Anlisis de causas de fractura de piezas cermicas durante el ciclo de horneado/ Samuel Rodrguez Guzmn

ANLISIS DE CAUSAS DE FRACTURA DE PIEZAS CERAMICAS DURANTE EL CICLO DE HORNEADO.

Samuel Alejandro Rodrguez Guzmn, Dra. Laura Garca Quiroga

Pyrotek Mxico S de RL de CV

samrod@pyrotek-inc.com

RESUMEN

En el siguiente trabajo de investigacin se documenta un estudio de las causas potenciales de la fractura durante el proceso de horneado de piezas cermicas refractarias. Se analizaron registros histricos de desperdicio para determinar las causas raz. Se encontr que las causas que ms contribuyen son la diferencia de coeficiente de expansin trmica en los componentes de uno de los diseos, las propiedades mecnicas de los materiales usados y la falta de homogeneidad de temperatura durante el ciclo de horneado.

PALABRAS CLAVE

Refractario, Horneado, Expansin trmica, Fractura (agrietamiento), Costo de Calidad.

ABSTRACT

The followingresearchdocuments astudyof the potential causesof the fractureduring thefiring processof ceramicrefractory shapes.We analyzedhistorical records ofwasteto determinethe root causes.It was found thatthe causesthat most contribute are the difference inthermalexpansion coefficientofthecomponentin one product type, the mechanical propertiesof the materials used,andthe lack of homogeneityof temperature duringthe firing cycle.KEYWORDS

Refractory, Firing, Thermal expansion, Fracture (Cracking), Quality Costs. Fig. 1.1. Tpica grieta en pieza refractariaINTRODUCCION

Medicin de costos de Calidad

Generalmente la medicin de costos de calidad se dirige hacia reas de alto impacto e identificadas como fuentes potenciales de reduccin de costos. Aqullas que permiten cuantificar el desarrollo y suministran una base interna de comparacin entre productos, servicios, procesos y departamentos.

La medicin de los costos relativos a la calidad tambin revela desviaciones y anomalas en cuanto distribuciones de costos y estndares, las cuales muchas veces no se detectan en las labores rutinarias de anlisis. Por ltimo, y quizs sea el uso ms importante, la cuantificacin es el primer paso hacia el control y el mejoramiento.

Entre estos se encuentran los costos por desechos, que representan la prdida neta en mano de obra y materiales resultantes de defectos que no pueden ser utilizados ni reparados econmicamente.

La presente investigacin aborda el costo por desecho en un sistema de produccin de piezas refractarias y tiene como objetivo reducir el costo generado por el defecto ms comn en la operacin.Aspectos generales de los refractarios.El termino refractario proviene del latn refractarios, que significa terco y es a menudo definido como resistente a elevadas temperaturas. El termino refractario en ingeniera cermica implica un material cermico usado para procesamiento de materiales a altas temperaturas como lo son metales, vidrio y cemento.

En la actualidad los refractarios se manufacturan a partir de compuestos que incluyen a los elementos de slice, aluminio, magnesio, calcio, cromo y zirconio, entre otros.

Debido a su variedad pueden ser clasificados de diferentes maneras, una clasificacin aceptada es la que hace referencia a la materia prima utilizada en la preparacin del refractario.

Refractarios de slice. Son muy sensibles a los cambios de temperatura y al fabricarlos deben calentarse cuidadosamente para evitar agrietamientos debido al choque trmico; si se fabrican con arcilla, baja su punto de fusin, pero se logra una mayor resistencia a los choques trmicos.

Refractarios aluminosos. Este tipo de refractarios son clasificados por el contenido de almina, por lo general la materia prima suele ser la bauxita, que es la almina hidratada, refractarios con porcentajes entre 90-99% son utilizados en hornos de induccin donde se requiere un alto punto de fusin adems de estabilidad al contacto con escorias.

Otros son Refractarios de magnesia; de cromo y cromo-magnesia; de carbn; de zircn y zirconia.

Fig.2.1 Clasificacin de procesos de concretos.

Curado. La hidrataciny endurecimientodel hormign durantelos tres primeros dases fundamental. Secado rpidoanormaly contraccindebido a factores talescomo la evaporacinpor vientodurante el vaciadopuede dar lugar aincrementados esfuerzos de tensinen un momento enque an no haadquirido suficiente fuerza, dando lugar agrietas por contraccin.Laresistencia inicialdel refractariopuede aumentarse si se mantienehmedo duranteel proceso de curado.Minimizar el estrs durante el curado minimiza las grietas.

Sinterizacion. El proceso por el cual se consigue que pequeas partculas de un material se mantengan unidas por difusin en estado slido se llama sinterizacion. En la fabricacin de cermicas, este tratamiento trmico se basa en la transformacin de un producto poroso en uno compacto.Propiedades fsicas de los refractarios.

Porosidad: Relacionada con otras propiedades, incluyendo la resistencia al ataque qumico.

Resistencia a la abrasin: Las piezas estn sujetas al impacto de materias primas introducidas por gases a altas velocidades o polvos abrasivos.

Otras propiedades fsicas son Temperatura de fusin, Conductividad trmica y Capacidad calorfica.

Reforzamiento. Los refractarios son usualmente resistentes a la compresin,debido a que el agregadoeficientementellevala carga de compresin.Sin embargo, esdbil entensin, debido a que el cemento quemantiene al agregadoen su lugarpuede fracturarse,permitiendo fallar a laestructura.El refractario reforzadoresuelve estosproblemas mediante la adicin decualquiera de barras de refuerzode acero,fibras de acero, fibra de vidrioo fibrade plstico para llevarcargas de tensin encima.Fracturas cermicas durante horneado. La fractura cermica resulta de estrs dentro de un cuerpo refractario debido a la expansin y tensin trmica, la contraccin, y otras fuerzas.Secado deficiente o compresin desigual y la alineacin de las partculas puede dar lugar a baja resistencia. pueden aparecer en estado verde, as como cada etapa del horneado de cermica.Las fracturas causadas por el choque trmico se producen durante el proceso de horneado y son notorios despus de este proceso.La fractura es un problema que ocurre comnmente durante el proceso de enfriamiento del ciclo de horneado.Microgrietas, que no fueron percibidos en verde puede aparecer despus del horneado.Una grieta que aparece en cualquier etapa del quemado cada vez empeora a travs de mltiples ciclos de horno.

Es el "agrietamiento que se produce en los cuerpos cermicos que son horneados como resultado de una tensin inducida trmicamente" y es causada por un enfriamiento demasiado rpido despus del quemado.Aunque por lo general el agrietamiento ocurre durante la etapa de enfriamiento tambin puede ser ocasionada por rampas de calentamiento excesivamente rpidas.Las grietas de calentamiento pueden reconocerse por tener bordes redondeados, mientras que las grietas en el enfriamiento tienen los bordes afilados.Se ha encontrado que los cuerpos formulados con cristales de cuarzo en lugar de silex son ms susceptibles a fracturarse, especialmente al aplicar calor de nuevo.Se postul que esto puede estar relacionado con el menor mdulo de Young de los cuerpos basados en cuarzo.

Una de las dificultades ms grandes al trabajar con materiales refractarios es la de mantener el costo del desperdicio en un nivel aceptable, esto es debido a que la naturaleza del proceso tiende a ser sensible a muchas variables propias y ambientales y el material es delicado en su estado en verde: antes y durante su proceso de horneado.En la siguiente grafica podemos ver la distribucin de los principales defectos que ocasionaron costo por desecho de piezas en el periodo de un ao (2011) en la empresa en cuestin:

Fig. 2.2 Causas de desperdicio

Podemos observar que el principal defecto es la fractura durante el quemado (G) con un 41% de aportacin, la intencin de la presente investigacin es la de aislar este defecto como un problema a atacar, identificar sus causas raz y proponer ideas para erradicarlas.

Fig.2.3. Grieta en pieza refractariaMETODOLOGIA

Se elaboro un diagrama de Causa-efecto para identificar las posibles causas del problema.

Fig.3.1 Diagrama Causa-Efecto de problema de fracturas durante el horneado.Se analizo mediante representacin grafica y tablas pivote la informacin referente a la estadstica de piezas defectuosas a causa de una fractura ocurrida durante su proceso de horneado.

Las condiciones ambientales pueden considerarse causa potencial debido a que si el fraguado del refractario se lleva a cabo en condiciones inestables pueden generarse microgrietas que no se detectan al desmoldar, pero que crecen y se hacen notorias despus del horneado.

El desapego a los procedimientos de produccin debido al incremento del Nivel de produccin o demanda de productos, debe considerarse como causa potencial debido a que si no se cumplen las condiciones de proceso establecidas, tales como la formulacin de la mezcla, el reposo de los materiales, el tiempo antes del desmolde o quemado, es muy probable que no se desarrolle la resistencia necesaria, resultando en fracturas durante el ciclo de horneado. El Diseo debe considerarse como causa potencial debido a que una geometra compleja, paredes delgadas, cambios de espesor pueden tender a acumular esfuerzos en reas especficas y resultar en fracturas. Adems que debe considerarse la combinacin de materiales y como afecta la interaccin entre materiales y sus propiedades fsicas. Se debe revisar el Perfil de horneado debido a que, como se vio en la introduccin, ste juega un rol critico en la aparicin de fracturas si las rampas de calentamiento y enfriamiento no son las adecuadas.Las propiedades fsicas y mecnicas de los Materiales son una causa potencial debido a que la naturaleza del material debe ser robusta y adecuada para propiciar un proceso eficiente y un desempeo aceptable en la aplicacin final.Una variable importante es la Variacin de temperatura en el proceso de horneado debido a que si el equipo no se comporta como se supone, va a ocasionar puntos fros, calientes y diferenciales excesivos de temperatura. Cuando esto ocurre las reas del cermico crecen a diferente ritmo, lo que internamente provoca grietas o fracturas.RESULTADOS Y DISCUSION

A partir de la investigacin podemos delimitar la situacin y podemos resaltar las siguientes observaciones:

Condiciones ambientales:

La variacin de piezas fracturadas en el horneado que se observa en la figura 4.1 y que representa el periodo del ao 2011, no se acumula en una determinada poca del ao por lo que no podemos afirmar que es una causa raz del problema. La operacin de vaciado y curado se lleva a cabo en un cuarto a temperatura y humedad controlada, podemos decir que esa condicin a mantenido bajo control esta variable.

Fig. 4.1 Desperdicio por fractura en horno por mes

Se grafic la cantidad de piezas fracturadas en el horno contra el promedio de temperatura registrado durante el ao 2011. No se observa un comportamiento de correlacin entre el factor de temperatura y la cantidad de piezas fracturadas por lo que concluimos que no se trata de una causa raz.

Fig. 4.2 Relacin entre Desperdicio en piezas por fractura en horno por mes contra la temperatura ambiental mnima y mxima.

Fig. 4.3 Relacin entre Desperdicio en piezas por fractura en horno por mes contra la humedad relativa ambiental.

Podemos concluir que no hay relacin directa entre la estacin del ao (condiciones climticas) y el nivel de desecho generado.

Nivel de produccinEn la grfica 5.1 podemos observar que la cantidad de desperdicio por fracturas en horneado no aumenta o disminuye al variar el nivel de produccin.

Fig. 4.4 Porcentaje contra produccin de piezas de desperdicio por fractura en horno por mes

Diseo:En las tablas 6.1 y 6.2 se muestran en orden descendente los tipos de producto con la cantidad de desperdicio por fractura generado durante 2010 y 2011.

Fig.4.5 Cantidad de piezas fracturadas por tipo de producto, ao 2010.

Fig. 4.6 Cantidad de piezas fracturadas por tipo de producto, ao 2011.El tipo de producto que ms contribuye al defecto de piezas fracturadas en horno, es el tubo de desgasificado, el cual se compone de un cuerpo cermico que contiene un tubo de acero al carbn en su interior, su aplicacin es la de inyectar nitrgeno al aluminio liquido para disminuir el nivel de oxigeno y controlar la densidad del metal liquido. Podemos concluir que la principal razn por la que este tipo de producto es el que mayor incidencia tiene en el problema es por la combinacin de dos materiales con tanta diferencia en su coeficiente de expansin trmica y que el diseo debe considerarse una causa raz.

Fig. 4.7, 4.8, 4.9. Imagen de diseo con mayor incidencia de problema de fractura durante horneadoPerfil de horneado:

Se cuenta con 2 perfiles de horneado, uno para los tubos de desgasificado (Cuentan con un tubo de acero en su interior) y otro perfil para los dems productos.

Fig. 4.10, 4.11 Perfiles y grficas de quemado.

Lo que podemos observar es que el perfil TB1 no cuenta con plateu a la temperatura de eliminacin de agua, la rampa de 200 a 500 es ,ms rpida, adems ninguno de los 2 cuenta con una rampa de enfriamiento, la cual es crtica para la aparicin de fracturas.

Podemos considerar el perfil de quemado como una causa raz de problema. Materiales:

En las grficas siguientes se muestra en orden descendente los materiales con mayor problema de fracturas durante el horneado durante el ao 2010 y el 2011.

Fig. 4.12 Cantidad de piezas fracturadas por tipo de material, ao 2010.

Fig. 4.13 Cantidad de piezas fracturadas por tipo de material, ao 2011.

De acuerdo al ACI (American Concrete Institute) la contraccin y expansin se debe al cambio de humedad en la pasta del cemento, los agregados reducen su volumen y proveen una resistencia interna que reduce significativamente la magnitud de los cambios de volumen del refractario. Agregados gruesos pueden mejorar hasta un 36% la resistencia a la fractura en el concreto e inhiben la propagacin de grietas.

Fig. 4.14 Propiedades fsicas y mecnicas de los materiales de las piezas fabricadas con problema de fractura en ciclo de horneado.

Podemos deducir que los materiales ms finos son los que ms se fracturan en el quemado, por lo cual consideramos el material y sus propiedades como causa raz. Variacin en proceso de horneadoEl equipo para el proceso es un horno de gas, con un quemador, sin recirculador de aire, sin abanico de recirculacin, el aislamiento es de tableta cermica. Las dimensiones del horno son 4ft W x 3ft H x 5 ft D en la cmara interior, cuanta con un controlador Partlow MRC7000 fue transferido de una planta filial en Estados Unidos donde cumpla la misma funcin de horneado de piezas refractarias.

Se realizo una corrida de uniformidad de acuerdo a la norma ASTM A991 Standard Test Method for Conducting Temperature Uniformity Surveys on Furnaces Used to Heat Treat Steel Products. Esta norma indica que la variacin de temperatura no debe exceder 50 grados F del Set point.

Para esta prueba se colocaron 9 termopares en cada zona del horno y se registro el perfil de quemado real con un data logger. Se registraron 4 ciclos de quemado: Fig. 4.15 Horno de quemado de piezas Fig. 4.16 Data logger para prueba ASTM refractarias.

A991.

Fig.8.3 Grfica de uniformidad de temperatura en ciclo de horneado nmero 1.

Fig.4.17 Grfica de uniformidad de temperatura en ciclo de horneado nmero 2.

Fig.4.18. Grfica de uniformidad de temperatura en ciclo de horneado nmero 3.

Fig.4.19. Grfica de uniformidad de temperatura en ciclo de horneado nmero 4.Podemos observar variacin excesiva de temperatura entre zonas, puntos fros y calientes.Esta variacin si la consideramos causa raz para el problema de fracturas.

CONCLUSIONES

La causas raz de las fracturas durante el horneado son:

El diseo de las piezas, en esta caso contar con un tubo de acero en el interior.

La falta de rampas de enfriamiento en el perfil de quemado.

Las propiedades mecnicas de los materiales. El material que ms se fractura tiene un valor bajo de Modulo de Ruptura. El tamao de grano de los agregados del material hace ms fcil la propagacin de la grieta.

La variacin de temperatura en el proceso de horneado. El incremento del problema sin correlacin con otros factores puede deberse a variables que no medimos ni controlamos actualmente como el correcto funcionamiento del horno.

Las siguientes recomendaciones pueden ayudar a disminuir la magnitud del problema:

Revisar el diseo de las Tees y Campanas difusoras buscando amortiguar la expansin trmica entre el acero y el refractario. Se puede utilizar un tubo de menor dimetro para incrementar la pared y por ende volverla ms resistente. Se sugiere incrementar el espesor del papel cermico que se coloca entre ambos materiales de 1/16 a 1/8 de espesor; tambin es importante dejar un mnimo espacio hueco para permitir la expansin esto se puede lograr con cinta adhesiva de un determinado grosor o aplicando una capa de cera, las cuales desaparecern durante el horneado. Tambin se puede considerar agregar un refuerzo refractario como el mostrado en la figura 5.1, esto aumentar la proporcin Superficie expuesta/ Volumen de material lo que ayuda a mejorar la contraccin durante fraguado y horneado. Se debe hacer una revisin en los perfiles de quemado actual para eliminar rampas excesivamente rpidas, colocar mantenimientos en las temperaturas a las que harn ebullicin los componentes no metlicos ni cermicos. Se debe agregar una rampa de enfriamiento y los dispositivos necesarios para controlar esta rampa, una compuerta automtica, abanicos de enfriamiento, entre otros.

Se sugiere usar un material que tenga un valor ms alto de Modulo de ruptura en fro y en caliente. Es importante considerar un material con un tamao de grano ms grande para que sea ms resistente a la propagacin de grietas. El material que se seleccione deber ser probado para determinar si es compatible con el proceso de manufactura actual. Para mejorar el proceso de horneado se recomienda reubicar la posicin del termopar de control a una zona ms neutral o cntrica. Adems de revisar el aislamiento interno y el sellado de la cmara a fin de eliminar fugas de calor y puntos fros. Tambin se recomienda instalar una compuerta en el tiro de salida y una turbina recirculadora de aire para controlar el flujo de calor y contribuir a una mejor uniformidad de temperatura.Podemos concluir que an cuando un proceso de produccin est establecido, ste depende ntimamente de las caractersticas contextuales de la operacin y que en determinado momento puede surgir o agravarse un problema, y que la manera ms efectiva de atacarlo es en base a una metodologa cientfica que te permite observar claramente las causas del problema y su contribucin real. Fig.5.1. Nuevo diseo conceptual de Tee reforzadaREFERENCIAS

1. Estadsticas histricas de variables climticas. http://www.tutiempo.net/clima/Monterrey_Gen_Maria/01-2011/763943.htm

2. Definiciones. http://www.mitecnologico.com/Main/CostosDeCalidad3. Datos de hojas tcnicashttp://www.pyrotek.info/4. Informacin general

Fractura cermica: http://en.wikipedia.org/wiki/Pottery_fracturePropiedades del concreto: http://en.wikipedia.org/wiki/ConcreteAspectos generales de los refractarios http://cdigital.dgb.uanl.mx/te/1020149031/1020149031_02.pdfRefractories and industrial ceramics. http://www.springerlink.com/content/a677146022488752/Cermica tcnica: http://es.wikipedia.org/wiki/Cer%C3%A1mica_t%C3%A9cnicahttp://www.concrete.org/General/f224R(01)Chap3.pdfhttp://www.michigan.gov/documents/mdot/MDOT_Research_Report_RC1404_341959_7.pdfPerfil de horneado.

Diseo de productos Geometra, combinacin de materiales.

Variacin en proceso relacionada con el horno, ya sea el sistema de combustin o el control.

Materiales: Propiedades fsicas y mecnicas no adecuadas.

Microgrietas durante fraguado por variaciones climticas (Temp y % Humedad)

Desapego a Procedimiento por nivel de produccin alto

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