producto a una temperatura de hasta 1600 °C. Además, la invención se refiere a un material cerámico obtenible por el procedimiento descrito que comprende forsterita en una proporción de entre un 70 % y un 95 % en peso del material cerámico y a sus aplicaciones como material refractario.The Spanish patent P200900844 (Procedure for obtaining a ceramic material of forsterite), with international publication number WO 2010/109051 A1 and international application number PCT/ES2010/070175, describes a procedure for obtaining a ceramic material from medium purity talc that comprises mixing an aqueous suspension thereof with MgO , drying the suspension obtained at a temperature of up to 350 °C and treating the product at a temperature of up to 1600 °C. Furthermore, the invention relates to a ceramic material obtainable by the described process comprising forsterite in a proportion of between 70% and 95% by weight of the ceramic material and its applications as a refractory material.
Una clara ventaja, tanto del procedimiento anterior de la invención como de la presente y otros del estado de la técnica, es la utilización de talco como materia prima. El talco es un silicato mineral con relativa abundancia en España, en provincias como León o Málaga, y otros países de Europa. Puede obtenerse finamente dividido a partir de la roca original, con pureza elevada o media y a un coste relativamente bajo [Rodas, M., Galán, E. y La Iglesia, A., Bol. Geol. Min., 1979, 3, 18-24; Harben, P. W., The Industrial Minerals Handy Book, second edition, Warwick Printing Company Limited, England, 1995]. El uso de talco con impurezas también es una clara ventaja en el presente procedimiento de la invención, siempre y cuando éstas sean de otros silicatos, como la serpentina ya mencionada, o los de tipo clorita, grupo de silicatos laminares que pueden contener hierro y magnesio en su estructura [Brindley, G.W. and Lemaitre, Chemistry of Clays and Clay minerals, Monograph No. 6, ed. A.C.D. Newman, The Mineralogical Society, London, 1987].A clear advantage, both of the previous process of the invention and of the present one and others of the state of the art, is the use of talc as raw material. Talc is a mineral silicate with relative abundance in Spain, in provinces such as León or Málaga, and other European countries. It can be obtained finely divided from the original rock, with high or medium purity and at a relatively low cost [Rodas, M., Galán, E. and La Iglesia, A., Bol. Geol. Min., 1979, 3, 18-24; Harben, P.W., The Industrial Minerals Handy Book, second edition, Warwick Printing Company Limited, England, 1995]. The use of talc with impurities is also a clear advantage in the present process of the invention, as long as they are from other silicates, such as the aforementioned serpentine, or those of the chlorite type, a group of layered silicates that can contain iron and magnesium. in its structure [Brindley, G.W. and Lemaitre, Chemistry of Clays and Clay minerals, Monograph No. 6, ed. A.C.D. Newman, The Mineralogical Society, London, 1987].
El objeto de la invención es un procedimiento de preparación de materiales cerámicos, biocerámicos y refractarios de carácter básico con alto contenido en ortosilicato de magnesio de fórmula 2MgO.SiO2 o también Mg 2 SiO 4 y que se denomina forsterita. Se parte de otro silicato de magnesio pero hidroxilado, de preferencia talco, y se mezcla con polvo de óxido de magnesio en proporción estequiométrica para conseguir la síntesis de forsterita y que su contenido sea el máximo posible. La mezcla se somete a un tratamiento mecánico de activación mecanoquímica mediante una molienda intensiva de alta energía, a temperatura ambiente, que favorece tanto la homogenización y mezcla íntima de los compuestos empleados, como la reacción de tipo mecanoquímico entre los productos de descomposición del talco con el óxido de magnesio adicionado.The object of the invention is a procedure for the preparation of ceramic, bioceramic and refractory materials of a basic nature with a high content of magnesium orthosilicate with the formula 2MgO.SiO2 or also Mg 2 SiO 4 and which is called forsterite. It starts with another but hydroxylated magnesium silicate, preferably talc, and it is mixed with magnesium oxide powder in a stoichiometric proportion to achieve the synthesis of forsterite and that its content is the maximum possible. The mixture is subjected to a mechanical treatment of mechanochemical activation through intensive high-energy grinding, at room temperature, which favors both the homogenization and intimate mixing of the compounds used, as well as the mechanochemical-type reaction between the decomposition products of talc with the added magnesium oxide.
El precursor reactivo como polvo obtenido en la molienda se trata térmicamente a una temperatura de entre 1000-1200 °C para que se produzca la reacción, activada mecanoquímicamente, que da lugar a la formación de forsterita. Por tanto, no es necesario llegar a temperaturas tan elevadas como 1400-1600 °C para conseguir un material con alto contenido en forsterita, tal y como queda reflejado en el estado de la técnica empleando este mismo tipo de precursores inorgánicos, en particular en una Patente española anterior (P2345648) al estado de la técnica.The reactive precursor as a powder obtained in the milling is heat treated at a temperature between 1000-1200 °C so that the mechanochemically activated reaction occurs, which gives rise to the formation of forsterite. Therefore, it is not necessary reach temperatures as high as 1400-1600 °C to obtain a material with a high forsterite content, as reflected in the state of the art using this same type of inorganic precursors, particularly in a previous Spanish Patent (P2345648). to the state of the art.
En una realización preferida del material cerámico con el procedimiento de la invención se obtienen materiales cerámicos, biocerámicos y refractarios con las siguientes características: densidad aparente de 2,76 g/cm3 o inferior; porosidad abierta de entre 12 % y 15% en volumen; coeficiente de dilatación térmica medio entre 20 y 900 °C de entre 11,52 x 10-6 x °C-1 y 11,82 x 10-6 x °C-1, resistencia a los cambios bruscos de temperatura, en número de ciclos desde temperatura ambiente a 950 °C y enfriando en agua, un mínimo de 3 ciclos; composición química (% en peso): SiO 2 , 41 %; MgO, 53 %; Fe 2 O 3 , < 3 %, TiO 2 < 0.5 %; CaO < 1 % y una relación molar MgO:SiO 2 de 2:1, presentando una proporción de forsterita (2MgO.SiO2) que puede llegar a ser >90 % en peso.In a preferred embodiment of the ceramic material with the process of the invention, ceramic, bioceramic and refractory materials are obtained with the following characteristics: apparent density of 2.76 g/cm3 or less; open porosity between 12% and 15% by volume; average coefficient of thermal expansion between 20 and 900 °C between 11.52 x 10-6 x °C-1 and 11.82 x 10-6 x °C-1, resistance to sudden changes in temperature, in number of cycles from room temperature to 950 °C and cooling in water, a minimum of 3 cycles; chemical composition (% by weight): SiO 2 , 41%; MgO, 53%; Fe 2 O 3 , < 3%, TiO 2 <0.5%; CaO < 1% and a molar ratio MgO:SiO 2 of 2:1, presenting a proportion of forsterite (2MgO.SiO2) that can be >90% by weight.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION
La invención se refiere a un procedimiento de preparación de materiales cerámicos que contienen magnesio y silicio combinados en su composición química, con alto contenido en ortosilicato de magnesio ( 2 MgO.SiO 2 ) o forsterita, preparación de biocerámicos y refractarios de carácter básico, así como las aplicaciones y usos de interés de estos materiales. Se realiza una activación mecanoquímica de las materias primas empleadas para favorecer tanto el mezclado íntimo de las mismas como las reacciones de síntesis de forsterita del precursor reactivo obtenido con un tratamiento térmico posterior.The invention refers to a process for preparing ceramic materials that contain magnesium and silicon combined in their chemical composition, with a high content of magnesium orthosilicate ( 2 MgO.SiO 2 ) or forsterite, preparation of bioceramics and refractories of a basic nature, as well as well as the applications and uses of interest of these materials. A mechanochemical activation of the raw materials used is carried out to favor both their intimate mixing and the forsterite synthesis reactions of the reactive precursor obtained with a subsequent heat treatment.
Se parte de materias primas inorgánicas relativamente asequibles, no necesariamente de alta pureza o incluso como subproductos y a moderado o bajo coste, sin utilizar precursores metalorgánicos y disolventes. La invención posee ventaja técnica en cuanto a que no se utilizan como materias primas precursores metalorgánicos, generalmente inflamables y de alta pureza, con precio elevado, que implica uso de disolventes no-acuosos, también generalmente inflamables, con alto coste relativo y condiciones especiales de manipulación como son atmósferas protegidas o inertes para evitar hidrólisis, con generación de residuos y problemas medioambientales.It starts with relatively affordable inorganic raw materials, not necessarily of high purity or even as by-products and at moderate or low cost, without using metal-organic precursors and solvents. The invention has a technical advantage in that metal-organic precursors are not used as raw materials, generally flammable and of high purity, with a high price, which implies the use of non-aqueous solvents, also generally flammable, with high relative cost and special conditions of handling such as protected or inert atmospheres to avoid hydrolysis, with generation of waste and environmental problems.
Una ventaja del procedimiento de la invención es la utilización de un silicato de magnesio natural como es el talco empleado como materia prima, de abundancia relativa en España y otros países, que se puede obtener con facilidad en estado finamente dividido (dureza 1 en la Escala Mohs) a bajo coste. El uso de talco como materia prima, aunque sea con impurezas que así se revaloriza como subproducto industrial, es una clara ventaja siempre y cuando éstas sean de silicatos, como serpentina y/o clorita, o incluso carbonato de magnesio, ya que todas estas impurezas contienen Silicio y Magnesio en distinta proporción relativa de interés para la obtención de forsterita.An advantage of the procedure of the invention is the use of a natural magnesium silicate such as talc used as raw material, of relative abundance in Spain and other countries, which can be easily obtained in a finely divided state (hardness 1 on the Mohs Scale) at low cost. The use of talc as a raw material, even with impurities that are thus revalued as an industrial by-product, is a clear advantage as long as they are silicates, such as serpentine and/or chlorite, or even magnesium carbonate, since all these impurities they contain Silicon and Magnesium in different relative proportions of interest for obtaining forsterite.
El efecto del tratamiento mecánico por molienda intensiva de alta energía de las materias primas empleadas actúa ventajosamente en el procedimiento de la invención para la síntesis de forsterita, con un aumento notable de la reactividad química mediante una vía de reacción de tipo mecanoquímico para favorecer así la reacción de formación de dicha fase en proporción mayoritaria, combinándose además con un tratamiento térmico posterior del producto originado en la molienda.The effect of the mechanical treatment by intensive high-energy grinding of the raw materials used acts advantageously in the process of the invention for the synthesis of forsterite, with a notable increase in chemical reactivity through a mechanochemical-type reaction pathway to thus favor the formation reaction of said phase in a majority proportion, also being combined with a subsequent heat treatment of the product originated in the milling.
Con el procedimiento de la invención se obtienen con ventaja materiales cerámicos, biocerámicos y refractarios con forsterita (ortosilicato de magnesio) en proporción mayoritaria y dicho procedimiento permite su fácil escalado.With the procedure of the invention, ceramic, bioceramic and refractory materials with forsterite (magnesium orthosilicate) in a majority proportion are obtained with advantage and said procedure allows easy scaling.
Las aplicaciones industriales de los materiales con alto contenido en forsterita que se obtienen con el procedimiento de la invención son las siguientes: como sustrato rígido, filtro, aislante térmico, soporte de catalizadores y para la fabricación de materiales avanzados con uso en aplicaciones de alta temperatura, siendo 1800°C el máximo de temperatura de uso, para zonas expuestas al calor (hornos de cemento, metalurgia, siderurgia, etc.), así como en la obtención de materiales de ingeniería para posibles aplicaciones LÁSER y materiales biocerámicos.The industrial applications of the materials with a high forsterite content that are obtained with the process of the invention are the following: as a rigid substrate, filter, thermal insulation, catalyst support and for the manufacture of advanced materials for use in high temperature applications. , being 1800°C the maximum temperature of use, for areas exposed to heat (cement kilns, metallurgy, steel industry, etc.), as well as in obtaining engineering materials for possible LASER applications and bioceramic materials.
Descripción detallada de la invenciónDetailed description of the invention
Para llevar a cabo el procedimiento de la presente invención es posible utilizar como compuestos de partida silicatos laminares hidroxilados, silicatos caracterizados por una estructura de dos capas o silicatos expansibles caracterizados por una estructura de tres capas. Como ejemplos de silicatos laminares que se pueden utilizar cabe citar caolinita, moscovita, pirofilita, talco, vermiculita o clorita, siendo talco el que presenta más ventajas debido a su alto contenido en óxidos de magnesio y silicio en relación al resto.To carry out the process of the present invention it is possible to use as starting compounds hydroxylated layered silicates, silicates characterized by a two-layer structure or expandable silicates characterized by a three-layer structure. As examples of layered silicates that can be used, it is worth mentioning kaolinite, muscovite, pyrophyllite, talc, vermiculite or chlorite, with talc being the one that presents the most advantages due to its high content of magnesium and silicon oxides in relation to the rest.
Se parte de talco, silicato laminar hidroxilado contenido en proporción mayoritaria en la roca de donde procede como materia prima, pudiendo triturarse con relativa facilidad dada su escasa dureza en la escala de Mohs. Esta materia prima, finamente dividida tal y como se puede disponer de ella industrialmente, se mezcla preferentemente con óxido de magnesio calcinado y también finamente dividido en proporción estequiométrica para la obtención de forsterita.It starts with talc, a hydroxylated layered silicate contained in the majority proportion in the rock where it comes from as raw material, and can be crushed relatively easily given its low hardness on the Mohs scale. This raw material, finely divided as it can be disposed of industrially, is preferably mixed with calcined magnesium oxide and also finely divided in a stoichiometric proportion to obtain forsterite.
La roca de talco se tritura previamente hasta llegar a un tamaño de partícula con diámetro medio de, al menos, 0,100 mm y se mezcla con la proporción estequiométrica de óxido de magnesio, finamente dividido, por homogeneización con agua de la pasta resultante; preferentemente la suspensión acuosa debe contener también acetona (propanona) para evitar, en la medida de lo posible, la hidratación de los granos más pequeños de óxido de magnesio que son los más reactivos al ponerlos en medio acuoso.The talc rock is previously crushed until it reaches a particle size with an average diameter of at least 0.100 mm and is mixed with the stoichiometric proportion of magnesium oxide, finely divided, by homogenizing the resulting paste with water; preferably the aqueous suspension should also contain acetone (propanone) to avoid, as far as possible, the hydration of the smallest grains of magnesium oxide which are the most reactive when placed in an aqueous medium.
Por tanto, un primer aspecto de la invención se refiere a un procedimiento de preparación de materiales cerámicos, biocerámicos y refractarios de carácter básico con alto contenido en forsterita mediante molienda reactiva, que comprende las siguientes etapas:Therefore, a first aspect of the invention refers to a process for preparing ceramic, bioceramic and refractory materials of a basic nature with a high content of forsterite by means of reactive grinding, which comprises the following stages:
a) Mezclar una suspensión acuosa de talco de composición:a) Mix an aqueous suspension of talc of composition:
-SiO 2 entre 46,3% y 63,1% en peso,-SiO 2 between 46.3% and 63.1% by weight,
- MgO entre 29,10% y 32,90% en peso- MgO between 29.10% and 32.90% by weight
- AhO3 entre 0,29% y 3% en peso- AhO3 between 0.29% and 3% by weight
- Fe 2 O 3 entre 0,15% y 3,4% en peso- Fe 2 O 3 between 0.15% and 3.4% by weight
- TiO 2 entre 0,05% y 0,13% en peso- TiO 2 between 0.05% and 0.13% by weight
- CaO entre 0,19% y 1,50% en peso- CaO between 0.19% and 1.50% by weight
- Na 2 O entre 0,04% y 0,10% en peso- Na 2 O between 0.04% and 0.10% by weight
- K 2 O entre 0,00% y 0,41% en peso- K 2 O between 0.00% and 0.41% by weight
- pérdida por calcinación a 1000°C entre 5,04% y 8,02%- loss on ignition at 1000°C between 5.04% and 8.02%
con óxido de magnesio calcinado a una temperatura mínima de 1700 °C y con un contenido mínimo del 97% en peso de partículas de tamaño inferior a 0,063 nm en proporción comprendida entre 70 y 80% en peso del talco y entre 20 y 30% de óxido de magnesio; b) Secar la suspensión obtenida en el paso (a) a una temperatura de hasta 350 °C;with calcined magnesium oxide at a minimum temperature of 1700 °C and with a minimum content of 97% by weight of particles with a size of less than 0.063 nm in a proportion between 70 and 80% by weight of talc and between 20 and 30% of magnesium oxide; b) Dry the suspension obtained in step (a) at a temperature of up to 350 °C;
c) Molienda del producto del paso (b) para homogenización, reducción del tamaño de las partículas e inducir la activación mecanoquímica en un molino de bolas planetario con jarro realizado en esteatita y bolas del mismo material;c) Grinding of the product of step (b) for homogenization, reduction of particle size and induction of mechanochemical activation in a planetary ball mill with a jar made of steatite and balls of the same material;
d) Prensado uniaxial del producto obtenido en la etapa c); yd) Uniaxial pressing of the product obtained in stage c); and
e) Tratamiento térmico del producto del paso (c) a una temperatura de hasta 1200 °C. e) Heat treatment of the product of step (c) at a temperature of up to 1200 °C.
En un modo de realización preferente del procedimiento de la invención, el talco y el óxido de magnesio de la etapa (a) se trituran previamente a un tamaño de partícula con diámetro medio de, al menos, 0,100 mm.In a preferred embodiment of the process of the invention, the talc and magnesium oxide from stage (a) are previously ground to a particle size with a mean diameter of at least 0.100 mm.
En otro modo preferente de realización, la suspensión acuosa de la etapa (a) contiene acetona en una proporción del 50% en volumen.In another preferred embodiment, the aqueous suspension of stage (a) contains acetone in a proportion of 50% by volume.
En una realización preferente, el secado de la etapa (b) se lleva a cabo a una temperatura de entre 250 °C y 350 °C durante un tiempo de entre 30 y 120 minutos.In a preferred embodiment, the drying of stage (b) is carried out at a temperature between 250 °C and 350 °C for a time of between 30 and 120 minutes.
En otra realización preferente, el secado de la etapa (b) se lleva a cabo en dos subetapas:In another preferred embodiment, the drying of stage (b) is carried out in two sub-stages:
b1) Secado al aire a una temperatura de entre 90 °C y 120 °C, durante un tiempo de hasta 15 horas.b1) Air-drying at a temperature between 90 °C and 120 °C, for up to 15 hours.
b2) Secado posterior al paso (b1) a una temperatura de entre 250 °C y 350 °C, durante un tiempo de entre 30 y 120 minutos.b2) Drying after step (b1) at a temperature between 250 °C and 350 °C, for a time between 30 and 120 minutes.
El producto obtenido en polvo se somete posteriormente a una etapa de tratamiento térmico, la cual sería la etapa (e). Hay posibles alternativas de realización:The powdered product obtained is subsequently subjected to a stage of heat treatment, which would be stage (e). There are possible implementation alternatives:
En una realización preferente, el tratamiento térmico de la etapa (e) se lleva a cabo en las siguientes subetapas:In a preferred embodiment, the heat treatment of stage (e) is carried out in the following substages:
e1) Tratamiento térmico a una temperatura de hasta 800°C a una velocidad de calentamiento de entre 40°C y 80°C por hora, durante un tiempo de entre 60 y 150 minutos;e1) Heat treatment at a temperature of up to 800°C at a heating rate of between 40°C and 80°C per hour, for a time of between 60 and 150 minutes;
e2) El producto obtenido en (e1) se trata a una temperatura de hasta 1000°C a una velocidad de calentamiento de entre 40 ° y 80 °C por hora, durante un tiempo de entre 60 y 150 minutos; ye2) The product obtained in (e1) is treated at a temperature of up to 1000°C at a heating rate of between 40° and 80°C per hour, for a time of between 60 and 150 minutes; and
e3) El producto obtenido en (e2) se trata a una temperatura de entre 1100°C y 1200 °C a una velocidad de calentamiento de unos 60°C por hora durante un tiempo de entre 60 y 150 minutos.e3) The product obtained in (e2) is treated at a temperature between 1100°C and 1200°C at a heating rate of about 60°C per hour for a time between 60 and 150 minutes.
Alternativamente, el tratamiento térmico de la etapa (e) se lleva a cabo a una temperatura entre 1100°C y 1200°C a una velocidad de calentamiento de unos 60°C por hora durante un tiempo de entre 60 y 150 minutos.Alternatively, the heat treatment of step (e) is carried out at a temperature between 1100°C and 1200°C at a heating rate of about 60°C per hour for a time between 60 and 150 minutes.
En otra alternativa, el tratamiento térmico de la etapa (e) se lleva a cabo a una temperatura de 1200 °C durante un tiempo de entre 30 y 150 minutos.In another alternative, the heat treatment of stage (e) is carried out at a temperature of 1200 °C for a time of between 30 and 150 minutes.
Esta etapa (e) puede llevarse a cabo en distintos tipos de horno y puede efectuarse también en continuo, por ejemplo, en hornos de tipo túnel y no es necesaria una atmósfera inerte, simplemente en atmósfera de aire. La síntesis de forsterita 2MgO.SiO2 (57,14 % en peso de MgO y 42,85 % de SiO 2 ), como ortosilicato de magnesio de fórmula Mg 2 SiO 4 transcurre por reacción de activación mecanoquímica y posterior activación térmica en estado sólido.This stage (e) can be carried out in different types of ovens and can also be carried out continuously, for example, in tunnel-type ovens and an inert atmosphere is not necessary, simply in an air atmosphere. The synthesis of forsterite 2MgO.SiO2 (57.14% by weight of MgO and 42.85% of SiO 2 ), as magnesium orthosilicate with the formula Mg 2 SiO 4 , proceeds by mechanochemical activation reaction and subsequent thermal activation in solid state.
El precursor obtenido en la molienda se trata térmicamente a una temperatura de entre 1000 1200 °C para que se produzca la reacción, activada mecanoquímicamente, que da lugar a la formación de forsterita. Por tanto, no es necesario llegar a temperaturas tan elevadas como 1500 °C-1600 °C como se describe en otros procedimientos partiendo de materias primas similares, mencionados en el estado de la técnica, para conseguir un material con alto contenido en forsterita.The precursor obtained from grinding is heat treated at a temperature of between 1,000 and 1,200 °C so that the mechanochemically activated reaction occurs, leading to the formation of forsterite. Therefore, it is not necessary to reach temperatures as high as 1500 °C-1600 °C as described in other procedures starting from similar raw materials, mentioned in the state of the art, to obtain a material with a high forsterite content.
La reacción de descomposición térmica del talco a 800 °C-1000 °C con formación de silicato de magnesio MgSiO3 y sílice (SiO 2 ) es la siguiente:The thermal decomposition reaction of talc at 800 °C-1000 °C with formation of magnesium silicate MgSiO3 and silica ( SiO2 ) is as follows:
Si8Mg6O20(OH)4 = 6MgSiO3 2 H 2 O 2SiO2Si8Mg6O20(OH)4 = 6MgSiO3 2H2O2SiO2
La reacción en estado sólido inducida por tratamiento térmico a 1000 °C-1300 °C entre silicato de magnesio MgSiO 3 y MgO en presencia de sílice para formar orto-silicato de magnesio, forsterita, Mg 2 SiO 4 es la siguiente:The solid state reaction induced by heat treatment at 1000 °C-1300 °C between magnesium silicate MgSiO 3 and MgO in the presence of silica to form magnesium orthosilicate, forsterite, Mg 2 SiO 4 is as follows:
3MgSiO3 SiO 2 + 5MgO = 4 Mg2SiO43MgSiO3 SiO2 + 5MgO = 4 Mg2SiO4
Además de la reacción entre enstatita y MgO que se induce por tratamiento térmico a 1000 °C-1400 °C:In addition to the reaction between enstatite and MgO that is induced by heat treatment at 1000 °C-1400 °C:
MgSiO3 MgO = Mg2SiO4MgSiO3 MgO = Mg2SiO4
La reacción en estado sólido inducida por tratamiento térmico a 1200 °C -1600 °C entre sílice y MgO para formar directamente el silicato de magnesio, forsterita, Mg 2 SiO 4 es la siguiente: SÍO 2 + 2MgO — Mg2SiO4The solid state reaction induced by heat treatment at 1200 °C -1600 °C between silica and MgO to directly form the magnesium silicate, forsterite, Mg 2 SiO 4 is as follows: SIO 2 + 2MgO — Mg2SiO4
Sin embargo, la reacción mecanoquímica de descomposición del talco, en la que se induce la deshidroxilación del silicato a temperatura ambiente empleando un tratamiento de molienda de alta energía, es la siguiente:However, the mechanochemical decomposition reaction for talc, in which dehydroxylation of the silicate is induced at room temperature using a high-energy grinding treatment, is as follows:
Si8Mg6O20(OH)4 = material amorfo de composición MgO.SiO 2 + 2 H 2 OSi8Mg6O20(OH)4 = amorphous material with composition MgO.SiO 2 + 2 H 2 O
Este material amorfo y muy reactivo, considerado el precursor de forsterita, por una parte formaría forsterita directamente al ser activado térmicamente, según el esquema:This amorphous and highly reactive material, considered the precursor of forsterite, on the one hand would form forsterite directly when activated thermally, according to the scheme:
material amorfo de composición MgO.SiO 2 = Mg2SiO4 SiO 2 amorphous material of composition MgO.SiO 2 = Mg2SiO4 SiO 2
Por otra, este material amorfo rico en sílice, reaccionaría con el MgO que se ha añadido (de forma análoga a como ya se ha descrito anteriormente) y se produce entonces una mayor proporción relativa de fosterita, según el esquema:On the other hand, this silica-rich amorphous material would react with the MgO that has been added (in a manner analogous to what has already been described above) and a greater relative proportion of fosterite is then produced, according to the scheme:
material amorfo de composición MgO.SiO 2 + MgO = Mg 2 SiO 4 amorphous material of composition MgO.SiO 2 + MgO = Mg 2 SiO 4
Todas las reacciones de formación de forsterita inducidas por tratamiento térmico son favorables termodinámicamente, siendo una de las más favorables la síntesis directa entre sílice, como producto reactivo de la descomposición del talco, con el óxido de magnesio. Por consiguiente, no es necesario añadir sílice a la mezcla. La sílice producida por la reacción de descomposición térmica del talco puede estar en estado amorfo o bien puede cristalizar como cristobalita, pero en cualquier caso es un reactivo para la formación de forsterita con MgO. Todo ello queda soslayado al producirse la formación de forsterita directamente por activación mecanoquímica, como primer paso, seguido de un tratamiento térmico, como segundo paso. Por tanto, las reacciones en estado sólido producidas por un tratamiento térmico sin este paso previo, ya planteadas en un procedimiento de invención previo (Patente Española con número de publicación 2345648), se ven modificadas mediante el tratamiento de activación mecánica por molienda de alta energía que da lugar a un precursor reactivo, el cual sometido a tratamiento térmico posterior, produce que se forme forsterita a una temperatura de 1000 1200 °C y sin otras fases residuales.All forsterite formation reactions induced by heat treatment are thermodynamically favorable, one of the most favorable being the direct synthesis between silica, as a reactive product of the decomposition of talc, with magnesium oxide. Consequently, it is not necessary to add silica to the mix. The silica produced by the thermal decomposition reaction of talc may be in an amorphous state or it may crystallize as cristobalite, but in any case it is a reagent for the formation of forsterite with MgO. All of this is circumvented by the formation of forsterite directly by mechanochemical activation, as the first step, followed by a heat treatment, as the second step. Therefore, the solid state reactions produced by a heat treatment without this previous step, already proposed in a previous invention procedure (Spanish Patent with publication number 2345648), are modified by the mechanical activation treatment by high energy grinding. which gives rise to a reactive precursor, which, subjected to subsequent heat treatment, produces forsterite at a temperature of 1000 1200 °C and without other residual phases.
El molino de alta energía que puede emplearse es un recipiente cerrado, constituido por un material como es la esteatita (roca metamórfica compacta que contiene silicatos de magnesio). En este recipiente cerrado o jarro de molienda, provisto de tapa que se ajusta del mismo material del jarro, se introducen las materias primas. Estos materiales poseen una elevada resistencia al desgaste por acción mecánica y presión interna. Los elementos de molienda pueden ser, de preferencia, también de los mismos tipos de materiales mencionados y en formas variadas, como puede ser esférica (bolas) o cilíndrica.The high energy mill that can be used is a closed container, made up of a material such as steatite (compact metamorphic rock that contains silicates of magnesium). In this closed container or grinding jar, provided with a lid that fits in the same material as the jar, the raw materials are introduced. These materials have a high resistance to wear due to mechanical action and internal pressure. The grinding elements can preferably also be made of the same types of materials mentioned and in various shapes, such as spherical (balls) or cylindrical.
El procedimiento de molienda para activación mecanoquímica de las materias primas de partida se puede optimizar considerando diversos parámetros de trabajo. Entre otros más destacados, pueden mencionarse los siguientes:The grinding procedure for mechanochemical activation of the starting raw materials can be optimized considering various work parameters. Among others more outstanding, the following can be mentioned:
1) La cantidad de materia primas y el volumen total útil del recipiente o jarro adecuado para la molienda.1) The quantity of raw materials and the total useful volume of the container or jug suitable for grinding.
2) La naturaleza del medio de molienda, así como la geometría de los elementos de molienda que forman dicho medio.2) The nature of the grinding medium, as well as the geometry of the grinding elements that form said medium.
3) La relación entre el peso de la mezcla de materias primas sometidas a molienda y el peso total del medio de molienda empleado.3) The ratio between the weight of the mixture of raw materials subjected to grinding and the total weight of the grinding medium used.
4) La velocidad de rotación, en revoluciones por minuto (rpm), al utilizar un molino planetario y el tiempo de tratamiento para inducir y hacer que progresen las reacciones de activación mecanoquímica.4) The speed of rotation, in revolutions per minute (rpm), when using a planetary mill and the treatment time to induce and progress the mechanochemical activation reactions.
Se deben tener en cuenta también la cantidad de materia prima a tratar, introducida dentro del recipiente o jarro empleado para la molienda, y el peso y número de los elementos de molienda que forman el medio de molienda. Además, otro factor es el posible efecto de contaminación de la propia materia prima por efecto del desgaste al moler durante largos tiempos, tanto del material con el que está hecho el recipiente como del medio de molienda. Asimismo, la experiencia indica que el volumen del recipiente debe ser, como mínimo, 3 veces el volumen de la mezcla de materias primas para que tenga efectividad el tratamiento de molienda.The amount of raw material to be treated, introduced into the container or jug used for grinding, and the weight and number of grinding elements that make up the grinding medium must also be taken into account. In addition, another factor is the possible effect of contamination of the raw material itself due to wear and tear when grinding for long periods of time, both of the material with which the container is made and of the grinding medium. Likewise, experience indicates that the volume of the container should be at least 3 times the volume of the mixture of raw materials for the grinding treatment to be effective.
Por otra parte, la presencia en las materias primas de un contenido relativamente pequeño de impurezas de otros óxidos metálicos, como pueden ser los de hierro, titanio o aluminio, además de los metales alcalinos o alcalinotérreos, debe ser lo más baja posible para la obtención de un óptimo material cerámico o refractario. En cualquier caso, estos óxidos darán lugar a fases vítreas, líquidas a alta temperatura, que hasta ciertos límites pueden ser favorecedores del proceso de síntesis de forsterita e incluso actuar de mineralizadores para su máximo contenido posible en el producto e influir en un mejor desarrollo de los cristales. On the other hand, the presence in the raw materials of a relatively small content of impurities of other metallic oxides, such as those of iron, titanium or aluminum, in addition to alkaline or alkaline earth metals, must be as low as possible to obtain of an excellent ceramic or refractory material. In any case, these oxides will give rise to vitreous phases, liquid at high temperatures, which up to certain limits can be favorable to the forsterite synthesis process and even act as mineralizers for its maximum possible content in the product and influence a better development of the crystals.
Por ejemplo, el hierro puede sustituir al magnesio en la estructura en forma de disolución sólida, de tal modo que el silicato tendría una composición como (Mg,Fe)SiO 4 .For example, iron can replace magnesium in the structure as a solid solution, so that the silicate would have a composition like (Mg,Fe)SiO 4 .
Una persistencia de ciertas fases, como enstatita o cristobalita que se producen en la descomposición térmica del talco, si no se ha realizado bien el tratamiento de activación mecanoquímica por molienda, puede limitar las aplicaciones del producto resultante del procedimiento de la invención como material cerámico o refractario, en particular su resistencia piroscópica o a la fusión, que teóricamente es de 1910 °C.The persistence of certain phases, such as enstatite or cristobalite that are produced in the thermal decomposition of talc, if the mechanochemical activation treatment by grinding has not been carried out correctly, may limit the applications of the product resulting from the process of the invention as a ceramic material or refractory, in particular its pyroscopic or melt resistance, which is theoretically 1910 °C.
En caso de existir impurezas de tipo silicato que acompañan al talco, tales como serpentina o clorita, o bien se trata de talco como subproducto industrial, estos dos silicatos se descomponen con la acción del tratamiento mecanoquímico y térmico a temperaturas inferiores a la que se produce en el talco, dando lugar a forsterita en cristales muy pequeños, los cuáles actuarían como núcleos para la formación de más forsterita por síntesis entre el óxido de magnesio añadido y los productos de descomposición del talco. La forsterita es el producto final del procedimiento de la invención y se obtiene en proporción mayoritaria a partir de la mezcla de talco y óxido de magnesio, una vez sometida dicha mezcla a una activación mecánica por molienda, seguida de un tratamiento térmico.If there are silicate-type impurities that accompany the talc, such as serpentine or chlorite, or if it is talc as an industrial by-product, these two silicates decompose with the action of mechanochemical and thermal treatment at temperatures lower than that produced in the talc, giving rise to forsterite in very small crystals, which would act as nuclei for the formation of more forsterite by synthesis between the added magnesium oxide and the decomposition products of the talc. Forsterite is the final product of the process of the invention and is obtained in a majority proportion from the mixture of talc and magnesium oxide, once said mixture has been subjected to mechanical activation by grinding, followed by heat treatment.
Los tiempos de tratamiento de molienda de alta energía, en las condiciones que se describen en la presente memoria, oscilan entre 20 y 40 horas, a una velocidad de rotación de entre 300 y 500 rpm, empleando un jarro o recipiente de molienda de un volumen inferior a 500 mL y que se carga con un peso de muestra inferior a 100 gramos, con tratamientos térmicos a 1000 1200 °C durante 30 y 60 minutos.High-energy grinding treatment times, under the conditions described herein, range from 20 to 40 hours, at a rotation speed of 300 to 500 rpm, using a one-volume grinding jar or container. less than 500 mL and that is loaded with a sample weight of less than 100 grams, with heat treatments at 1000 1200 °C for 30 and 60 minutes.
En todos los casos, el material cerámico o refractario básico obtenido, así como la arena refractaria o chamota de forsterita, poseerá una cierta porosidad que condicionará sus propiedades y, en consecuencia, parte de sus aplicaciones. Se puede tratar a mayor temperatura, de entre 1300 °C -1400 °C, para lograr un mayor grado de sinterización del material y que llegue a tener una porosidad mínima (< 5 % en volumen).In all cases, the basic ceramic or refractory material obtained, as well as the refractory sand or forsterite chamotte, will have a certain porosity that will condition its properties and, consequently, part of its applications. It can be treated at a higher temperature, between 1300 °C -1400 °C, to achieve a higher degree of sintering of the material and to achieve minimal porosity (<5% by volume).
Opcionalmente, el procedimiento de la invención comprende adicionalmente:Optionally, the method of the invention further comprises:
i) Triturar el material obtenido en el tratamiento térmico de la etapa (d);i) Crushing the material obtained in the heat treatment of stage (d);
ii) Conformar el material previamente triturado en (i), preferentemente mediante prensado uniaxial; y ii) Shape the previously crushed material in (i), preferably by uniaxial pressing; and
iii) Tratamiento térmico del producto conformado en (ii) a una temperatura de entre 1200 °C y 1400 °C, durante un tiempo comprendido entre 60 y 240 minutos, siendo la temperatura óptima de 1200 °C y el tiempo óptimo de 120 minutos.iii) Heat treatment of the product formed in (ii) at a temperature between 1200 °C and 1400 °C, for a time between 60 and 240 minutes, with the optimum temperature being 1200 °C and the optimum time being 120 minutes.
Constituye otro objeto de la presente invención el material cerámico obtenido mediante el procedimiento descrito previamente, el cual:Another object of the present invention is the ceramic material obtained by the previously described procedure, which:
- comprende forsterita en una proporción entre un 90 % y un 95 % en peso del material cerámico.- It comprises forsterite in a proportion between 90% and 95% by weight of the ceramic material.
- la relación molar de óxido de magnesio y dióxido de silicio es de 2:1.- the molar ratio of magnesium oxide and silicon dioxide is 2:1.
- presenta una densidad aparente comprendida entre 2,65 y 2,76 g/cm3;- it has an apparent density between 2.65 and 2.76 g/cm3;
- presenta una porosidad comprendida entre el 12 % y el 15% en volumen;- it has a porosity between 12% and 15% by volume;
- presenta un coeficiente de dilatación térmica a una temperatura de entre 20 °C y 900 °C comprendido entre 11,52 x 10-6 y 11,82 x 10-6 °C-1;- It has a coefficient of thermal expansion at a temperature between 20 °C and 900 °C of between 11.52 x 10-6 and 11.82 x 10-6 °C-1;
- es resistente a temperaturas de hasta 1800 °C.- it is resistant to temperatures up to 1800 °C.
El producto obtenido mediante el procedimiento de la invención posee aplicación como material cerámico estructural y refractario básico debido a su alto contenido en óxido de magnesio, además de ser de utilidad como sustrato rígido y filtro para utilizar a alta temperatura, material cerámico aislante y soporte de catalizadores.The product obtained by means of the process of the invention has applications as a basic structural and refractory ceramic material due to its high content of magnesium oxide, in addition to being useful as a rigid substrate and filter to be used at high temperatures, an insulating ceramic material and a support for catalysts.
Asimismo, la chamota, calcina o arena forsterítica obtenida con el procedimiento de la invención, con un grado de trituración conveniente y granulometría establecida por separación mecánica o tamizado, es también una materia prima de síntesis para la preparación de materiales cerámicos avanzados con altas prestaciones termomecánicas, con interesantes aplicaciones en ingeniería.Likewise, the chamotte, calcine or forsteritic sand obtained with the process of the invention, with a suitable degree of crushing and granulometry established by mechanical separation or sieving, is also a synthetic raw material for the preparation of advanced ceramic materials with high thermomechanical performance. , with interesting applications in engineering.
En particular, como componentes estructurales capaces de ser utilizados en dispositivos sometidos a altas temperaturas (> 1500 °C), siendo el máximo de 1800 °C, también como recubrimientos refractarios o piezas de soporte de hornos, limitado a no verse sometidos a excesivos cambios bruscos de temperatura y a su porosidad, lo que condicionará la resistencia termomecánica y al ataque por penetración y corrosión de escorias en estado fundido.In particular, as structural components capable of being used in devices subjected to high temperatures (> 1500 °C), with a maximum of 1800 °C, also as refractory linings or furnace support parts, limited to not being subjected to excessive changes. sudden changes in temperature and its porosity, which will condition its thermomechanical resistance and attack by penetration and corrosion of molten slag.
Una aplicación de importancia relevante del producto del procedimiento de la invención es como material refractario de carácter básico para su empleo en la industria de la siderurgia en hornos de fabricación de acero. An important application of the product of the process of the invention is as a basic refractory material for use in the steel industry in steel manufacturing furnaces.
Asimismo, el producto del procedimiento de la invención, constituido por forsterita en proporción mayoritaria, posee aplicación potencial en la preparación de materiales de tipo LÁSER que contienen Cromo, y en la preparación de materiales biocerámicos al ser la forsterita un material biocompatible.Likewise, the product of the process of the invention, made up of forsterite in a majority proportion, has potential application in the preparation of LASER-type materials that contain Chromium, and in the preparation of bioceramic materials, since forsterite is a biocompatible material.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓNPREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende” y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. El siguiente ejemplo sirve para ilustrar la invención y no se pretende que sea considerado con fines limitativos de la misma.Throughout the description and claims, the word "comprises" and its variants are not intended to exclude other technical characteristics, additives, components or steps. For those skilled in the art, other objects, advantages and characteristics of the invention will emerge in part of the description and in part of the practice of the invention The following example serves to illustrate the invention and is not intended to be construed as limiting thereof.
Ejemplo de realización:Example of realization:
En esta realización particular de la invención, se utiliza de materia prima un talco industrial con una composición química típica como la siguiente (% en peso): SiO 2 , 54,72 %; MgO, 30,21 %; Al 2 O 3 , 2,89 %; Fe 2 O 3 , 3,23 %, TiO 2 , 0,10 %; CaO, 0,84 %; Na 2 O, 0,06 %; K 2 O, 0,00; pérdida por calcinación a 1000 °C, 7,84 %, suma total 99,89 %. Esta composición química del talco industrial se separa de los valores teóricos del talco en cuanto a contenido en óxidos de silicio y magnesio y pérdida por calcinación (SiO 2 , 63,36 % en peso; MgO, 31,89 %), ya que contiene como impureza otro silicato con hierro, aluminio y magnesio en la estructura, identificándose por difracción de rayos X que se trata de clorita. La pérdida por calcinación a 1000 °C de talco puro es de 4,75 %, luego la diferencia observada con la que presenta este talco industrial se debe asociar a impurezas hidroxiladas, como son los silicatos del grupo de la clorita.In this particular embodiment of the invention, an industrial talc with a typical chemical composition such as the following (% by weight) is used as raw material: SiO 2 , 54.72%; MgO, 30.21%; Al 2 O 3 , 2.89%; Fe 2 O 3 , 3.23%, TiO 2 , 0.10%; CaO, 0.84%; Na 2 O, 0.06%; K2O , 0.00; loss on ignition at 1000 °C, 7.84%, total sum 99.89%. This chemical composition of industrial talc differs from the theoretical values of talc in terms of silicon and magnesium oxide content and loss on ignition (SiO 2 , 63.36% by weight; MgO, 31.89%), since it contains as an impurity another silicate with iron, aluminum and magnesium in the structure, identifying by X-ray diffraction that it is chlorite. The loss on calcination at 1000 °C of pure talc is 4.75%, so the difference observed with that of this industrial talc must be associated with hydroxylated impurities, such as silicates from the chlorite group.
La composición mineralógica del talco industrial que se determina en el ejemplo de realización de la invención es de 70 % en peso de talco como silicato hidroxilado de magnesio y 30 % en peso de otro mineral, en este caso particular clorita que contiene hierro y magnesio en su estructura. Asimismo, el análisis termogravimétrico confirma la presencia de clorita que se descompone por tratamiento térmico entre 400 y 800 °C, con deshidroxilación del talco entre 850 y 1100 °C.The mineralogical composition of the industrial talc that is determined in the embodiment of the invention is 70% by weight of talc as hydroxylated magnesium silicate and 30% by weight of another mineral, in this particular case chlorite containing iron and magnesium in its structure. Likewise, the thermogravimetric analysis confirms the presence of chlorite that decomposes by heat treatment between 400 and 800 °C, with talc dehydroxylation between 850 and 1100 °C.
Pueden utilizarse como materias primas para la obtención de forsterita otros tipos de talcos industriales, abundantes en países Europeos como España, que presenten variables contenido en impurezas, e incluso materiales procedentes de la purificación de talco destinado a la industria farmaceútica o cosmética o cerámica en la cual esté limitado, por ejemplo, al mínimo contenido en óxidos de hierro o bien al contenido en minerales accesorios, como son clorita y serpentina o magnesita (carbonato de magnesio). Esto revaloriza también el uso de subproductos de la extracción de estos minerales, fundamentalmente talco y serpentina. El talco se somete a una trituración previa de tal modo que el análisis granulométrico por sedimentación en agua, previa dispersión de las partículas, de una muestra del producto de la molienda indique que el tamaño de las partículas presente un diámetro medio de, al menos, 0,100 mm.Other types of talcs can be used as raw materials to obtain forsterite. industrial, abundant in European countries such as Spain, which present variable impurity content, and even materials from the purification of talc destined for the pharmaceutical or cosmetic or ceramic industry in which it is limited, for example, to the minimum content of iron oxides or to the content of accessory minerals, such as chlorite and serpentine or magnesite (magnesium carbonate). This also revalues the use of by-products from the extraction of these minerals, mainly talc and serpentine. The talc is subjected to prior grinding in such a way that the granulometric analysis by sedimentation in water, after dispersing the particles, of a sample of the milled product indicates that the size of the particles has an average diameter of at least 0.100mm.
Se utiliza también de materia prima óxido de magnesio (MgO comercial, mínimo 90-99 % en peso), de preferencia obtenido por tratamiento térmico de un precursor del óxido tal como magnesita (carbonato de magnesio) o el hidróxido (brucita), calcinado como mínimo a 1700 1800 °C y molido. No conviene partir directamente de magnesita o brucita para evitar pérdidas de peso relativamente elevadas debido a la eliminación dióxido de carbono, en un caso, o agua en el otro.Magnesium oxide (commercial MgO, minimum 90-99% by weight) is also used as raw material, preferably obtained by heat treatment of an oxide precursor such as magnesite (magnesium carbonate) or hydroxide (brucite), calcined as minimum at 1700 1800 °C and ground. It is not convenient to start directly from magnesite or brucite to avoid relatively high weight losses due to the elimination of carbon dioxide, in one case, or water in the other.
El tamaño medio de las partículas del óxido de magnesio debe ser inferior a 100 pm, de preferencia como mínimo un 97 % en peso ha de ser inferior a 63 pm.The average size of the magnesium oxide particles must be less than 100 pm, preferably at least 97% by weight must be less than 63 pm.
El óxido de magnesio puro como materia prima está disponible comercialmente en varias calidades. El óxido de magnesio como materia prima para refractarios puede ser periclasa de primer grado o "first grade”, con un contenido mínimo de 96-99 % en MgO, considerado el más adecuado para la realización de la invención, y con contenido en óxido de hierro inferior al 0,2 % en peso, una relación CaO:SiO 2 de 3:1 ó 4:1, contenido en Boro inferior al 0,01 % en peso y densidad de 3,44 g/cm3. Polvos de óxido de magnesio de segunda calidad o "second quality” para refractarios poseen un contenido mínimo de 95 % de MgO, óxido de hierro inferior al 1 % y una relación CaO:SiO 2 de 2:1, contenido bajo en Boro y densidad de 3,4 g/cm3. Otro tipo de polvo de óxido de magnesio o periclasa que se puede emplear es el calcinado a muerte o "dead burned”, con un contenido de 90-95 % de MgO, contenido de SiO 2 como máximo de 6-4 % en peso, 3-5 % de CaO, 1-2 % de M 2 O 3 , 1-2 % de Fe 2 O 3 con una pérdida por calcinación a 1000 °C como máximo de 0,5 % en peso.Pure magnesium oxide as a raw material is commercially available in various qualities. Magnesium oxide as a raw material for refractories can be first grade or "first grade" periclase, with a minimum content of 96-99% in MgO, considered the most suitable for carrying out the invention, and with magnesium oxide content. Iron oxide less than 0.2% by weight, a CaO:SiO 2 ratio of 3:1 or 4:1, Boron content less than 0.01% by weight and density of 3.44 g/cm3. Second quality magnesium or "second quality" for refractories have a minimum content of 95 % MgO, iron oxide less than 1% and a CaO:SiO 2 ratio of 2:1, low Boron content and density of 3.4 g/cm3. Another type of magnesium oxide or periclase powder that can be used is dead burned, with a 90-95% MgO content, a maximum SiO 2 content of 6-4% by weight, 3-5% CaO, 1-2% M 2 O 3 , 1-2% Fe 2 O 3 with a maximum loss on ignition at 1000 °C of 0.5% by weight.
Se puede emplear un polvo de óxido de magnesio de una inferior calidad o con mayor contenido de impurezas, atendiendo al contenido en óxidos de hierro, aluminio, boro, calcio o sílice, además del coste, pero en este caso el material cerámico o refractario resultante será también de inferior calidad debido al incremento de la fase vítrea y otras fases distintas de la forsterita, en detrimento de las propiedades mecánicas.A magnesium oxide powder of a lower quality or with a higher content of impurities can be used, depending on the content of iron, aluminum, boron, calcium or silica, in addition to the cost, but in this case the resulting ceramic or refractory material will also be of inferior quality due to the increase in the glassy phase and phases other than forsterite, to the detriment of mechanical properties.
La proporción de talco y óxido de magnesio que es necesaria y suficiente para conseguir la máxima formación de forsterita por reacción se basa en la relación estequiométrica de la misma, esto es, 2 moles de MgO y 1 mol de sílice, equivalente teóricamente a 57,14 % en peso de MgO y 42,85 % en peso de SiO 2 . Según esto, partiendo de un talco ideal (SiO 2 , 63,36 % en peso, MgO, 31,89 %), se deben mezclar 60-70 % en peso de talco, siendo el óptimo 65,53 % en peso, y 30-40 % en peso de óxido de magnesio, siendo el óptimo 34,46 % en peso de óxido de magnesio.The proportion of talc and magnesium oxide that is necessary and sufficient to achieve the maximum formation of forsterite per reaction is based on its stoichiometric ratio, that is, 2 moles of MgO and 1 mole of silica, theoretically equivalent to 57, 14% by weight of MgO and 42.85% by weight of SiO 2 . Accordingly, starting from an ideal talc (SiO 2 , 63.36% by weight, MgO, 31.89%), 60-70% by weight of talc should be mixed, the optimum being 65.53% by weight, and 30-40% by weight of magnesium oxide, the optimum being 34.46% by weight of magnesium oxide.
En el ejemplo de la invención partiendo de talco industrial, cuyas características químicas ya se han descrito anteriormente, y óxido de magnesio de 99 % en peso, se utilizan 70-80 % en peso de este talco industrial, siendo el óptimo 71,60 % en peso, y 20-30 % en peso del óxido de magnesio de 99 % en peso, siendo el óptimo 28,40 % en peso.In the example of the invention starting from industrial talc, whose chemical characteristics have already been described above, and magnesium oxide of 99% by weight, 70-80% by weight of this industrial talc are used, the optimum being 71.60%. by weight, and 20-30% by weight of magnesium oxide of 99% by weight, the optimum being 28.40% by weight.
Para realizar la mezcla, como el talco no llega a mojarse cuando se le adiciona agua y se aglomeran las partículas por hidrofobicidad, es necesario realizar una modificación del medio de mezcla, además de evitar en lo posible que el óxido de magnesio calcinado se hidrate en el medio y origine hidróxido. Para ello, se dispone de una mezcla de agua desionizada y acetona (mínimo 98 % en peso) en una relación 1:1 en volumen. Se añade la cantidad exactamente pesada de talco que corresponda al porcentaje en peso de la mezcla y se comienza a adicionar el óxido de magnesio en polvo, agitando continuamente con un agitador enérgico Selecta provisto de hélice. El tiempo de mezclado ha de estar comprendido entre 50 y 90 minutos, siendo el óptimo de 60 minutos.To carry out the mixture, since the talc does not become wet when water is added and the particles agglomerate due to hydrophobicity, it is necessary to modify the mixing medium, in addition to avoiding, as far as possible, the calcined magnesium oxide from hydrating in the medium and give rise to hydroxide. For this, a mixture of deionized water and acetone (minimum 98% by weight) is available in a 1:1 volume ratio. The exactly weighed amount of talc that corresponds to the percentage by weight of the mixture is added and the powdered magnesium oxide begins to be added, stirring continuously with a Selecta vigorous agitator equipped with a propeller. The mixing time must be between 50 and 90 minutes, the optimum being 60 minutes.
Una vez mezcladas y homogeneizadas las dos materias primas, se procede a la eliminación del medio líquido utilizado por evaporación al aire con un tratamiento térmico suave de secado en condiciones controladas a 110 °C. Una vez se haya secado la masa, se deshacen los aglomerados y el polvo obtenido, ya seco, se somete a un tratamiento térmico entre 250 y 350 °C en aire, siendo el óptimo 300 °C, y un tiempo de duración del mismo entre 30 y 120 minutos, siendo el óptimo de 90 minutos. Con este tratamiento se logra la eliminación del agua y acetona retenidos en la masa que no se hubiesen eliminado, a su vez, en el primer secado y disminuir en lo posible la hidratación de las partículas de óxido de magnesio, pues si se ha producido, el hidróxido de magnesio se descompondrá entonces con liberación de agua. Once the two raw materials have been mixed and homogenized, the liquid medium used is eliminated by evaporation in the air with a gentle thermal treatment of drying under controlled conditions at 110 °C. Once the mass has dried, the agglomerates are broken up and the powder obtained, now dry, is subjected to a heat treatment between 250 and 350 °C in air, the optimum being 300 °C, and a duration of the same between 30 and 120 minutes, with 90 minutes being optimal. With this treatment, the elimination of the water and acetone retained in the mass that had not been eliminated, in turn, in the first drying is achieved, and the hydration of the magnesium oxide particles is reduced as much as possible, because if it has occurred, the magnesium hydroxide will then decompose with the release of water.
El producto resultante del secado, que contiene el precursor de forsterita, se somete seguidamente a una etapa fundamental en esta patente de invención que es el tratamiento de molienda y activación mecanoquímica, empleando para ello un molino de alta energía como es un molino de bolas y de preferencia, un molino de bolas planetario. Este paso es primordial, en primer lugar, para conseguir una homogeneización en un grado muy elevado de las materias primas al mezclarse entre sí, produciéndose también una reducción del tamaño de las partículas y, lo más importante, para inducir la activación mecanoquímica que tiene lugar empleando un molino de alta energía. De preferencia, el molino de alta energía utilizado es un molino de bolas y más preferentemente, un molino planetario. De este modo se logran inducir reacciones mecanoquímicas en las materias primas de partida.The product resulting from drying, which contains the forsterite precursor, is then subjected to a fundamental stage in this invention patent, which is the grinding and mechanochemical activation treatment, using a high-energy mill such as a ball mill and preferably a planetary ball mill. This step is essential, first of all, to achieve a very high degree of homogenization of the raw materials when mixed with each other, also producing a reduction in the size of the particles and, most importantly, to induce the mechanochemical activation that takes place using a high energy mill. Preferably, the high energy mill used is a ball mill and more preferably a planetary mill. In this way, it is possible to induce mechanochemical reactions in the starting raw materials.
Por otra parte, la velocidad de rotación que debe emplearse para este tratamiento se encuentra entre 300 y 500 rpm, siendo el óptimo de 400 rpm. Y está complementado con otro parámetro a tener en cuenta que es el tiempo de tratamiento dentro del dispositivo, que debe estar entre 10 y 50 horas. La experiencia indica que el tiempo óptimo en el ejemplo de la invención es de 40 horas, ya que asegura un mayor grado de amortización del talco, examinado por difracción de rayos X, sin tener que aportar energía adicional con más molienda.On the other hand, the rotation speed that must be used for this treatment is between 300 and 500 rpm, with 400 rpm being optimal. And it is complemented with another parameter to take into account, which is the treatment time inside the device, which must be between 10 and 50 hours. Experience indicates that the optimal time in the example of the invention is 40 hours, since it ensures a greater degree of amortization of the talc, examined by X-ray diffraction, without having to provide additional energy with more grinding.
En el ejemplo de la invención se utiliza un molino de bolas planetario Retsch modelo S-1 y el dispositivo de preferencia es un jarro o recipiente realizado en esteatita, de volumen 300 mL, empleando una carga de 14 bolas del mismo material, 7 de ellas de 17 mm de diámetro y las otras 7 de 15 mm de diámetro. Se utiliza siempre la misma cantidad de muestra, 60,00 gramos, para realizar el tratamiento de activación mecanoquímica por molienda.In the example of the invention, a Retsch model S-1 planetary ball mill is used and the preferred device is a jug or container made of steatite, with a volume of 300 mL, using a load of 14 balls of the same material, 7 of them of 17 mm in diameter and the other 7 of 15 mm in diameter. The same amount of sample, 60.00 grams, is always used to carry out the mechanochemical activation treatment by grinding.
Se puede emplear otro dispositivo constituido por distinto material constituyente del jarro de molienda, como puede ser de acero con bolas del mismo material. Al emplear un jarro de esteatita, roca metamórfica compacta que contiene silicatos de magnesio, se minimiza la posible contaminación de la materia prima resultante para el siguiente tratamiento. Para un experto en la materia, al usar jarros de otros materiales mucho más duros, como puede ser de acero o carburo de wolframio, el tiempo de la activación mecánica por molienda podría reducirse, pero el grado de contaminación de la materia prima resultante sería más elevado que al emplear esteatita, ya que este material solo aporta sílice y magnesio que son los mismos constituyentes de la forsterita.Another device made of a different material that makes up the grinding jar can be used, such as steel with balls of the same material. By using a soapstone jug, a compact metamorphic rock that contains magnesium silicates, the possible contamination of the resulting raw material for the following treatment is minimized. For an expert in the field, by using jars made of other much harder materials, such as steel or tungsten carbide, the mechanical activation time by grinding could be reduced, but the degree of contamination of the resulting raw material would be more higher than when using steatite, since this material only provides silica and magnesium, which are the same constituents of forsterite.
El polvo resultante de este tratamiento de molienda, que es el precursor de forsterita, se procesa por métodos convencionales empleados en la fabricación de materiales conformados. The powder resulting from this grinding treatment, which is the forsterite precursor, is processed by conventional methods used in the manufacture of shaped materials.
Por ejemplo, se preparan pastillas o pellets partiendo del polvo molido, 10-30 gramos, mediante prensado uniaxial a 50 MPa, con un 5 % de humedad, en dos tiempos, empleando un molde metálico cilíndrico en una prensa de 120 Tm, modelo CMH-120 AF. Así, al emplear 30 gramos de polvo, se obtienen pastillas cilíndricas de 50 mm de diámetro y altura variable (ca. 10 mm).For example, tablets or pellets are prepared starting from the ground powder, 10-30 grams, by uniaxial pressing at 50 MPa, with 5% humidity, in two times, using a cylindrical metal mold in a 120 Tm press, model CMH -120 AF. Thus, by using 30 grams of powder, cylindrical tablets of 50 mm in diameter and variable height (ca. 10 mm) are obtained.
Seguidamente se realiza el paso del tratamiento térmico del material conformado. Es conveniente realizar el tratamiento térmico en varias etapas para evitar defectos en las probetas y favorecer las transformaciones térmicas. En una primera etapa, se trata el polvo previamente secado a 110 °C y 300 °C, primero hasta 800 °C a una velocidad de calentamiento entre 40 y 80 °C por hora, siendo la óptima de 60 °C por hora, durante un tiempo de permanencia a esa temperatura comprendido entre 60 y 150 minutos, siendo el óptimo de 120 minutos para eliminar todo resto de humedad presente en el polvo molido.Next, the step of heat treatment of the shaped material is carried out. It is advisable to carry out the heat treatment in several stages to avoid defects in the specimens and to favor thermal transformations. In a first stage, the previously dried powder is treated at 110 °C and 300 °C, first up to 800 °C at a heating rate between 40 and 80 °C per hour, the optimum being 60 °C per hour, during a residence time at that temperature between 60 and 150 minutes, the optimum being 120 minutes to eliminate all traces of moisture present in the ground powder.
Posteriormente, se eleva la temperatura hasta 1000 °C a una velocidad de calentamiento de 60 °C por hora y se mantiene a esta temperatura durante un mínimo de 60 minutos para favorecer el crecimiento de los núcleos cristalinos de forsterita. A partir de este tratamiento, se eleva la temperatura hasta 1100-1200 °C, siendo la óptima 1200 °C, a una velocidad de calentamiento entre 40 y 80 °C por hora, siendo la óptima de 60 °C por hora, durante un tiempo comprendido entre 60 y 150 minutos, siendo el óptimo de 120 minutos.Subsequently, the temperature is raised to 1000 °C at a heating rate of 60 °C per hour and is maintained at this temperature for a minimum of 60 minutes to favor the growth of the forsterite crystalline nuclei. From this treatment, the temperature is raised to 1,100-1,200 °C, the optimum being 1,200 °C, at a heating rate between 40 and 80 °C per hour, the optimum being 60 °C per hour, for a period of time between 60 and 150 minutes, the optimum being 120 minutes.
Se comprueba por difracción de rayos X y análisis de fases cristalinas que la formación de forsterita, como fase cristalina, se detecta a 1000 °C y aumenta en proporción relativa y carácter cristalino. A una temperatura de 1200 °C, con un tratamiento térmico entre 60 y 150 minutos, siendo el óptimo de 120 minutos, la proporción de fases cristalinas en el producto resultante se puede estimar de 90-95 % de forsterita como fase mayoritaria, 5 % de óxido de magnesio o periclasa que queda sin reaccionar y menos del 5 % de magnesioferrita (MgO.Fe2Ü3).It is verified by X-ray diffraction and analysis of crystalline phases that the formation of forsterite, as a crystalline phase, is detected at 1000 °C and increases in relative proportion and crystalline character. At a temperature of 1200 °C, with a heat treatment between 60 and 150 minutes, the optimum being 120 minutes, the proportion of crystalline phases in the resulting product can be estimated at 90-95% of forsterite as the majority phase, 5% of magnesium oxide or periclase that remains unreacted and less than 5% magnesium ferrite (MgO.Fe2Ü3).
Un ejemplo de material cerámico o material refractario que se puede obtener con el procedimiento de la invención después de tratamiento térmico del polvo precursor de forsterita sometido antes a tratamiento de activación mecanoquímica por molienda, previamente prensado a 50 MPa, a la temperatura de 1200 °C durante 120 minutos, posee las siguientes características físico-químicas:An example of ceramic material or refractory material that can be obtained with the process of the invention after heat treatment of the forsterite precursor powder previously subjected to mechanochemical activation treatment by grinding, previously pressed at 50 MPa, at a temperature of 1200 °C for 120 minutes, it has the following physical-chemical characteristics:
- Capacidad de absorción de agua: 4,2 % en peso. - Water absorption capacity: 4.2% by weight.
- Densidad aparente: 2,76 g/cm3.- Bulk density: 2.76 g/cm3.
- Porosidad abierta: 12,6 % en volumen.- Open porosity: 12.6% by volume.
- Coeficiente de dilatación térmica medio entre 20 y 900 °C de 11,52 x 10-6 x °C-1.- Average coefficient of thermal expansion between 20 and 900 °C of 11.52 x 10-6 x °C-1.
- Resistencia a los cambios bruscos de temperatura, o resistencia al choque térmico, medida como número de ciclos que resiste el material refractario sin agrietarse ni perder su cohesión, realizando el ensayo desde temperatura ambiente a 950 °C y enfriando en agua, mínimo de 3 ciclos.- Resistance to sudden changes in temperature, or resistance to thermal shock, measured as the number of cycles that the refractory material resists without cracking or losing its cohesion, carrying out the test from room temperature to 950 °C and cooling in water, a minimum of 3 cycles.
- Composición química (% en peso): SiO 2 , 41,22 %; MgO, 52,98 %; AhO3, 2,35 %; Fe2O3, 2,70 %, TiO 2 , 0,11 %; CaO, 0,56 %; Na 2 O, 0,05 %; K 2 O, 0,00 y suma total de 99,97 %.- Chemical composition (% by weight): SiO 2 , 41.22%; MgO, 52.98%; AhO3, 2.35%; Fe2O3, 2.70%, TiO2 , 0.11%; CaO, 0.56%; Na 2 O, 0.05%; K 2 O, 0.00 and sum total of 99.97%.
- Relación molar MgO/SiO 2 del material refractario obtenido = 1,89 -1,98 (teórico 2,00 de 2MgO.SiO2).- MgO/SiO 2 molar ratio of the refractory material obtained = 1.89 -1.98 (theoretical 2.00 of 2MgO.SiO2).
- Composición mineralógica: 90-95 % de forsterita.- Mineralogical composition: 90-95% forsterite.
Asimismo, mediante trituración del producto obtenido según el procedimiento de la invención siguiendo este ejemplo, se obtiene una chamota, calcina o arena de alto contenido en forsterita que puede ser empleada también en aplicaciones diversas y como materia prima para la preparación de refractarios con determinadas propiedades físicas, como son una porosidad controlada, con aplicaciones como material aislante, o bien previa adición de sales de cromo, para aplicaciones en LÁSER.Likewise, by grinding the product obtained according to the procedure of the invention following this example, a chamotte, calcine or sand with a high forsterite content is obtained, which can also be used in various applications and as raw material for the preparation of refractories with certain properties. physical, such as controlled porosity, with applications as an insulating material, or after adding chromium salts, for LASER applications.
El material cerámico que se obtiene por sinterización a 1400 °C durante 120 minutos, presenta idéntica composición química a la descrita anteriormente, con una densidad aparente de 2,85 g/cm3 y porosidad abierta de 4 % en volumen. Si se somete a un tratamiento de molienda para reducción del tamaño de las partículas del material conformado y sinterizado, empleando para ello un molino de martillos o un molino de mandíbulas, se pueden obtener granulometrías diversas por tamizado, siendo una muy conveniente a efectos de sus aplicaciones la que presenta un 30 % en peso de una fracción inferior a 0,100 mm y una fracción inferior a 0,040 mm de 50 % en peso, con un diámetro medio de las partículas de 0,063 mm.The ceramic material obtained by sintering at 1400 °C for 120 minutes has the same chemical composition as that described above, with an apparent density of 2.85 g/cm3 and open porosity of 4% by volume. If it is subjected to a grinding treatment to reduce the size of the particles of the shaped and sintered material, using a hammer mill or a jaw mill, various granulometries can be obtained by sieving, one being very convenient for the purposes of its applications which has 30% by weight of a fraction less than 0.100 mm and a fraction less than 0.040 mm of 50% by weight, with an average diameter of the particles of 0.063 mm.
Por otra parte, las características generales de los refractarios de forsterita, según norma UNE (Norma UNE 61027) que establece una sola calidad, basada principalmente en las características físicas de estos materiales, son las siguientes:On the other hand, the general characteristics of forsterite refractories, according to the UNE standard (UNE 61027 Standard) that establishes a single quality, based mainly on the physical characteristics of these materials, are the following:
- Contenido en Fe 2 O 3 en porcentaje (%) en peso, menor del 7 %.- Fe 2 O 3 content in percentage (%) by weight, less than 7%.
- Contenido en AhO 3 en porcentaje en peso, menor del 1,5 %.- AhO 3 content in percent by weight, less than 1.5%.
- Contenido en CaO en porcentaje, menor del 0,5 %. - CaO content in percentage, less than 0.5%.
- Porosidad máxima, en porcentaje en volumen, 20 %.- Maximum porosity, in percentage by volume, 20%.
Comparando estos valores con los correspondientes a los materiales cerámicos y refractarios básicos obtenidos, según el procedimiento de la invención atendiendo a este ejemplo ilustrativo y no limitante de la invención, puede deducirse que el contenido en óxido de hierro de los mismos cumple perfectamente las especificaciones dadas en la norma descrita.Comparing these values with those corresponding to the basic ceramic and refractory materials obtained, according to the procedure of the invention based on this illustrative and non-limiting example of the invention, it can be deduced that their iron oxide content perfectly meets the specifications given. in the described standard.
El contenido en alúmina es algo superior, pero no demasiado elevado y se evita utilizando como materia prima de partida un talco industrial de contenido inferior en alúmina al empleado en este ejemplo.The alumina content is somewhat higher, but not too high, and is avoided by using as starting raw material an industrial talc with a lower alumina content than that used in this example.
Finalmente, en cuanto a la porosidad, los materiales cerámicos y refractarios que se obtienen como resultado del procedimiento de la invención presentan valores incluso inferiores al especificado en la norma. Finally, in terms of porosity, the ceramic and refractory materials obtained as a result of the procedure of the invention have values even lower than those specified in the standard.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES202130248A ES2924598B2 (en) | 2021-03-19 | 2021-03-19 | Procedure for the preparation of ceramic, bioceramic and refractory materials of a basic nature with a high content of forsterite by means of reactive grinding |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES202130248A ES2924598B2 (en) | 2021-03-19 | 2021-03-19 | Procedure for the preparation of ceramic, bioceramic and refractory materials of a basic nature with a high content of forsterite by means of reactive grinding |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2924598A1 ES2924598A1 (en) | 2022-10-07 |
| ES2924598B2 true ES2924598B2 (en) | 2023-02-22 |
Family
ID=83462234
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES202130248A Active ES2924598B2 (en) | 2021-03-19 | 2021-03-19 | Procedure for the preparation of ceramic, bioceramic and refractory materials of a basic nature with a high content of forsterite by means of reactive grinding |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2924598B2 (en) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ES2345648B1 (en) * | 2009-03-27 | 2011-07-21 | Consejo Superior De Investigaciones Científicas (Csic) | PROCEDURE FOR OBTAINING A CERAMIC MATERIAL FORSTERITA. |
-
2021
- 2021-03-19 ES ES202130248A patent/ES2924598B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2924598A1 (en) | 2022-10-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101832945B1 (en) | Use of unfired refractory products as a lining in large-volume industrial furnaces, as well as an industrial furnace lined with said unfired refractory products | |
| ES2373407T3 (en) | COMPOSITION OF ORDINARY, REFRACTORY CERAMICS, AS WELL AS REFRACTORY PRODUCT OBTAINED FROM THE SAME. | |
| CN111620679B (en) | Method for preparing high-purity mullite material by taking fused silica as silicon source | |
| CN113061045B (en) | Magnesium-iron-zinc-aluminum composite spinel refractory brick for cement kiln burning zone and preparation method thereof | |
| GHASEMI et al. | A review on recent advances on magnesia-doloma refractories by nano-technology | |
| CN102596850B (en) | Mullite ceramic and method for producing same | |
| Baruah et al. | Synthesis of magnesium aluminate spinel—An overview | |
| CN115321961A (en) | A kind of high-purity dense calcium hexaaluminate series refractory material and preparation method thereof | |
| CN108101558A (en) | Compound saggar, preparation method and applications | |
| Singh et al. | Development of spinel sol bonded high pure alumina castable composition | |
| CN108558416A (en) | A kind of ceramic firing kiln furnitures and preparation method | |
| CN103011870A (en) | Forsterite refractory and production method thereof | |
| Kumar et al. | Thermo-mechanical properties of mullite—zirconia composites derived from reaction sintering of zircon and sillimanite beach sand: Effect of CaO | |
| KR101694975B1 (en) | Method for preparing low-temperature sinterable alumina and low-soda alumina | |
| CN103073206B (en) | Aluminate cement containing magnesium-aluminate spinel and preparation method thereof | |
| ES2924598B2 (en) | Procedure for the preparation of ceramic, bioceramic and refractory materials of a basic nature with a high content of forsterite by means of reactive grinding | |
| CN103951451B (en) | The manufacture method of high-strength wearable lining brick | |
| CN109160812A (en) | The low thermally conductive Mg-Al spinel brick of cement kiln | |
| CN108083823A (en) | Compound saggar, its preparation method and application | |
| Singh et al. | Urea based sols as binder for nano-oxide bonded high alumina refractory castables | |
| Mandal et al. | Calcite as a mineralizer and stabilizer for low-cost zirconia-mullite-alumina composites synthesized from siliceous clay, alumina and zirconia | |
| ES2345648B1 (en) | PROCEDURE FOR OBTAINING A CERAMIC MATERIAL FORSTERITA. | |
| Cardarelli | Ceramics, refractories, and glasses | |
| Chen | Sol-Gel Processing of Refractory Compounds in the Alumina-Baria System | |
| JPH0615421B2 (en) | Method for manufacturing mullite sintered body |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BA2A | Patent application published |
Ref document number: 2924598 Country of ref document: ES Kind code of ref document: A1 Effective date: 20221007 |
|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2924598 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B2 Effective date: 20230222 |