Obtención del abrasivo SiC-Al2O3 Mediante Proceso SHS-AE, efecto sobre el Medio Ambiente

1. Introducción

El medio ambiente global manifiesta, cada vez más, un mayor deterioro debido al uso indiscriminado de los recursos naturales y a la insuficiente atención, en general, que se da a la solución de los efectos negativos que esto produce sobre los seres vivos, incluidas las poblaciones humanas.

En este sentido, se reconoce que los problemas de la protección del medio ambiente, que gradualmente surgieron en los siglos anteriores, se agudizaron bruscamente en la segunda mitad del siglo XX a causa de la Revolución Científico-Técnica, donde la ciencia se convirtió en fuerza productiva directa empujando los procesos de producción y haciendo sentir su impacto sobre el medio ambiente.

Si hasta el momento primaba una visión triunfalista sobre la tecnología, a partir de este momento comienza a darse una preocupación y ocupación por parte de, científicos, sobre la concepción que hasta ese momento se manejaba sobre el medio ambiente.

La Conferencia Intergubernamental sobre la Educación Ambiental, realizada en Tbilisi, Georgia, en 1977, auspiciada por Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO) y con la colaboración del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA), actualizó la evolución lógica e histórica del concepto medio ambiente al expresar en el informe final que: "… se ha convenido ahora en que el concepto de medio ambiente debe abarcar el medio social y cultural y no solo el físico, por lo que los análisis que efectúan deben tomar en consideración las interacciones entre el medio natural, sus componentes biológicos y sociales, y también los factores culturales…".

Es decir que a la hora de abordar el medio ambiente hay que contar con la presencia del hombre, en estrecha interacción con la naturaleza, pero también con el resto de los demás hombres, los cuales le imprimen su huella.

Los procesos tecnológicos están mediados por el nivel de desarrollo alcanzado por la sociedad, la cual en última instancia condiciona la manera de llevarlos a cabo, un ejemplo de ello lo constituye, la obtención de materiales cerámicos con múltiples características (abrasivas, electrónicas, ópticas, etc.), lo cual se remonta desde el siglo XIX y ha venido evolucionando hasta la actualidad, desde grandes hornos, altos consumidores de energía eléctrica, emisores de contaminantes al medio ambiente, hasta el uso de modernos equipamientos: molinos especiales (síntesis por mecanoquímica), hornos microwave y la síntesis auto-propagada de alta temperatura en reactores abiertos o cerrados, entre otros.

La producción de productos abrasivos, se encuentra concentrada en manos de grandes monopolios norteamericanos. El mayor productor de abrasivos en los Estados Unidos a finales de la década de los 90 fue la Norton Co. de Worcester, Massachusett, una subsidiaria totalmente poseída indirectamente por la Compañía Francesa de Saint Gobain, la cual posteriormente en el 2002 tuvo ingresos de 30,2 mil millones de USD. A finales de Octubre de 1999, la Norton adquirió la Furon Co. líder en diseño y fabricación de productos de ingeniería hechos de polímetros de altas prestaciones. La Norton cambió su nombre a Saint-Gobain Abrasives Inc. en el 2001, además de ser el mayor productor de abrasivos en el mundo, esta compañía produce cerámicas, plásticos y productos para procesos químicos. En todo el mundo tiene alrededor de 16000 empleados y tiene 88 fábricas en los Estados Unidos y 19 en otros países.

En nuestro país no existen plantas productoras de estos materiales, solo existe una fábrica de muelas abrasivas a partir de materias primas importadas. En contraposición con esta situación nos encontramos que existen varias fábricas con excelente equipamiento, los cuales pudieran ser utilizados para la producción de materias primas cerámicas, dentro de ellas están: Antillana de Acero en la Habana, Planta Mecánica en Santa Clara, Acinox en las Tunas y Planta Mecánica en Moa, entre otras. Por lo que sería muy ventajoso aprovechar estas instalaciones y su cultura metalúrgica, en el desarrollo y aplicación de métodos para la obtención de productos abrasivos en nuestro país, con el consecuente ahorro de divisas por concepto de sustitución de importaciones, permitiéndonos la soberanía tecnológica a partir de nuestros recursos naturales.

En la Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas existe un Centro de Investigación de Soldadura donde se han realizado varios trabajos relacionados en la obtención de nuevos materiales y constituye un acervo científico-técnico que sientan una base precedente de conocimiento y experiencia para enfrentar el desarrollo de esta temática, entre los que se encuentran "hornos por arco eléctrico de mediana capacidad para la síntesis de fundentes fundidos", "reducción carbotérmica", "trabajos utilizando la energía de la reacción aluminotérmica en reactores de grafito, para la obtención de metales puros y aleaciones complejas, ferroaleaciones y de ferroaleaciones con escorias de propiedades abrasivas (galaxita)(Carrillo-Alfonso, 2003, Cruz-Crespo, 2002, Gómez-Pérez, 1996, González-Ruiz, 2001, Jerez-Pereira, 2006, Morales-Rodríguez, 2006, Perdomo-González, 2000, Pons, 2000, Torres-Alpízar, 2002), pero no existen precedentes de "combinar el uso de la energía del arco eléctrico y la energía de la reacción aluminotérmica simultáneamente en la obtención de materiales cerámicos con dureza superior a 9 en la escala de MOHS a partir de nuestros recursos naturales y desechos industriales".

La necesidad de esta investigación está fundamentada por el incremento de la demanda de productos abrasivos en la industria metal-mecánica, el déficit de su producción, la concentración en monopolios norteamericanos, así como al desarrollo de procesos productivos más eficientes energéticamente respetuosos del medioambiente a partir de materias primas y materiales reciclados nacionales.

A partir de lo explicado se puede definir:

2. Problema Científico

Se desconoce la influencia sobre el medio ambiente de las características estructuroquímicas de las materias primas naturales y materiales reciclados y la combinación del proceso aluminotérmico con arco eléctrico como proceso de bajo consumo energético, en la síntesis del material cerámico del sistema SiC-Al2O3

Hipótesis

El empleo de materiales reciclados y materias primas naturales con determinadas características estructuroquímicas y del proceso de combustión auto-sostenido de alta temperatura (aluminotérmia) asistido con arco eléctrico permite la síntesis de materiales cerámicos con características abrasivas con bajo consumo de energía disminuyendo la contaminación del medio ambiente

3. Objetivo General

Contribuir a disminuir la contaminación del medio ambiente a través de la obtención de un material cerámico a partir de recursos minerales naturales y materiales reciclados que se enmarque en el sistema SiO2-Al-C, cuyas fases mayoritarias sean el ßSiC-aAl2O3 mediante la Síntesis por Combustión Auto-Sostenida de Alta Temperatura (aluminotérmia) asistida con la energía de arco eléctrico con un bajo consumo de energía.

Objetivos Específicos

• Valorar los métodos precedentes de obtención de compósitos cerámicos del sistema del tipo SiC-Al2O3 y seleccionar el más adecuado en función de disminuir el consumo de energía.

• Diseñar y construir horno de arco eléctrico, así como los accesorios complementarios para la realización de la síntesis.

• Proponer un método para la obtención de un compósito cerámico del tipo SiC-Al2O3, con propiedades físicas específicas, como: alto punto de fusión, alta rigidez, alto esfuerzo compresivo así como resistencia al desgaste y a la corrosión.

• Determinar los parámetros más idóneos del método propuesto para lo obtención de compósitos cerámicos o metalocerámicos. Caracterizar el compósito cerámico determinando sus características químico-estructurales y sus propiedades físicas.

• Proponer y evaluar una aplicación práctica del compósito cerámico obtenido y analizar el ahorro del consumo de energía y la disminución de la contaminación sobre el medio ambiente.

4. Desarrollo

En primera aproximación puede decirse que los materiales cerámicos son aquellos materiales químicamente definidos como inorgánicos y no metálicos, sin embargo, esta definición engloba a las rocas y a muchos minerales que se encuentran en la naturaleza que no son considerados como cerámicos (Freiman, 1991).

Un concepto un tanto simple fue dado por Kingery, quien señala que "una cerámica es un sólido inorgánico no-metálico" (Kingery et al., 1976). En otras palabras lo que no es un metal, un semiconductor o un polímero, es una cerámica.

El autor de este trabajo lo define como un compuesto sólido que se obtiene por la aplicación de calor y en ocasiones con la combinación de calor y presión, comprimiendo por lo menos dos elementos con la condición que uno de ellos es un no-metal o un elemento sólido no–metálico.

Existe una variedad de métodos para la síntesis de los polvos cerámicos divididos en dos grandes grupos: métodos mecánicos y métodos químicos, los métodos mecánicos son generalmente usados para la preparación de cerámicas tradicionales a partir de materias primas de origen natural, pero en los últimos años se reportan importantes investigaciones de cerámicas avanzadas y de materiales biocerámicos (González et al., 2000, Cihangir et al., 2007, Duran et al., 2008, Gonzalez et al., 2006, Welham et al., 1999), mediante el molido de alta velocidad.

Los métodos químicos son generalmente usados para la preparación de polvos para las cerámicas avanzadas a partir de materias primas sintéticas o de origen natural, algunos de estos métodos combinan en su primera parte un molido como parte del proceso. El molido usualmente es necesario para destruir la presencia de aglomerados y la producción de determinadas características físicas, como son el tamaño promedio de partícula y el promedio de distribución de partícula.

La preparación de polvos por esta vía es un área del procesamiento de las cerámicas que ha tenido recientes e importantes resultados (Dobbs and Dolhert, 2005, Dobbs, 2005a, Dobbs, 2005b, Jingyan and Clive, 2008, Han and Li, 2005, Gustafsson et al., 2008).

Existen diversos métodos de obtención de polvos cerámicos, de ellos, el utilizado en esta investigación es el químico con reacción entre sólidos para la síntesis del SiC-Al2O3. Para la obtención de este producto se reportan en la literatura diferentes procesos (Amroune et al., 2000, Lee et al., 2000, Kiminami et al., 2001, Han and Li, 2005, Altinkok. et al., 2007, Cihangir et al., 2007, Pushkarev, 2002).

La utilización de la Síntesis por Combustión Auto-Sostenida de Alta Temperatura, conocida por SHS (Self-Propagating High-Temperature Synthesis), es un proceso (Merzhanov, 1997) que consiste básicamente en comenzar la reacción a partir de una fuente de energía externa. Una vez iniciada la reacción, el calor exotérmico ayuda a que se propague a través de los reactantes por todo el volumen y haga energéticamente auto-sostenido el proceso (Pathak et al., 1997). Estos autores necesitaron precalentar la mezcla de reactantes hasta una temperatura aproximada de 400°C para lograr que la reacción se propagara por todo el volumen, haciendo menos económico el proceso desde el punto de vista energético y haciendo posible disminuir la contaminación sobre el medio ambiente.

Nuestro país presta especial atención a la protección del medio ambiente en el contexto de una política de desarrollo consagrada en la obra revolucionaria iniciada en 1959, como expresión de lo cual, el Artículo 27de la Constitución de la República postula que:

"El Estado protege el medio ambiente y los recursos naturales del país. Reconoce su estrecha vinculación con el desarrollo económico y social sostenible para hacer más racional la vida humana y asegurar la supervivencia, el bienestar y la seguridad de las generaciones actuales y futuras. Corresponde a los órganos competentes aplicar esta política. Es deber de los ciudadanos contribuir al a protección del agua, la atmósfera, la conservación del suelo, la flora, la fauna y todo el rico potencial de la naturaleza"

El ser humano necesita formas para proteger el medio ambiente. Sobre el particular, Castro, F. (1992), señaló que "los portentosos avances de la ciencia y la tecnología se multiplican diariamente, pero sus beneficios no llegan a la mayoría de la Humanidad, y siguen estando en lo fundamental al servicio de un consumismo irracional que derrocha los recursos limitados y amenaza gravemente la vida en el planeta".

Hoy intelectuales, científicos, estadistas han comenzado a prestar tención a este problema, Pueden citarse diversos hechos harto elocuentes de tan relevante estado de cosas, como son entre otros: la internacionalización que ha adquirido el fenómeno ambiental, el grado de concienciación alcanzado sobre los problemas ecológicos globales, el surgimiento de un fuerte movimiento de organizaciones no gubernamentales (ONGs) de corte ambientalista, así como los compromisos formales de muchos estados y gobiernos en hacer reversible el deterioro del entorno al más corto plazo de tiempo posible.

Sin lugar a equívocos, ante tal desafío el planeta se divide entre dos grandes grupos de países, de una parte una minoría industrializada, poderosa y rica, con un alto desarrollo de la ciencia y la tecnología y una mayoría atrasada, pobre y desposeída, con un incipiente desarrollo científico técnico, dotadas ambas con marcadas diferencias en el nivel de vida, pero semejantes al compartir una baja calidad de vida. Recordemos que más del 90 % de la capacidad científica y tecnológica mundial está en manos de un reducido grupo de países y algunos centenares de grandes corporaciones transnacionales. Tal proceso de concentración es parte del proceso de marginalización que la actual globalización reserva para numerosos grupos humanos y países. La ciencia y la tecnología son parte de la dinámica de concentración de riqueza y poder.

Es precisamente en el seno de los países poderosos donde se encuentra el origen de la pobreza ambiental predominante en el mundo de hoy, al imponer a la Humanidad los actuales patrones de desarrollo, donde ha predominado la ignorancia ambiental, junto a la avaricia, el egoísmo y la necedad propios de la especie humana.

Mientras que de una parte, la minoría de la Humanidad se aísla en un ambiente de consumismo, artificial enajenado y pobre en sus componentes sociales y ecológicos, la otra parte minoritaria, subsiste en precarias condiciones de vida, matizada por la agonía que representa el círculo vicioso donde se opta por la pobreza, el hambre, la insalubridad, el analfabetismo, el deterioro ambiental y otras secuelas derivadas del estilo de desarrollo impuesto desde el Norte del mundo.

A las puertas del siglo XXI el nivel de desarrollo nunca antes alcanzado por la ciencia y la tecnología está marcando transformaciones tan significativas en la sociedad actual como lo hicieron en su momento las dos revoluciones industriales, de ahí la denominación de tercera revolución industrial al cambio cualitativo y la interrelación ciencia-técnica-tecnología-producción y el papel protagónico de la ciencia y su conversión en fuerza productiva directa, proceso que identificamos como Revolución Científica Técnica.

En el ámbito social se aprecia el elevado costo del desarrollo que gravita sobre el capital humano, la insuficiente valoración del impacto social en el proceso de desarrollo, la incipiente cultura ambiental en cuanto a gestión participativa, la insuficiente sensibilización humana sobre los problemas del ambiente y la escasa utilización de las elevadas potencialidades humanas para resarcir los efectos negativos sobre el ambiente.

Los componentes más sensibles que alertaron sobre el deterioro del medio ambiente, se refieren a los efectos nefastos de los actuales estilos de desarrollo, sobre las aguas, el aire atmosférico, los suelos, la diversidad biológica, los cambios climáticos y las condiciones culturales, curativas, éticas y estéticas de la naturaleza.

En tal compleja situación se ha originado por lo tanto una nueva crisis, la ambiental, que se añade a tantas otras propias de estos tiempos, como son entre otras la económica, la financiera y las guerras y que con diferente connotación a éstas últimas, amenaza a más largo plazo con el exterminio de la especie humana.

En la actualidad la Humanidad asiste a la crisis de la era del desarrollismo industrial, dado el acusado declive que muestran sus efectos sobre los sistemas sustentadores de la vida en el Planeta y sobre la propia subsistencia del ser humano. Resulta evidente reconocer que la tecnología y la eficiencia económica comienzan a rendirse ante las respuestas y reacciones de los sistemas biofísicos, a su transformación desmedida, y al hecho de que no se respeta la lógica propia de las leyes de la Naturaleza (Jiménez Herrero, 1995).

De ahí la necesidad de prestar atención sobre el compromiso ético de investigadores y científicos para con el medio ambiente, lo cual permitirá su conservación y la disminución de su contaminación por la utilización de sustancias químicas nocivas, buscando formas alternativas en la producción de nuevas sustancias, a partir de la utilización de recursos minerales naturales y materiales reciclados que no lo agredan, además de las ventajas que en el plano económico significan.

5. Conclusiones

El siglo XX, que ha sido un siglo intensamente industrial y tecnológico, proporciona una perspectiva impresionante de lo conseguido en términos de evolución tecnológica. El hombre ha creado un mundo artificial pero profundamente humano, ya que ha surgido del hombre mismo dando libertad a su naturaleza más profunda y a sus características más genuinas. El único problema es que la tecnología, una vez fuera de la mente del hombre, es decir, una vez hecha realidad física, y una vez puesta al servicio de los intereses de unos y de otros, adquiere autonomía, se rebela y causa, o puede causar, estragos sin límite en la vida del hombre, razón por la cual se hace necesario utilizar a la naturaleza pero racionalmente.

El Proceso propuesto de Síntesis por Combustión Auto-Sostenida de Alta Temperatura asistida con la energía de arco eléctrico (EA-SHS), para la obtención de cerámicas compuestas de SiC-Al2O3a partir de materias primas naturales (carbón vegetal) y materiales reciclados (vidrio sódico-cálcico) es un proceso que permitirá disminuir la contaminación sobre el medio ambiente.

6. Bibliografía

AMROUNE, A. G., FANTOZZI, J. D., DELOUME., J.-P., DURAND., B. & HALIMI., R. 2000. Formation of Al2O3–SiC powder from andalusite and carbon. Materials Science and Engineering A, 290, 11-15.

ARANA E. M., CALDERÍN V. A., VALDÉS M. N. 1999. La cultura tecnológica del ingeniero y el cambio de paradigma. En Tecnología y Sociedad. Editorial Félix Varela. MES.

CIHANGIR, D., GÖÇMEZ., H. & YiLMAZ., H. 2007. Dispersion of mechanochemically activated SiC and Al2O3 powders. Materials Science and Engineering.

CRUZ-CRESPO, A. 2002. Síntesis por fusión de un fundente fundido del sistema MnO-SiO2 para la soldadura por arco sumergido. Universidad Central "Marta Abreu de Las Villas".

DURAN, C., GÖÇMEZ, H. & YILMAZ, H. 2008. Dispersion of mechanochemically activated SiC and Al2O3 powders. Materials Science and Engineering: A, 475, 23-26.

FREIMAN, W. 1991. Introduction to Ceramic and Glasses, ASM International.

GACETA OFICIAL DE LA REPUBLICA DE CUBA Edicion Extraordinaria, La Habana, 11 de julio de 1997, AÑO XCV, 7, 47

GÓMEZ-PÉREZ, C. R. 1996. Obtención de un fundente fundido para la SAAS. a partir de rocas cubanas. Universidad Central "Marta Abreu de Las Villas".

GONZÁLEZ-RUIZ, J. 2001. Obtención de recubrimientos difusivos de carburos complejos de cromo en aleaciones de hierro carbono a partir de cromita refractarias. Universidad Central "Marta Abreu de Las Villas".

GONZALEZ, G., SAGARZAZU, A. & VILLALBA, R. 2006. Mechanochemical transformation of mixtures of Ca(OH)"2 and (NH"4)"2HPO"4 or P"2O"5. Materials Research Bulletin, 41, 1902-1916.

GONZÁLEZ, G., SAGARZAZU, A. & VILLALBA, R. 2000. Study of the mechano-chemical transformation of goethite to hematite by TEM and XRD. Materials Research Bulletin, 35, 2295-2308.

GUSTAFSSON, S., FALK, L. K. L., LIDÉN, E. & CARLSTRÖM, E. 2008. Pressureless sintered Al2O3-SiC nanocomposites. Ceramics International, 34, 1609-1615.

JEREZ-PEREIRA, R. 2006. Matriz fundida vítrea obtenida a partir de la reducción carbotérmica de residuales sólidos industriales destinada a fundentes aglomerados aleados para la soldadura automática. Universidad Central "Marta Abreu de Las Villas".

JINGYAN, H. & CLIVE, P. 2008. Oxidation of SiC powders for the preparation of SiC/mullite/alumina nanocomposites. Journal of Materials Science, 43, 4031-4041.

KINGERY, W. D., BOWEN, H. K. & UHLMANN, D. R. 1976. Introduction to Ceramics, John Wiley & Sons.

LEE, J. H., AN, C. Y., WON, C. W., CHO, S. S. & CHUN, B. S. 2000. Characteristics of Al2O3–SiC composite powder prepared by the self-propagating high-temperature synthesis process and its sintering behavior. Materials Research Bulletin, 35, 945-954.

MERZHANOV, A. G. 1997. Reviews – Fundamentals, achievements, and perspectives for development of solid – flame combustion. Russian Chemical Bulletin, 46, 1-27.

MORALES-RODRÍGUEZ, F. 2006. Obtención de carga aleante para consumibles de soldadura utilizando residuales catalíticos y cromita cubana. Universidad Central "Marta Abreu de Las Villas".

NÚÑEZ, J. 1999 "La ciencia y la tecnología como procesos sociales". Editorial Félix Varela. La Habana,

PATHAK, L. C., MUKHERJEE, I., DAS, S. K., GANGULY, R. G., RAMACHANDRARAO, P. & BANDYOPADHYAY, D. 1997. Fabrication of Al2O3-SICW in situ composite through a new combustion technique. Elsevier Science.

PERDOMO-GONZÁLEZ, L. 2000. Obtención de un fundente aglomerado aleado para el recargue a partir de los productos de la reducción de cromitas refractarias cubanas. Universidad Central "Marta Abreu de Las Villas".

PONS, J. 2000. Obtención de productos refractarios para la fundición a partir de dunitas serpentinizadas de la región de Moa, zonas "Merceditas" y "Amores". Universidad Central "Marta Abreu de Las Villas".

PUSHKAREV, O. I. 2002. Production of Abrasive Materials in the SiC-Al2O3 System. Refractories and Industrial Ceramics, 43, 8-10.

COLECTIVO DE AUTORES, 2002. Tecnologia y Sociedad.. Editorial Felix Varela.

TORRES-ALPÍZAR, E. 2002. Estudio de la influencia del Cr y el Ni en las propiedades mecánicas y funcionales de los depósitos de soldadura de acero al manganeso. Universidad Central "Marta Abreu de Las Villas".

WELHAM, N. J., KERR, T. & WILLIS, P. E. 1999. Ambient-Temperature Mechanochemical Formation of Titanium Nitride-Alumina Composites from TiO2 and FeTiO3.

Autor:

M. Sc. Ing. Jorge Luis Garcia Jacomino

Dr. Lic. Rafael Quintana Puchol

M. Sc. Lic. María de los Angeles Castillo Dávila

Centro de Investigación de Soldadura (CIS)

Facultad de Ingeniería Mecánica

Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas

Carretera a Camajuaní Km. 5½

Santa Clara, Villa Clara, CP. 54830

Cuba