Fabricacion de Ladrillo Refractario-1 (1)

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

II LABORATORIO DE REFRACTARIOS Y HORNOS METALURGICOS I.

TITULO: FABRICACION DE LADRILLOS REFRACTARIOS AISLANTES

II.

OBJETIVO: 

Elaboración de ladrillos refractarios.



Encontrar la densidad aparente y real



Encontrar la porosidad total y aparente.



Caracterizar el ladrillo tanto refractario como aislante (composición, tipo de  poros)

III.

RESUMEN Está presente practica de laboratorio de refractarios y hornos metalúrgicos, se explicará de manera detallada sobre los materiales refractarios que existe, así como su composición química que deben de llegar dependiendo de los tipos de refractario que se habla más adelante, así también como el ladrillo refractario va ligado junto con el refractario como se menciona. Así mismo hablará de las propiedades del concreto refractario, así como su materia prima y como es que va constituido. Finalmente, en el procedimiento experimental será detallado los pasos a seguir para elaboración de un ladrillo refractario aislante.

IV.

FUNDAMENTO TEORICO:

4.1. MATERIALES REFRACTARIOS Se conoce como material refractario a aquellos materiales cuyas propiedades permiten que  pueda soportar temperaturas muy elevadas, sin embargo, estos deben de soportar una temperatura en específico sin sufrir ningún tipo de deterioro en sus condiciones internas, como por ejemplo la corrosión. Esta condición permite que los materiales refractarios sean utilizados en todos los hornos de fabricación, ya sea en las refinerías, industria química, metalurgia, industrias de vidrio y cerámica. El material refractario conocido por excelencia I LABORATORIO DE REFRACTARIOS Y HORNOS METALURGICOS: FABRICACION DE LADRILLOS REFRACTARIOS AISLANTES

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO es la cerámica. Estos materiales están formados por partículas diminutas de óxido, las cuales están unidas a otro material de características refractarias, pero más fino.

4.1.1. INTRODUCCION A LOS REFRACTARIOS REFRACTARIOS Los Refractarios comienzan a utilizarse con el desarrollo primitivo de las primeras cerámicas cocidas, cocidas, utilizadas por el hombre, al construir los hornos de cocción con los mismos materiales arcillosos con los que se hace la cerámica. Con el desarrollo de la metalurgia del hierro, fue necesario buscar materiales más resistentes para la Fundición del mismo. Los materiales refractarios constituyen un conjunto de productos intermedios indispensables en un país desarrollado, ya que sin ellos se detendría toda la actividad industrial en la que se dan condiciones de operación severas (Ataque químico, tensiones mecánicas, etc.) y en la que, casi siempre, se requiere la utilización de temperaturas elevadas. Procesos Procesos como la cocción, la fusión, afinado de cualquier tipo de material, la calcinación, así como otros muchos, no pueden desarrollarse si los productos o los equipos de producción (HORNOS) no están protegidos por materiales refractarios. Así mismo y cada vez más frecuentemente, ciertos procesos de producción específicos no pueden ser puestos en marcha si no se ha desarrollado previamente el revestimiento refractario adecuado. adecuado. De todo ello se deduce deduce el carácter carácter estratégico de este tipo de materiales, más allá del valor en sí del material o de su participación en la estructura de un determinado proceso. Por otra parte, un revestimiento refractario- aislante hace que las pérdidas de calor a través de las paredes de los hornos sean menores, contribuyendo de ese modo al ahorro energético, debido a un menor consumo de calor. Los principales sectores de aplicación de los materiales refractarios, así como el tipo de instalación en la que se usan pueden verse en la tabla 1. En ella también se da la temperatura del proceso y el tipo o tipos de refractarios utilizados. Se observa que se corresponden con sectores industriales básicos de la economía de un país. Se han detallado, no de una manera exhaustiva, las aplicaciones dentro de la industria siderúrgica, ya que a ella le corresponde el mayor consumo de materiales refractarios con un 60 %, aproximadamente. aproximadamente. Si al sector siderúrgico añadimos el de tos metales no férreos, el del vidrio, el del cemento y la cal y el cerámico tradicional el tanto por ciento de consumo anterior se eleva al 80 %. La industria de los materiales refractarios ha experimentado una extraordinaria evolución en los últimos años, como consecuencia I LABORATORIO DE REFRACTARIOS Y HORNOS METALURGICOS: FABRICACION DE LADRILLOS REFRACTARIOS AISLANTES

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO de las nuevas y cada vez más exigentes especificaciones impuestas por la industria consumidora. Esto se ha traducido, no solo en un más estricto control de las materias  primas y en una mejora de los procesos de fabricación, sino en el aporte científico de técnicas que, procediendo tanto de la metalografía como de la fisicoquímica de materiales, han permitido el establecimiento de los diagramas de equilibrio de fases de los óxidos potencialmente utilizables como refractarios por su elevado punto de fusión (A12O3, CaO, SiC2, MgO, ZrO2, Cr2O3, etc.), lo que ha supuesto un mejor conocimiento de la influencia de las impurezas presentes, a la temperatura y condiciones reales de trabajo de cada tipo de material. Igualmente, los avances en los estudios micro estructurales han permitido prever, tanto el comportamiento ante el ataque químico o erosión de las escorias y gases presentes, como una mejor evaluación de las propiedades termo mecánicas requeridas a los revestimientos refractarios. Tabla 1.- Materiales Refractarios empleados en los procesos industriales de alta temperatura.

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4.1.1.1. CLASIFICACION DE LOS REFRACTARIOS La primitiva historia de los materiales refractarios está relacionada con la historia de la alfarería (cerámica). Sin embargo, la historia de los refractarios durante el siglo  pasado está íntimamente ligada con el crecimiento de las industrias metálicas, puesto que su avance necesitaba de los refractarios adecuados para la construcción de los hornos. Inicialmente, la producción de materiales refractarios se limitó a unos pocos tipos de ladrillos de todo propósito, siendo sus principales consumidores las industrias I LABORATORIO DE REFRACTARIOS Y HORNOS METALURGICOS: FABRICACION DE LADRILLOS REFRACTARIOS AISLANTES

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO cerámicas, del hierro, de los metales no férreos y del vidrio. A finales del siglo pasado el aumento de la aplicación de los metales no férreos, especialmente del cobre, y la llegada de la industria masiva del acero provocaron grandes cambios en la industria refractaria. El aumento de la demanda de producción dio lugar al aumento del tamaño de los hornos con el consiguiente aumento de las tensiones y esfuerzos sobre los materiales refractarios de su revestimiento, acentuado por los grandes tonelajes  procesados y por las mayores temperaturas de operación. Además, el material refractario estaba sujeto a la abrasión, erosión mecánica y corrosión química de las escorias, fundentes y gases. Para hacer frente a las condiciones anteriores fue necesario desarrollar nuevos materiales refractarios especiales, lo cual fue posible gracias a una estrecha colaboración entre los fabricantes de refractarios y los consumidores. De acuerdo con su carácter químico los refractarios tradicionalmente se dividen en: ácidos (ladrillos de arcilla cocida de bajo contenido en alúmina y alto en sílice, sílice),  básicos (magnesita y dolomía) y neutros (cromita y carbono). Esta clasificación nos va a servir como base para realizar un breve recorrido por su desarrollo histórico.

A. REFRACTARIOS ACIDOS El principal constituyente de los refractarios ácidos es la sílice (95%Si02). Soporta bien los fundentes ácidos. Debido a su elevada resistencia a la compresión en caliente, pueden emplearse a temperaturas próximas a su punto de ablandamiento, sin embargo es muy sensible a cambios bruscos de temperatura especialmente bajo los 650°C, tienen un gran coeficiente de dilatación lineal a baja temperatura por lo cual hay que prevenir las oportunas juntas de dilatación en la construcción de revestimiento con ladrillos, pero no sufren variaciones sensibles de volumen en el intervalo de temperatura de 600 a 1600°C, así, son muy pequeños los movimientos de la estructura y bóvedas de los hornos durante el proceso de fabricación de acero. Para fabricar los ladrillos de sílice, se cuece en hornos de cuba a 800°C, la sílice natural, se mezcla con poca cal (0.5%), se comprime la masa en formas apropiadas y se cuecen las piezas obtenidas. Con ladrillos de sílice se construyen los revestimientos de los convertidores Bessemer y las bóvedas de los hornos eléctricos, de los Martín - Siemens, las cámaras de coque y otros. Las soleras de estos hornos se construyen de masa I LABORATORIO DE REFRACTARIOS Y HORNOS METALURGICOS: FABRICACION DE LADRILLOS REFRACTARIOS AISLANTES

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO refractaria de sílice. Los refractarios silico-aluminosos resisten bien los cambios bruscos de temperatura, pero soportan poca presión; en las pruebas se ablandan mucho antes de alcanzar el punto de fusión (1710°C) El comportamiento de este material refractario esta entre ácido y neutro y soportan muy bien las escorias y fundentes básicos, tanto más cuanto mayor es su contenido en alúmina. Los refractarios silico-aluminosos son los más usados en casi todos los tipos de hogares u hornos y de estufas especialmente  para las paredes. El revestimiento de cubilotes se hace con masa refractaria, o con ladrillos silico-aluminosos, aunque también para fundiciones especiales se emplean con el revestimiento básico de dolomita o masa refractaria de sílice. La silimanita es un refractario de alto contenido de aluminio (más del 60% de alúmina) y tiene un comportamiento neutro. Se emplea en los hornos eléctricos y en los hornos Martín - Siemens básicos como capa divisoria entre la solera  básica de dolomita y la bóveda de sílice.

B. REFRACTARIOS BASICOS. La magnesita, constituida por un 80% de óxido de magnesio (Tf =2800°C), sílice, cal, alúmina y óxido de hierro, tiene un comportamiento básico, posee alta refractariedad y resistencia al ataque de escorias y fundentes a base de óxido de hierro. El óxido de magnesio se obtiene por calcinación de la magnesita, (carbonato de magnesio) o del hidrato de magnesio obtenido del agua marina. La resistencia en caliente bajo carga es pequeña comparada con la que tienen los ladrillos silícicos y no resisten las bruscas variaciones de temperaturas. La magnesita calcinada tiene una elevada conductividad térmica y una dilatación de 1.30% a 1000°C. Cuando ocurren calentamiento y enfriamientos sucesivos se producen tensiones considerables que son la causa de la debilidad característica de los ladrillos de magnesita. La dolomita natural está constituida principalmente por carbonato de calcio y carbonato de magnesio. Para ser utilizada, deben separarse por calcinación los  productos volátiles, agua y anhídrido carbónico La roca dolomía calentada a 1200°C se transforma en una mezcla de óxido de calcio y de óxido de magnesio llamada dolomita, que generalmente en forma granulada o de ladrillos se emplea cómo refractario en los hornos. La composición de la dolomita, es del orden del 40% MgO, 58% de CaO, 1% de Si02 y el resto se I LABORATORIO DE REFRACTARIOS Y HORNOS METALURGICOS: FABRICACION DE LADRILLOS REFRACTARIOS AISLANTES

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO compone de pequeñas cantidades de óxido de hierro, alúmina y trazas de magnesio. (Thomas Gilchrist 1877) La magnesita tiene punto de fusión de 2800°C y la cal de 1570°C. Las mezclas de cal y magnesita tienen un punto de fusión del orden de 2300°C. La dolomita calcinada molida o triturada se emplea principalmente en la reparación del revestimiento en los hornos básicos de fabricación de acero. Se puede mezclar con alquitrán para aglomerar la masa, también se fabrican ladrillos y bloques de dolomita que se utilizan en la base de las soleras y las paredes de los hornos  básicos. Las soleras se pueden preparar con ladrillos de magnesita o de dolomita, colocados sobre chapas de acero, cubriendo luego los ladrillos con dolomita molida o dolomita y magnesita fuertemente apisonada hasta formar un bloque monolítico homogéneo. La presencia de la cal que conserva sus propiedades características, presenta varias inconvenientes, es muy higroscópica y causa la descomposición de la dolomita que al enfriarse se desintegra en forma de  polvo.

C. REFRACTARIOS NEUTROS.  La cromita es un refractario a base de sesquióxido de cromo (45%Cr203) y tiene un comportamiento neutro o sea que soporta bien las escorias y fundentes ácidos o básicos, pero posee muy  poca resistencia a la compresión en caliente y a los cambios bruscos de temperatura. Se emplea para reparar los revestimientos de las bóvedas acidas en los hornos eléctricos de arco y en los Martín-Siemens, para los lechos de las soleras de los mismos hornos y para las paredes y soleras que han de estar en contactos con escorias o fundentes enérgicos. La cromo-magnesita (15-50% Cr2O3) se comporta mejor que los ladrillos de cromita en los ensayos bajo cargas de 2 Kg/cm2 A elevadas temperaturas se emplea en las paredes de los hornos Siemens y eléctricos y en las bóvedas suspendidas de los hornos Siemens porque resisten mejor los cambios de temperaturas que los ladrillos de magnesita. Los ladrillos de cromo-magnesita tienen mejor aceptación que los de cromita  por tener mejor resistencia a las escorias y al descascarado y mejor comportamiento a elevadas temperaturas bajo carga.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO El grafito es un refractario de comportamiento neutro, soporta temperaturas hasta de 1800°C y es sensible a las variaciones de temperatura, pero debe estar en ambientes cerrados y que contengan óxidos de carbono para evitar su combustión. Se emplean para fabricar crisoles en la fusión de metales, en electrodos de hornos eléctricos, piqueras de colada y en el crisol del alto horno. El carborundo o carburo de silicio, tiene una elevada conductividad térmica y gran insensibilidad a las variaciones de temperatura. Se fabrican piezas especiales y se mezclan a veces con grafito para la fabricación de crisoles. Los refractarios aislantes son ladrillos porosos y de poco peso con una conductividad térmica mucho menor que los refractarios comunes y una capacidad de retención del calor, superior a cualquier refractario de composición similar. Los ladrillos aislantes se usan en la parte posterior de otros ladrillos de alta refractariedad y alta conductividad térmica, aunque en algunas oportunidades se pueden emplear directamente como revestimiento de trabajo si no hay abrasión, ataque de escoria o contacto con líquidos. Las  principales ventajas en el uso de aislante son la economía en el combustible y la disminución en el tamaño y peso del revestimiento del horno

D. REFRACTARIOS ESPECIALES . Existen otros materiales cerámicos que se utilizan en aplicaciones refractarias más bien especiales. Algunos de ellos son el óxido de relativamente alta pureza, muchos de los cuales pueden  producirse con poca porosidad. En este grupo se encuentra la alúmina, sílice, magnesia, oxidó de berilio (BeO). Circona (ZrO2) y mullita (3Al2O32SiO2). Otros refractarios son compuestos de carburos, además de carbono y grafito. El carburo de silicio (SiC) ha sido utilizado para resistencias eléctricas de calefactores, como material de crisoles y en componentes internos de hornos. El carbono y el grafito son muy refractarios, pero encuentran limitadas aplicaciones debido a que son susceptibles a la oxidación a temperaturas superiores a 800ºC. Tal como cabría de esperar, estos refractarios especiales son relativamente caros. Hoy en día todos estos tipos de refractarios se  presentan en diferentes formas: Los refractarios son fundamentalmente materiales capaces de resistir altas temperaturas sin fundirse. Pero no solo eso, además deben poseer una resistencia mecánica elevada a dichas temperaturas para poder resistir sin I LABORATORIO DE REFRACTARIOS Y HORNOS METALURGICOS: FABRICACION DE LADRILLOS REFRACTARIOS AISLANTES

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO deformarse su propio peso y el de los materiales que están en contacto sobre ellos. Dependiendo de las aplicaciones se les exigirán otras propiedades en mayor o menor grado, por ejemplo, la estabilidad química frente a los metales fundidos, las escorias, el vidrio fundido, los gases y vapores, etc. y resistencia a los cambios bruscos de temperatura (Choque térmico). Por ejemplo, los materiales refractarios destinados a la realización de chimeneas industriales (Centrales térmicas, petroquímicas, etc.) ha de exigírseles una resistencia elevada al ataque de los ácidos, particularmente al ácido sulfúrico (H2SO4), ante la posibilidad de la aparición de dicho ácido a  partir del vapor de agua y del SO2 de los gases. Además de resistir esta combinación de severas condiciones, los materiales refractarios deben poder fabricarse en piezas de ciertas tolerancias dimensionales, manteniendo una constancia de características y propiedades y, naturalmente, lo más barato  posibles y partiendo de materias primas fáciles de obtener.

4.1.2. LADRILLO REFRACTARIO Los ladrillos refractarios actualmente son empleados para revestir calderas, ollas de aceración, parrillas, hornos rotatorios de cementeras, por mencionar algunas, en donde estos deben estar adheridos uno con uno con tierra refractaria y para lograr mejorar la firmeza del pegado también se puede agregar cemento dándonos por resultado una mezcla que tendrá una apariencia barrosa; esta mezcla permite que el pegado en la tierra sea suficientemente resistente para los procesos. El manejo de estos ladrillos no es tan simple como manejar ladrillos comunes, debido a que por sus mismas propiedades reacciona de manera explosiva con otros materiales que no sean los correctos. Al igual que la tierra refractaria, los ladrillos refractarios además de cumplir con su función de refractar, son excelente contenedores de calor, es decir, mantienen el calor al que son expuestos durante sus diferentes usos. De las peculiaridades de este tipo de material es que son fabricados en calidades variadas, dependiendo de la concentración de alúmina y en base a esta concentración el ladrillo resiste mayores temperaturas o puede ser usado para distintos medios. Las concentraciones van desde el 36% hasta el 99% de Alúmina, aunque también se puede emplear sílice.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO Principalmente cuando se quiere recubrir hornos destinados para la fundición de acero, el tipo de ladrillo empleado es el de dióxido de sílice, en algunos casos cuando los ladrillos comienzan a licuarse estos trabajan con temperaturas superiores 3000 °F (1650°C). Para poder crear estos ladrillos es necesario que sus componentes estén expuestos a bajas presiones y que sean a su vez, quemados a temperaturas muy altas. Las excepciones a este proceso son aquellos ladrillos que son químicamente ligados, o los que utilizan el alquitrán resina o gomo para permanecer aglutinados.

4.1.2.1. CLASIFICACION Y DESIGNACION Los ladrillos refractarios de alúmina - sílice se fabrican de varias combinaciones de materiales que contengan alúmina y sílice. Estos ladrillos pueden variar en su composición química desde casi 100 % de alúmina y poca sílice hasta casi 100 % de sílice y poca alúmina, por lo tanto, es necesario establecer una clasificación basada en las propiedades físicas y análisis químico. El grupo de ladrillos Sílico aluminosos se clasifica en base a propiedades físicas  puesto que la mayoría de los recubrimientos se hacen de sílice y alúmina. El segundo grupo de ladrillos de alta alúmina es clasificado originalmente en base al contenido de alúmina. La clasificación permite que aquellos materiales refractarios conocidos o grupo de productos similares de varios proveedores se encuentren agrupados en una norma y de manera consistente. Los ladrillos refractarios utilizados son de dos tipos dependiendo del contenido de arcilla con sílices o alúminas. Las propiedades de estos compuestos permiten que el ladrillo soporte estar a grandes temperaturas. Aunque el comportamiento de cada uno es muy propio del material.

A. LADRILLOS REFRACTARIOS CON ALTO CONTENIDO EN ALUMINA. El coeficiente de dilatación térmica de este tipo de ladrillos es muy bajo, gracias a esta propiedad los ladrillos están preparados para soportar elevadas temperaturas, sin presentar algún tipo de deformación o dilatación que modifiquen el desempeño del ladrillo después de su enfriamiento. Como la arcilla necesaria para su fabricación es muy poca, y por el gran contenido de cara alúmina, en el mercado el precio de estos ladrillos es alto.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO B. LADRILLOS REFRACTARIOS CON ALTO CONTENIDO EN SILICE. Al igual que los anteriores, estos ladrillos están diseñados para estar expuestos a altas temperaturas, sin embargo, cuando estos son sometidos a fases alternativas o continuas de calor a frío suelen dilatarse de manera considerable para su uso industrial. Y estos continuos cambios de temperatura, así como de forma, afectan el ladrillo de tal forma que este termina por desintegrarse. Este tipo de ladrillo es muy útil en zonas en donde las temperaturas a las que se expone son altas continuas. En las Normas Oficiales (NOM) y las Normas (ASTM) Los ladrillos Sílicoaluminosos se dividen en los siguientes tipos de servicio: 

Bajo.

LOW DUTY



Medio.

MEDIUM DUTY



Alto.

HIGH-DUTY



Superior.



Ladrillo tipo semi-sílice. SEMISÍLICA

SUPERDUTY

C. LADRILLO AISLANTE (20% ASERRIN – 80% ARCILLA). Los ladrillos aislantes son de dos tipos: los usados para apoyar ladrillos refractarios, y los que se usan en lugar de los ladrillos refractarios regulares. La mayoría de los ladrillos usados para apoyo se hacen de tierra de diatomáceas, naturalmente  porosa, y los del segundo tipo, usualmente llamados refractarios de peso ligero, son de composición similar a los ladrillos pesados, y deben su poder aislante al método de manufactura. Para este tipo de ladrillo se mezcla el aserrín con la arcilla refractaria, para luego ser moldeada y cocida. En el horno, el aserrín se quema dejando un ladrillo ligero, sumamente poroso. Estos refractarios de peso ligero pueden usarse con seguridad para temperaturas de entre 1350 y 1600 OC, mientras que los ladrillos de tierra de diatomáceas no son adecuados para temperaturas superiores a 1100 OC en condiciones ordinarias. Los ladrillos refractarios aislantes se caracterizan por su baja densidad, la cual les confiere una baja conductividad térmica. Esta  propiedad los hace óptimos para ser empleados en hornos industriales donde el ahorro energético es una importante condición de diseño.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO Los ladrillos aislantes se utilizan como respaldo de ladrillos densos de mayores refractariedad y conductividad térmica. Pueden emplearse como revestimiento de trabajo de hornos, pero únicamente cuando no están sometidos a la abrasión, corrosión o erosión por metales fundidos, escorias ó gases a altas velocidades. (Anatolio Ernitz 1955).

D. LADRILLO REFRACTARIO DENSO (LADRILLO DE ALUMINA). Los ladrillos de alúmina tienen gran aceptación industrial por ser económicos,  presentan resistencias mecánicas elevadas aun en caliente, y pequeñas dilataciones, por lo que conservan su volumen, siendo poco sensibles a los cambios bruscos de temperatura; como inconvenientes se pueden señalar su mala conductividad térmica y su relativamente baja fusibilidad (1690  –   1770 OC). Dentro de los ladrillos refractarios densos, tenemos dos variedades, de alta alúmina y de baja alúmina. Los ladrillos de baja alúmina o ladrillos de chamota (25% arcilla y 75% chamota), son ladrillos muy compactos, por lo que gozan de gran resistencia mecánica a la compresión y al choque, y químicamente a la acción de las escorias, pero con el inconveniente de su dilatabilidad que los hace sensibles a los cambios bruscos de temperatura. Se emplean en la construcción de hogares, hornos de reverbero, hornos altos. Hornos de crisoles para acero fundido, cerámicos, vidrio, cal y cemento. Los ladrillos de alta Alúmina o de Bauxita (20% arcilla y 80% bauxita), son ladrillos que pueden soportar condiciones extraordinarias para las que no son adecuados los ladrillos más antiguos de arcilla refractaria. Los ladrillos de alta alúmina son prácticamente inertes al monóxido de carbono y no son desintegrados por atmosferas de gas natural a temperaturas hasta de 1000 OC. Este tipo de ladrillo se clasifica entre los súper refractarios, y los de casi pura alúmina (+97%). Los ladrillos de alta alúmina se emplean en la industria del cemento, en los refractarios de fábricas de papel y en las instalaciones de calderas modernas. También se usan en el recubrimiento de hornos para vidrio, de hornos calentados con petróleo y en alambiques de aceite de alta presión, etc. Las dimensiones de los ladrillos deben cumplir con la NMX-O-065-1984. Las composiciones de los ladrillos refractarios de arcilla de alta calidad deben cumplir con los requerimientos de la tabla: I LABORATORIO DE REFRACTARIOS Y HORNOS METALURGICOS: FABRICACION DE LADRILLOS REFRACTARIOS AISLANTES

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO Tabla 1.2.- Composición Ladrillos Refractarios Aislantes y Densos.

4.2.PROPIEDADES DE LOS REFRACTARIOS Las propiedades que estos materiales presentan, van a estar en función de su composición química. La relación alúmina sílice y los contenidos de impurezas, tales como los óxidos de hierro y los álcalis presentes (Na2O y k2O) van a determinar las temperaturas de fusión y la resistencia al ataque químico de los gases de combustión, especialmente en presencia de monóxido de carbono, libre y derivados de la combustión del azufre. Las propiedades que estos materiales presentan, van a estar en función de su composición química. La relación alúmina sílice y los contenidos de impurezas, tales como los óxidos de hierro y los álcalis presentes (Na2O y k2O) van a determinar las temperaturas de fusión y la resistencia al ataque químico de los gases de combustión, especialmente en presencia de monóxido de carbono, libre y derivados de la combustión del azufre.

A. Densidad aparente de un material a granel “bulk density” (ASTM C 134) 

La densidad es la relación que hay entre el peso del refractario y el volumen.



La densidad se expresa en libras por pie cubico (pcf) o kilogramos por metro cubico (Kg/m3).



La densidad en los refractarios es una medida indirecta de su capacidad calorífica o su habilidad de acumular calor.

B. Porosidad aparente “Apparent Porosity” (ASTM C 830). 

La porosidad aparente también conocida como porosidad abierta es la medida de los poros que esta interconectados en la estructura del refractario

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO La porosidad tiene efecto directo en la habilidad del refractario de resistir la

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 penetración de metales, escorias, gases y vapores. Por otra parte a mayor  porosidad, mayor efecto aislante del refractario ASTM C 704. En muchas aplicaciones los refractarios son sometidos al impacto de piezas

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 pesadas o al continuo paso de materiales sólidos como polvos y gases que los van erosionando. Para una mejor resistencia a estos efectos el material debe ser mecánicamente fuerte y tener una liga muy fuerte. Los ladrillos mas fuertes generalmente muestran mejor resistencia a la abrasión. 

El módulo de ruptura y la resistencia a la compresión ofrecen el mejor indicador de la resistencia a la abrasión del refractario.

C. Fuerza de trituración en frío “Cold Crushing Strength” (CCS) y Módulo de Ruptura “Modulus of Rupture” (MOR) de ladrillos y formas (ASTM C 133). 

La compresión es uno de los parámetros más usados para evaluar un refractario.



La determinación en frio no puede ser usada para predecir su comportamiento en servicio, pero nos da una buena idea de cómo desarrolló su liga durante su fabricación.

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Los ladrillos más fuertes generalmente muestran mejor resistencia a la abrasión-

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El módulo de ruptura y la resistencia a la compresión ofrecen el mejor indicador de la resistencia a la abrasión del refractario.



La prueba de compresión en caliente es una medida de la capacidad del material de resistir los esfuerzos causados por la expansión térmica, los choques térmicos y en general los esfuerzos mecánicos a los que será sometido el refractario en operación.



La compresión en caliente también nos sirve de indicador de la resistencia del material a la erosión y corrosión por metales y escorias junto con otras  propiedades como la mineralogía y la porosidad.

D. El Modulo De Ruptura En Frio (Mor) 

También es otra medida de la resistencia del material, solo que esta es aplicada transversalmente para medir su resistencia a la flexión. Ambas pruebas tienen versiones en frio y en caliente.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 

*El módulo de ruptura y la resistencia a la compresión son descritas por la norma ASTM C 133.

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La densidad, porosidad y resistencia a la compresión de los productos quemados dependen de muy variados factores, como la calidad de las materias primas, el tamaño de partícula y su empaquetamiento dentro de la estructura del material, la presión y la velocidad de prensado, la temperatura y el tiempo de quemado y la atmosfera del horno, así como el tiempo y la velocidad de enfriamiento.



Las cualidades de los refractarios no pueden ser determinadas solamente por unas cuantas de sus propiedades sino más bien de la correlación de todas sus  propiedades. En el diagrama de fases que veremos más adelante, podremos observar el comportamiento del sistema binario alúmina  –  sílice

A pesar del alto punto de fusión de la sílice de 1,713ºc, su uso como refractario esta  poco extendido debido a las dificultades que presenta en su manejo, porque la sílice es muy sensible a los cambios de temperatura. A lo largo de su curva de calentamiento va presentando diferentes estructuras cristalinas que causan cambios de volumen importantes y que se traducen en cambios dimensionales que ocasionan un alto grado de dificultad en su uso y durante su fabricación, como se puede ver en el siguiente tabla.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO Tabla 2.1.-Densidad de Materiales y Condiciones de formación

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 FIG. 2.1.- A Y B Diagramas de fases de variaciones de sílice y alúmina. se observan las variaciones que presentan las mezclas alúmina sílice. En la concentración de 5.5% de alúmina y 94.5% de sílice se presenta el punto eutéctico de este sistema con un punto de fusión de 1,595ºc. A partir de es te punto las temperaturas de fusión  se incrementan rápidamente hasta llegar a los 2,050ºc, punto de fusión de la alúmina pura.

4.2.1. MATERIA PRIMA DE LOS REFRACTARIOS Las materias primas fundamentales de los refractarios sílico aluminosos son las arcillas, caolines y sus derivados calcinados, conocidos en el medio como grog, o simplemente calcinados. La arcilla químicamente está constituida por sílice SIO2, alúmina Al2O3 y H2O con impurezas como óxidos alcalinos, óxidos de fierro, cal, etc. La definición amplia puede ser la siguiente: "arcilla es un material hidratado que contiene una significativa porción de alúmina y sílice y muestra la propiedad de la plasticidad. Se conoce bajo el nombre de plasticidad, la facultad que posee un material mezclado con agua, de adquirir y conservar una forma determinada bajo la acción de una influencia Mecánica exterior, sin que se produzcan grietas o roturas después de haberse retirado la acción de la fuerza.”

Las arcillas plásticas por sus propiedades, se contraponen al caolín dado que poseen un mayor contenido en hierro, son más fusibles, más plásticas y su grano es más fino. I LABORATORIO DE REFRACTARIOS Y HORNOS METALURGICOS: FABRICACION DE LADRILLOS REFRACTARIOS AISLANTES

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO Es por ello que se puede decir que son complementarias y a menudo se combinan para crear una arcilla más trabajable. Se trata de una arcilla secundaria, mezclada a menudo con capas de carbón y otros tipos de arcilla. Es altamente plástica y aunque no es tan pura como el caolín está relativamente libre de hierro y otras impurezas, cociéndose a un color gris claro o anteado claro debido a la presencia de material carbonoso. Éstas poseen un elevado grado de contracción, que puede llegar hasta a un 20%. En la fabricación de cerámica blanca, este tipo de arcilla se hace indispensable para aumentar la falta de plasticidad del caolín, aunque no puede añadirse más del 15% puesto que se traduciría en un color gris o anteado, disminuyendo así su traslucidez. Las Arcillas duras o magras son poco plásticas y tienen fracturas de forma concoidal. Los materiales refractarios arcillosos son una mezcla de arcillas plásticas, arcillas duras y caolines calcinados, cuyo contenido permite obtener ladrillos de baja refractariedad hasta los súper refractarios de alta temperatura, dependiendo de la composición y  proporción de arcilla, caolín y calcinados que compongan la mezcla. El caolín presenta la siguiente composición química: SIO2 = 46.6 - 54.0 % Al2O3 = 39.5 - 46.0 % En el caso de arcillas caolíníticas naturales, en que el caolín representa un 96% del total la composición viene a ser la siguiente: SIO2

48.5 % - 55.4 %

Al2O3

35.4 % - 40.5 %

TiO2

1.30 % - 1.50 %

Fe2O3 1.60 % - 1.80 % CaO

0.40 % - 0.50 %

MgO

0.40 % - 0.50 %

K2O

0.10 % - 0.10 %

 Na2O

0.10 % - 0.10 %

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO Las arcillas muy refractarias funden o se ablandan entre 1,745ºc a 1,770º c muchas veces tienen porcentajes de Al2O3 superiores, pues están mezcladas con gibsitas (Al(OH)3), residuos bauxíticos, y otros minerales aluminosos, en cuyo caso no se consideran impurezas desde el punto de vista refractario. También debe considerarse la arcilla y caolines calcinados, proveniente de caolín o arcilla calcinados previamente que se agregar los refractarios para controlar la contracción de la arcilla cruda durante el proceso de quema. Su granulometría y la cantidad agregada a la mezcla puede graduarse, dependiendo de ello la porosidad del material terminado, su peso específico, su expansión térmica, resistencia al choque térmico, etc. La cantidad de calcinado a agregar dependerá de la plasticidad de las arcillas crudas que se utilicen. El porcentaje varía desde 25 a 90%. Debido a que las arcillas, caolines y otros minerales refractarios de origen arcilloso, se han formado por la sedimentación de sus componentes, encontramos que no hay dos mantos de estas materias primas que sean iguales. Incluso dentro del mismo manto se encuentran diferencias, según la zona en que se tome la muestra y también dependiendo de la profundidad de la misma. Esto no afecta la refractabilidad de la mezcla ni la calidad del producto, aunque si  presenta diferencias en los análisis químicos de diferentes fabricantes para una calidad equivalente y en el correr del tiempo, diferencias en el mismo producto del mismo fabricante, en función de las variaciones naturales de la materia prima Como podemos ver en los diagramas de fase, la variación del punto de fusión, contra la composición, alúmina - sílice de los ladrillos a base de arcilla, varía entre los 1,800ºc y los 1,850ºc, muy por arriba de las temperaturas máximas recomendadas para estas calidades. A partir de contenidos del 50% ó más de alúmina, entramos al grupo de las calidades de alta alúmina y las materias primas van variando en función del incremento en la cantidad de alúmina. Entre el 50% y el 70% de alúmina se utilizan combinaciones de bauxitas, que tienen un contenido de alúmina entre el 85% y el 90% y grog de caolín o arcilla calcinado, mas arcilla cruda para obtener plasticidad en la mezcla y  poder formar los refractarios. A medida que se aumenta la calidad con el contenido de alúmina, se disminuye la participación de los calcinados arcillosos y de arcillas crudas I LABORATORIO DE REFRACTARIOS Y HORNOS METALURGICOS: FABRICACION DE LADRILLOS REFRACTARIOS AISLANTES

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO Debido a que las bauxitas contienen un máximo de 90 a 92% de alúmina, para fabricar calidades con contenidos superiores, se requiere la participación de alúminas extraídas y procesadas a partir de bauxitas, mediante el proceso Bayer. Este proceso consiste en términos muy generales, de provocar la precipitación del hidróxido de aluminio a partir del óxido de aluminio presente en la bauxita. Este  precipitado, se extrae mediante filtrado y concentración, se somete a múltiples lavados para eliminar la presencia de sodio, y posteriormente se calcina a mas de 1,750ºc para obtener el oxido de aluminio, prácticamente puro, < 99%, de alúmina.

4.2.2. METODOS DE FABRICACION Existen métodos de fabricación de materiales refractarios, que provienen de la industria de la cerámica, como son el vaciado, incluso el torneado de la arcilla para ollas y vasijas, el formado de piezas a mano, etc. Actualmente solo se utiliza de estos métodos el  proceso de vaciado. Este se hace utilizando modelos de las piezas a fabricar, con los que se fabrican moldes que permiten producir réplicas de las piezas originales. Este método ha sido desplazado por la utilización de modernos sistemas de prensado, tanto mecánicos como hidráulicos, que tienen ventajas en cuanto a economía y  productividad, pero que no necesariamente mejoran la calidad del producto, aunque si hacen una producción muy homogénea y de mejor acabado global. El proceso de vaciado, cuando se ha controlado la humedad de la mezcla y se lleva a cabo bajo riguroso control, permiten una unión entre partículas, que no es posible alcanzar con el prensado, por poderosa que sea la maquinaria. Finalmente, y mediante el agregado de aditivos, se logran reacciones químicas que desarrollan ligas cerámicas que otorgan al refractario propiedades muy superiores a las del prensado. El gran inconveniente es la lentitud y costo del proceso. En 1887 el científico Kart Joseph Bayer desarrollo en Austria el proceso químico para la obtención de la alúmina concentrada en el mineral de bauxita. El proceso que se aplica en Bauxilum que permite la refinación de las menas de  bauxita para la obtención de alúmina de grado metalúrgico, sigue el mismo  principio del proceso Bayer, pero con nuevas tecnologías

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 Fig. 2.2 Proceso Bayer de forma esquemática.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 4.2.2.1.PROCESOS DE FABRICACION DE MATERIALES REFRACTARIOS Procesos de conformado de productos refractarios por vía seca y vía húmeda, en general las materias primas que parte el proceso de fabricación de materiales refractarios son de origen natural y proceden directamente de mina. En la fabricación de refractarios especiales, y en el caso de la magnesia, cuyas reservas naturales son actualmente insuficientes, la materia prima procede en algunos de síntesis química (magnesia obtenida a partir del agua de mar y alúmina a partir de la bauxita).Cuando se utilizan, en todo o en parte, materias de origen primario (naturales), es necesario realizar una serie de operaciones previas con el objeto de obtener una materia de calidad adecuada, que nos permita obtener un producto refractario cocido con las propiedades deseadas. Por ello y una vez extraída la materia prima natural de la mina o cantera, se procede a su lavado, con objeto de eliminar materias solubles que puedan actuar como posibles fundentes y que por tanto disminuirán las propiedades refractarias del producto a fabricar. En algunos casos es necesario realizar un proceso de concentración y posterior o  paralelamente, una calcinación del producto, con el objeto de eliminar el CO2 de los carbonatos o H2O de los hidratos presentes en la materia prima. Si no se realizara esta operación, dichas sustancias volátiles se evacuarían en el proceso de cocción de las  piezas refractarias y provocarían la rotura de las mismas, con las consiguiera es pérdidas económicas. En ese sentido, se tiene la chamota que es el producto resultante de calcinar materiales arcillosos. La mayoría de los productos cerámicos tradicionales y avanzados son manufacturados compactando polvos o partículas, en las formas adecuadas, que se calientan  posteriormente a temperaturas suficientemente elevadas para enlazar las partículas entre si. Las etapas básicas para el procesado de cerámicas por aglomeración de partículas son: a.  preparación del material  b. conformación o moldeado c. tratamiento térmico de secado (no siempre se requiere). d. cocción por calentamiento de la pieza de cerámica a temperaturas suficientemente altas para mantener las partículas enlazadas.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO A. PREPARACIÓN DE MATERIALES. La mayoría de los productos cerámicos están fabricados por aglomeración de partículas. Las materias  primas para estos productos varían dependiendo de las propiedades requeridas  por la pieza cerámica terminada. Las partículas y otros ingredientes, tales como aglutinantes y lubricantes, pueden ser mezclados en seco o en húmedo. Para  productos cerámicos que no necesitan tener propiedades muy "exigentes", tales como ladrillos comunes, tuberías para alcantarillados y otros productos arcillosos es una práctica común mezclar los ingredientes con agua Para otros materiales cerámicos, las materias primas son partículas secas con aglutinantes y otros aditivos Algunas veces se combinan ambos procesos  –  húmedo y seco-. Por ejemplo,  para producir un artículo cerámico con gran proporción de Al2O3 que sea buen aislante, las partículas de materia prima se mezclan con agua y junto con un aglutinante de cera para formar una suspensión que posteriormente se atomiza y seca para obtener pequeñas partículas esféricas

B. CONFORMACION La producción de cerámicos refractarios fabricados  puede conformarse mediante varios métodos en condiciones secas, plásticas o liquidas. Los procesos de conformado en frío son predominantes en la industria cerámica, aunque se usan también es un cierto grado los procesos de conformado en caliente. Compactación, moldeo en barbotina y extrusión son los métodos de modelado de cerámicos que se utilizan mas comúnmente

B.1. Compactación. La materia prima cerámica puede ser compactada en estado seco, plástico o húmedo, dentro de una matriz para formar productos con una forma determinada.

B.2. Compactación en seco. Este método se usa frecuentemente para  productos refractarios (material de alta resistencia térmica) y componentes cerámicos electrónicos. La compactación en seco se pude definir como un  prensado uniaxial simultáneamente a la conformación de polvo granulado  junto con pequeñas cantidades de agua y/o aglutinantes orgánicos en una matriz.

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 Fig. 2.4.- Compactación en seco sencillo y doble

V.

EQUIPOS, MATERIALES E INSTRUMENTOS 5.1. MATERIALES: 

Chamota



Aserrín



Agua



aceite

5.2. EQUIPOS E INSTRUMENTOS  

 prensa hidráulica caja de acero 1020 (medidas: 2.5” x 9” x 4.5”, espesor 0.5”)

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24

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO VI.

PROCEDIMIENTO

6.1.

En primer lugar, se tiene que conseguir la chamota junto con el aserrín.

Figura 4: Obtención de chamota y

6.2. Seguido, el aserrín y la chamota se mezclan agregándole una cierta cantidad de agua, hasta formar una mezcla homogénea, no tiene que haber grumos.

Figura 5: mezcla homogénea de la chamota y el

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 6.3. En tercer lugar, esta mezcla es llevada a la máquina de comprensión, se coloca en la caja de acero,

Figura 6: llevado de la mezcla homogénea a la caja de acero. 6.4. La caja se tapa con una plancha de acero, luego se aplica una carga de 18 Megapascales, nuevamente se le agrega mezcla una y otra vez hasta obtener un material consistente.

Figura7:  comprensión de la mezcla

Figura 8: material consistente

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6.5. Finalmente, una vez ya consistente la pieza se lleva al horno, se calienta a 50ºC por un día, posteriormente, se lleva a una temperatura de 1000 a 1100ºc, hasta que el ladrillo obtenga un color adecuado.

DIAGRAMA DE FLUJO DE LA FABRICACIÓN DE UN LADRILLO REFRACTARIO

OBTENCION DE LA MATERIA PRIMA

MEZCLA HOMOGENEA DE LA MATERIA PRIMA SECADO DE LA MEZCLA

COMPRENSION DE LA MEZCLA EN LA CAJA MOLDE DE UNA MANERA MANUAL

COMPRENSIION DE LA MEZCLA EN LA CAJA MOLDE CON LA PRENSA HIDRAULICA

MODELO DEL LADRILLO TERMINADO

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO VII.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

  = (9)(4,5)(25) = 101,25   −→ 1659,184       3220     = =  = 1497,674    2,15  

    =   −   = (1659,184 − 1497,674 ) = 161,51          ℎ −      =    3320  − 3220      = = 100   1 /     =     −         = (161,51 − 100 )  = 61,51     =   +        = (1497,674 + 61,51 ) = 1559,184     =   +        = ( 1497,674 + 100 ) = 1597,674 

VIII.

RECOMENDACIONES 

La materia prima debe estar sin grumos o pequeñas aglomeraciones para así evitar una mala formación del ladrillo.



Colocar aceite en todas las partes de contacto de la caja y la materia prima  para que se puedan separar después del prensado.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO IX.

CONCLUCIONES 

En la práctica de laboratorio realizada, se utilizó el material refractario conocido como chamota para fabricar los ladrillos, esto debido a que le  brinda resistencia a elevadas temperaturas, gracias a su alto contenido de alúmina.



Para evitar deformaciones en el ladrillo refractario, a chamota tal como se hizo en el laboratorio, debe aplastarse bien con la compactadora.



Después de las investigaciones correspondientes se logró concluir que los ladrillos aislantes, inhiben el equilibrio térmico entre superficies, en otras  palabras, impiden la conducción térmica.

X.



REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS:

Hans, Appold. “TECNOLOGIA DE LOS CERAMICOS”1era Edición Ed. Reverte.

S.A.

Barcelona-España.1992



http://html.rincondelvago.com/arcilla.html

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http://html.rincondelvago.com/ceramica-REFRACTARIA.html

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http://es.scribd.com/doc/142494407/1/REFRACTARIOS

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http://ceramica.wikia.com/wiki/refractariedad-aislantes

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http://www.emison.com/secaderos%20ceramica.htm

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https://sites.google.com/site/tallercrearte5193155/proceso-de-elaboracion-de-la barbot

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http://www.todacultura.com/glosarioceramica/barbotina.htm

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http://www.ceramicatrespiedras.com/cursos/tecnicas/molde-de-yeso-de-2-partes

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