Debido a su naturaleza refractaria, se seleccionaron dos residuos provenientes de procesos de la industria petroquímica y termoeléctrica nombrados catalizador de reforma y cenizas volantes, así como un mineral de cromita, como posibles candidatos para ser usados como materias primas en recubrimientos aplicados por proyección térmica.

Con el fin de adecuar cada una de las materias primas a los requerimientos de tamaño que tiene el proceso de proyección térmica, las partículas del catalizador de reforma y las del mineral de cromita fueron molturadas en un molino de bolas. Los polvos obtenidos, junto con las cenizas volantes fueron clasificados por tamizado a la fracción -270 + 325 de la serie Tyler.

Su composición química y fases cristalográficas fueron determinadas mediante fluorescencia de rayos X y difracción de rayos X respectivamente empleando un espectrómetro ARL OPTIMIX^TM y un difractómetro Panalytical-Empyream con ánodo de cobre de radiación Kα λ=1.540598Å con una velocidad de escaneo de 0.026^o/minuto, los espectros de difracción obtenidos fueron analizados mediante el método de Rietveld haciendo uso del software PANalytical HighscorePlus con el fin de cuantificar las fases cristalinas detectadas en cada muestra. Por su parte, la morfología de las partículas, después de la molienda y del tamizado, fueron analizadas por medio de un ensayo de microscopia de barrido electrónico en un equipo de marca Jeol^TM JSM-6490LV.

La rugosidad en la superficie del sustrato influye directamente en la adherencia del recubrimiento, razón por la cual generalmente se realiza una preparación superficial al material sobre el cual será depositado el recubrimiento, con el fin de proporcionarle suficiente àrea de anclaje a las partículas que serán depositadas sobre él. Normalmente la rugosidad se mide a través de instrumentos de contacto como perfilómetros y rugosímetros, no obstante, en el caso de los ladrillos refractarios utilizados en este trabajo, la superficie posee cambios topográficos excesivos que superan la capacidad de medida de los instrumentos de contacto, razón por la cual fue necesario utilizar una técnica de no contacto que permite correlacionar la rugosidad de la superficie del sustrato con su porosidad superficial.

De acuerdo con lo anterior, se evaluó la porosidad superficial de los ladrillos refractarios de referencia ER-40 y de concreto refractario de referencia CBC-50, ambos fabricados por la empresa ERECOS S.A.S., los cuales fueron utilizados como sustrato; para la determinación de la porosidad superficial se utilizó el método de análisis de imágenes a partir de fotografías tomadas a la superficie de cada uno de los ladrillos, utilizando un microscopio estereográfico y el software ImageJ. Los valores de porosidad reportados son el promedio de las medidas obtenidas a partir de 5 imágenes, las cuales fueron seleccionadas tratando de cubrir un área representativa de la superficie de la muestra y teniendo en cuenta el tamaño de los poros.

Para establecer las condiciones adecuadas para la elaboración de los recubrimientos mediante proyección térmica, se llevó a cabo la elaboración de recubrimientos preliminares complementados con simulaciones numéricas realizadas con el software Jets&Poudres [10] desarrollado por la Universidad de Limoges, el cual permite determinar el perfil de temperaturas de llamas oxiacetilénicas a partir del flujo del gas combustible y comburente, así como el número de Sommerfeld (K), que indica si una partícula proyectada sobre un sustrato tendrá alta posibilidad de adherirse a él [4].

Los flujos de gas utilizados para la simulación de los perfiles de temperatura de la llama son mostrados en la Tabla 1. Por su parte, las características físicas, así como las propiedades térmicas teóricas de las partículas a las cuales se les determinó el número de Sommerfeld, calculadas con base en el porcentaje de fases cristalográficas presentes en las materias primas, son mostradas en la Tabla 2.

Tabla 1

Fuente: Cadavid, E.

Tabla 2

Fuente: Cadavid, E.

Los recubrimientos fueron elaborados en la cámara de proyección térmica ARESTE I de la Universidad de Antioquia, la cual está equipada con una antorcha Eutectic Castolin Terodyn^TM 2000 modificada y posee dispositivos electromecánicos para controlar los principales parámetros de la proyección, así como un pirómetro óptico para medir la temperatura de precalentamiento del sustrato. En la elaboración de los recubrimientos se utilizó el Roto Jet RPA3 para guiar y acelerar las partículas dentro de la llama. La velocidad lineal de desplazamiento de la antorcha frente a los sustratos fue de 0,59 cm/s y la velocidad de rotación del porta-muestras fue de 92,2 RPM. Los demás parámetros usados para elaborar los recubrimientos son presentados en la Tabla 3.

Tabla 3

Fuente: Cadavid, E.

La caracterización estructural de los recubrimientos se realizó mediante microscopia de barrido electrónico utilizando un equipo de marca Jeol^TM JSM-6490LV, mientras que sus fases cristalinas se identificaron por medio de Difracción de Rayos X utilizando un equipo PANalytical Empyream con los mismos parámetros de la sección 2.1. Las pruebas de adhesión se realizaron mediante pull off de acuerdo con la norma ASTM D4541 [11].

De acuerdo a los resultados del análisis químico, consignados en la Tabla 4, se pudo establecer que el mineral de cromita está constituido principalmente por hierro, cromo, aluminio, magnesio y titanio; por su parte, en el catalizador de reforma los principales constituyentes son aluminio y níquel, acompañados de silicio, sodio y azufre. Así mismo se evidenció que las cenizas volantes contienen principalmente silicio, aluminio y hierro. Los elementos anteriores pueden estar en forma de óxido o mezclados entre sí formando compuestos.

Tabla 4

Fuente: Cadavid, E.

De acuerdo con el análisis de imágenes realizado a la superficie de cada uno de los sustratos, se pudo establecer que la porosidad superficial del ladrillo y del concreto refractario es de 10.5 ± 3.9% y de 4.9 ± 0.8% respectivamente, y que el tamaño de los poros del ladrillo es más pequeño que en los refractarios de concreto. Superficies con porosidades como las medidas en los refractarios que se utilizarán como sustratos, aumentarán de forma importante la adhesión del recubrimiento, ya que cada uno de estos poros constituyen puntos de anclaje para las partículas depositadas.

Los resultados de las simulaciones realizadas con el fin de predecir la afectación térmica de las materias primas en vuelo durante el proceso de proyección térmica por llama oxiacetilénica, se presentan en las Fig. 3, 4 y 5. Donde se aprecia el porcentaje de fusión y el valor del K-Sommerfeld para las diferentes materias primas a lo largo de la llama, así como los perfiles de temperatura de la llama respectivamente. Estas mediciones se obtuvieron con base en las relaciones volumétricas de gases especificadas en la Tabla 1.

Figura 3 Fuente: Cadavid, E.

Figura 4 Fuente: Cadavid, E

Figura 5 Fuente: Cadavid, E.

En las Figs. 6 y 7. Se muestran los recubrimientos obtenidos y su microestructura respectivamente.

Figura 6 Fuente: Cadavid, E

Figura 7 Fuente: Cadavid, E

A partir del análisis realizado a las imágenes de la Fig. 7. Se pudo establecer que el espesor de los recubrimientos elaborados con el mineral de cromita, el catalizador de reforma y las cenizas volantes son 489.79 ± 22 µm, 570.10 ± 29.8 µm y 423.06 ± 21.5 µm respectivamente. Así mismo, en los recubrimientos elaborados con catalizador de reforma, Fig. 7b. Y cenizas volantes, Fig. 7c. Se evidencia la presencia de partículas sin fundir, lo que propicia la formación de defectos en la estructura del recubrimiento; por otro lado, en el recubrimiento elaborado con mineral de cromita las partículas alcanzaron un estado de fusión adecuado para la formación de lamells con alto grado de empaquetamiento, Fig. 7a.

La falta de fusión de las partículas del residuo de catalizador de reforma y de las cenizas volantes está asociado a la alta porosidad de los polvos de partida, lo que reduce la transferencia de calor desde la superficie de la partícula hacia su interior durante el calentamiento en la llama oxiacetilénica utilizada para la proyección térmica.

Por su parte, los resultados del análisis de difracción de rayos X realizado a los recubrimientos depositados permitieron establecer que las fases cristalinas identificadas en el recubrimiento elaborado con el mineral de cromita solo presenta una fase cristalina, aluminato de magnesio (MgAl₂O₄), Fig. 8a. Mientras que el recubrimiento depositado a partir del catalizador de reforma está constituido principalmente por alúmina γ, alúmina α y con una pequeña cantidad de níquel metálico, ver Fig. 8b. Por otro lado, las fases cristalinas presentes en el recubrimiento de las cenizas volantes son cuarzo, mullita y hematita, ver Fig. 8c.

Figura 8 Fuente: Cadavid, E

Durante la elaboración de los recubrimientos, las materias primas sufren transformaciones de fase debido al tratamiento térmico al que son expuestas, este consiste en aumentos de temperatura, en muchos casos hasta su punto de fusión, y enfriamientos a tasas muy altas; por esta razón no todas las fases cristalográficas identificadas en las tres materias primas, ver Fig. 1. fueron detectadas en los recubrimientos obtenidos.

Por su parte, en la Tabla 7 se reporta el valor del esfuerzo de la falla producida durante el ensayo de adhesión mediante pull off. El análisis de la fractura producida hizo evidente que los recubrimientos elaborados con catalizador de reforma fallan de manera cohesiva entre capas del recubrimiento, lo que indica que la energía de enlace entre las partículas que lo conforman es menor a la fuerza de adhesión con el sustrato, esto se debe a que no logran un estado de fusión adecuado y por ende la estructura del recubrimiento es menos homogénea. Lo Anterior puede influir negativamente en el desempeño del recubrimiento cuando sea expuesto bajo condiciones mecánicas que puedan promover la descohesión de las capas que lo constituyen. A pesar de lo anterior, es importante tener en cuenta que el valor del esfuerzo al que se produce la falla cohesiva es lo suficientemente alto como para soportar los requerimientos mecánicos a los que normalmente son expuestos los materiales refractarios. Por otro lado, los recubrimientos elaborados con residuos de cromita y cenizas volantes presentan fallas cohesivas en el sustrato, es decir, que los enlaces entre las capas de recubrimiento y su adherencia al sustrato son más fuertes que las fuerzas cohesivas del ladrillo refractario.

Tabla 7

Fuente: Cadavid, E