Introduccion a La Ceramica Industrial Tomo 1

COLOROBBIA INTRODUCCION A LA CERAMICA INDUSTRIAL Volumen n° 1

INTRODUCCION A LA CERAMICA INDUSTRIAL

PASTAS CERÁMICAS

ÍNDICE.

1. - Introducción. 2

- Formulación de pastas. 3- Materias primas para pastas cerámicas. 3- Arcillas. 4

Características de las arcillas. 4Elementos no plásticos presentes en las arcillas. 6Tipos de arcillas. 10Plasticidad de las arcillas. 12

- Caolines. 14- Bentonita. 14- Cuarzo. 14- Feldespatos. 14- Carbonatos 15- Talco. 15- Chamotas. 15- Productos que se fabrican actualmente. 15

Revestimiento. 15Pavimento. 16

2. - Proceso de fabricación. 19

- Molienda. 19- Definición. 19- Características de las materias primas que afectan a la molienda. 19- Teoría de la molturación. - Molturación por vía seca y por vía húmeda. - Características reológicas de la barbotina. 21- Factores que afectan a la molienda. 24- Revestimiento y cuerpos molturantes. 27- Cálculo de una carga. Ejemplo. 27- Molienda en continuo. 29- Control. 30- Atomización. 31- Definición. 31- Factores que afectan a la atomización. 31- Características del polvo atomizado. 32


1.- INTRODUCCIÓN.

Por pasta cerámica se entiende el conjunto de materias primas (plásticas y no plásticas), que mezcladas convenientemente otorgan a dicha pasta unas propiedades deseadas para el desarrollo del proceso cerámico.

Las materias primas que se encargan de aportar la plasticidad (propiedad por la cual, al aplicar una fuerza externa un material cambia de forma, sin llegar a romperse, manteniendo esta forma cuando deja de actuar dicha fuerza) son las arcillas y los caolines, mientras que la parte no plástica está formada por feldespatos, carbonatos, cuarzos, etc. (son las llamados materias primas desgrasantes).

El problema principal que se presenta al preparar una pasta cerámica es que las materias primas no son sustancias puras. Por ello, para mantener una constancia en las propiedades de la pasta es necesaria una caracterización de todas las materias primas que la componen.

La caracterización consiste en el conocimiento y medida de todas aquellas propiedades de la materia prima que afectan al proceso cerámico.

Las condiciones que debe reunir una pasta cerámica son los siguientes:

- La proporción materias primas plásticas / materias primas no plásticas debe ser la adecuada para facilitar el prensado, sin reducir demasiado la resistencia mecánica (las materias primas desgrasantes favorecen el secado pero disminuyen la resistencia mecánica).

- Debe poseer unas propiedades químicas y mineralógicas que hagan que tras la cocción obtengamos las características deseadas (resistencia mecánica, absorción de agua, etc.).

- Debe tener un rango de temperaturas de seguridad, para que una variación en la temperatura de cocción no influya en gran medida en el producto obtenido (siempre dentro de unos límites).

De ahora en adelante vamos a basamos principalmente en pastas destinadas a pavimento y revestimiento.

Si nos fijamos en el proceso de fabricación podemos hablar de bicocción (el esmalte se aplica sobre pieza ya cocida) o de monococción (el esmaltado se realiza sobre pieza cruda).

También podemos hacer una clasificación en función de la absorción de agua que posee la pieza ya cocida.

- Alta porosidad, en la cual la absorción de agua está alrededor del 15 %. - Baja porosidad, donde la absorción de agua es menor del 3 % (esto implica

una mayor resistencia mecánica).


Generalmente, los de alta porosidad son soportes de revestimiento y los de baja de pavimento.

También podemos realizar una división si tenemos en cuenta el color que presenta el azulejo tras la cocción (que es consecuencia de la cantidad de óxido de hierro que posee la arcilla):

- Pasta blanca: la cantidad de óxido de hierro presente en la arcilla utilizada es inferior al 1 %.

- Pasta roja: la proporción de este hierro está entre el 4 y el 9 %.

La diferencia que existe en el producto acabado si se utiliza una u otra no reside en la calidad, sino en la estética y en su comportamiento durante el proceso de fabricación.

Formulación de pastas.

A la hora de formular una pasta cerámica se ha de considerar que con la disponibilidad de materias primas que tenemos, hemos de conseguir unas características determinadas, haciendo mínimos los costes de producción.

Por ello, tenemos que tener claro antes de empezar a formular las características de las materias primas así como las características técnicas deseadas en la pasta (resistencia mecánica y química, absorción de agua, mínima contracción, etc.).

Una vez formulada la pasta, se realiza una prueba, comparándose los resultados obtenidos con los que se deseaban inicialmente. Si se ha tenido éxito, se pasa a producir y si no se vuelve a reformular.

El procedimiento a seguir sería el siguiente:

Materias primas para pastas cerámicas.

Las principales materias primas utilizadas para pastas cerámicas son:

- Arcillas. - Caolines.


- Bentonita. - Cuarzo. - Feldespatos. - Carbonatos. - Talco. - Chamota. - Arcillas.

Como hemos podido comprobar, las arcillas tienen una gran importancia en la preparación de las pastas cerámicas, por ello vamos a darles un trato especial dentro de las materias primas que utilizamos para la preparación de pastas.

Características de las arcillas.

Es muy importante tener un buen conocimiento de todos los componentes que forman parte de las arcillas, así como la influencia que pueden tener en el comportamiento de la pasta.

Tenemos dos puntos básicos en la caracterización de las arcillas.

- Atendiendo a su composición químico-mineralógico. Nos indica los elementos químicos y los minerales que componen la arcilla.

- Atendiendo a sus características de proceso. Nos permite conocer como influirá la arcilla en el comportamiento final de la pasta.

a) Características químicas y mineralógicas.

Dentro de este punto, se tiene que indicar que tiene mayor importancia las estructuras que forman los elementos (su mineralogía) que la propia composición química.

Podemos diferenciar:

arcillas caoliníticas arcillas illíticas arcillas montmorilloníticas

Caoliníticas.

Gracias a su estructura muy simple, tienen una gran estabilidad, lo que provoca que sean refractarias y que posean un elevado intervalo de cocción.

Por lo tanto, pastas con un elevado porcentaje de caolinitas tienen una velocidad de formación de fase vítrea muy baja.


Illíticas.

Son más fundentes que las anteriores debido a la sustitución del aluminio por alcalinos y alcalinotérreos.

Sufren contracciones al aumentar la temperatura por lo que el intervalo de cocción es mucho más pequeño que en el caso de las caoliníticas.

La velocidad de formación de fase vítrea es por lo tanto mucho más elevada que en el caso de las caoliníticas.

Montmorilloníticas.

Son incluso más fundentes que las anteriores gracias a que presentan mayores sustituciones.

Debido a su elevada plasticidad, las pastas con un elevado porcentaje de montomorillonita presentan problemas en el secado y precisan ciclos de cocción más largos, aparte de tener una defloculación muy complicada. Todo esto hace que no sean utilizadas en la producción de pavimento y revestimiento.

En la tabla siguiente podemos ver, de forma comparativa, algunas de sus características más importantes:

Caoliníticas Illíticas Montmorilloníticas

Defloculación Buena Buena Difícil

Resistencia mecánica Baja Buena Altísima

Plasticidad BajaIntermedi

aAltísima

Contracción Baja Baja Altísima

Temperatura cocción Alta Baja Baja

Rango de cocción Ancho Estrecho Estrecho

b) Características de proceso.

Como ya hemos dicho, nos servirá para determinar el comportamiento de la arcilla en el proceso, por lo que interesa determinar:

- Compacidad de la arcilla prensada. - Comportamiento en el secado. - Comportamiento en la cocción.


- Si la molienda se realiza por vía húmeda (que es lo más extendido) también hay que considerar la capacidad que tiene la barbotina de deflocular (interesa el mayor contenido en sólidos posible, 'con una viscosidad no muy elevada).

El valor de la compactación depende' de la humedad y granulometría de los polvos a prensar así como de la presión de prensado y de la relación entre las materias plásticas las no plásticas.

A la hora de secado es de vital importancia conocer la contracción que tendrá la arcilla debido a la pérdida de ia película de agua que rodea las partículas, haciendo que estas se aproximen entre si. Contracciones excesivas o diferencias de contracción dentro de la misma pieza (debidas a variaciones en la humedad o en la compactación entre las distintas zonas de la pieza) conlleva tensiones que se traducirán en roturas o fisuras de las piezas.

Dentro del comportamiento en cocción hay que tener en cuenta las transformaciones ocurridas en la pieza, que pueden ser físicas (dilatación, fusión, etc.) o bien químicas (deshidratación, descomposición de carbonatos, etc.).

Para el estudio de estos factores se realizan diagramas de:

- absorción de agua frente a temperatura - contracción lineal frente a temperatura.

Vamos a ver este tipo de gráficas para los dos tipos de arcillas comúnmente utilizadas:

Elementos no plásticos presentes en la arcilla.

Los más importantes son:

- Carbonatos, - Cuarzo libre, - Materia orgánica, carbón, etc. - Sales solubles


- Pirita.

a) Carbonatos,

El contenido en carbonatos puede determinar el poder hacer uso o no de una arcilla en unos determinados productos.

Si observamos la figura siguiente podemos damos cuenta de como las dos propiedades que se miden (contracción lineal y absorción de agua) se mantienen constante durante un gran intervalo de temperaturas, Pero a temperaturas más elevadas decae totalmente la porosidad, aumentando la contracción lineal por lo que se hace prácticamente imposible el uso de estas arcillas a esas temperaturas (de ahí que las arcillas con un elevado contenido en carbonatos, las llamadas arcillas calcáreas, no se utilizan normalmente para productos gresificados).

De la gráfica podemos deducir las funciones de los carbonatos:

- Regular la porosidad (la presencia de carbonatos permite obtener productos porosos).

- No tiene grandes contracciones lineales, lo que conlleva unas deformaciones mínimas.

- Eleva el coeficiente de dilatación. - Facilita un amplio rango de temperaturas a la hora de la cocción.

Para estudiar el efecto de los carbonatos sobre la arcilla, se representa la contracción lineal y la absorción de agua frente a la temperatura, de una pasta exenta de carbonatos, a la cual se le hacen adiciones de calcita (en este caso 3 y 6 %):


Podemos observar como a medida que aumentamos la concentración de carbonatos, aumenta la absorción de agua (esto es, la porosidad) y disminuye la contracción lineal.

La presencia de carbonatos puede presentar problemas de pinchado, que consisten en pequeños agujeritos que aparecen en el esmalte ya cocido.

Este defecto es debido a la descomposición de los carbonatos cuando el esmalte ya ha empezado a solidificar:

CaCO3 -------------------------------- CaO + CO2

El CO2 formado tiende a salir del soporte y si el esmalte ya está solidificado, se abrirá paso a través de él, provocando los agujeritos comentados (del problema de pinchado se hab1ará en el Volumen 5 Cocción).

A veces, el carbonato es de hierro, por lo que el problema de pinchado es mucho más visible pues los aparece coloreado.

La presencia de este CaO también puede ser problemática.

Como norma general el óxido de calcio reacciona con otros elementos dando silicatos y aluminosilicatos.


Pero, si la reacción no es completa debido a que el tamaño de partícula es demasiado grande o a que el ciclo de cocción es demasiado corto, puede darse una reacción secundaria entre el CaO sobrante y el vapor de agua, dando lugar a hidróxido e cal, provocando el defecto llamado "caliche", que se manifiesta como agujeritos en el esmalte, con el centro blanco debido a la presencia del calcio.

Para evitar este problema lo que se hace es aumentar la molienda para disminuir el tamaño de los granos de CaO.

b) Cuarzo libre.

Solo si nos encontramos a temperaturas elevadas, el cuarzo se disuelve dando lugar a aluminosilicatos, sino se queda como cuarzo cristalino.

La presencia de este cuarzo afecta de la siguiente forma:

- Aumenta la refractariedad. - Permite ciclos de secado más cortos, ya que disminuye la contracción. - Disminuye la resistencia mecánica en crudo. - Aumenta el coeficiente de dilatación.

e) Materia orgánica, carbón, etc.

La presencia de materia orgánica provoca un aumento de la plasticidad de la pasta y de la resistencia en seco. Además influye sobre la defloculación, aumentándola.

También pueden dar problemas de pinchado debido al desprendimiento de monóxido y de dióxido de carbono:

C + O2 => CO2

CO2 + C => 2CO

A diferencia de los carbonatos, el pinchado por la presencia de materia orgánica puede presentar cierta coloración debido al carácter reducto que posee el CO.

Otro de los problemas que puede presentar la materia orgánica es la presencia de corazón negro (lo veremos en el Volumen 5 Cocción).

d) Sales solubles.

Las sales solubles (que generalmente suelen ser sulfatos y cloruro s) presentes en la pasta provocan diferentes problemas como son:

- Desconchados debido a la falta de adherencia del esmalte por la formación de una película durante el secado.

- Precipitación de las sales en la superficie provocando eflorescencias. - Dificulta la defloculación.


La presencia de estas sales no es sólo debida a su introducción como tales en la fabricación de las pastas, sino que pueden estar presentes en el agua que utilizamos para la preparación de las mismas.

e) Piritas.

La presencia de las piritas (sulfuros de hierro) se pone de manifiesto por los e defectos que presentan, los cuales son muy similares a los de la materia orgánica pero con una tonalidad muy típica marrón verdosa.

FeS2 + O2 ----------------FeS + SO2

Tipos de arcillas.

Vamos a hacer la división en dos grandes grupos (como ya hemos mencionado anteriormente):

- Arcillas de pasta roja. - Arcillas de pasta blanca.

a) Arcillas rojas.

Se tratan de arcillas con un porcentaje de óxido de hierro que varía entre un 4 y un 9 %. Este óxido lo encontramos en su forma hidratada (limonita Fe2O3•nH2O).

Son arcillas del tipo illítico-caoliniticas, con predominio de las illíticas.

Para diferenciar unas arcillas de otras se utiliza el nombre del lugar de donde proceden. Así tendremos arcillas de Moró, Galve, Mora, Useres, Chulilla, Villar, etc.

Si hacemos un estudio comparativo de las características ya mencionadas (presencia de impurezas, Compacidad, Plasticidad, Defloculación, Porcentaje de cuarzo libre, Contenido en carbonatos, Fundencia) en algunas de las arcillas existentes en España:

Impurezas Compacidad Plasticidad Defloculación Cuarzo Carbonatos Fundencia

Villar Mediana Media Media-alto Media Alto Baja Media-alto

Moró Baja Alto Baja Alto Alto Baja Media-alto

Galve Baja Media-alto Media Alto Media Baja Media-alto

Oseres Mediana Media Media Media Media-baja Media

Mora Mediana Baja Alto Baja Media-baja Media-baja Alto

Chalilla Mediana Media Media-baja Baja Media-alto Media-alto Media

Mas Well Mediana Media-baja Media-alto Baja Media-alto Alto Media

Sichar Mediana Media-baja Media-alto Baja Media-alto Alto Media

Bugarra Baja Baja Alto Muy baja Baja Alto Media-alto

Araya Mediana Media-baja Media Baja Media Alto Media-alto


Si nos fijamos en la columna del porcentaje de carbonatos y sabiendo la importancia que tienen estos, podemos incluir las tres primeras arcillas en un grupo con un contenido bajo, las tres siguientes en otro grupo con un porcentaje algo más elevado y las cuatro últimas en otro.

b) Arcillas blancas.

Como las anteriores son illitico-caoliniticas pero al contrario que las anteriores, con predominio de la estructura caolinítica.

Poseen elevadas cantidades de cuarzo y, lógicamente, tienen un porcentaje bajo de óxido de hierro.

Con respecto a su lugar de procedencia se puede hacer una clasificación entre nacionales y extranjeras.

Nacionales: Todas ellas son arcillas illítico-caoliníticas, con elevadas proporciones de cuarzo libre.

Asturias

Badajoz (Ambas son arcillas muy plásticas y fundentes)

Valencia (Son bastante plásticas, aunque a diferencia de las anteriores son más refractarias)

Teruel (Son las más usadas)

Extranjeras:

Inglesas: Son las más usadas por su disponibilidad económica. Son del tipo illítico-caoliníticas.

Francesas: Son caoliníticas con un porcentaje de illíticas y cuarzo.

Alemanas: Son del mismo tipo que las inglesas con la diferencia de que poseen un elevado porcentaje de montmorilIonítica.

En las tablas siguientes podemos ver la diferencia existente entre una arcilla roja y otra blanca en cuanto a su composición mineraIógica.

Pasta roja


SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O PC

Villar 57.5 21.9 7.7 0.6 1.4 3,6 6.3

Moró 60.2 19.4 7.7 1.8 0,8 5,0 4.6

Galve 59.4 23.0 6.0 1.2 1.2 3,4 5.6

Chalilla 54.7 20.1 6.4 2.4 2,9 4,7 5.1

Mas Well 43.7 15.0 4.8 13.2 2,5 4,5 15.0

Sichar 31.1 13.4 4.4 23.6 1,4 3,7 21.7

Araya 31.1 14.3 4.2 22.8 1,7 3,8 21.8

Pasta blanca

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O PC

WTU 64,7 23,8 1,6 0,2 0,2 1,3 7,6

Inglesa (HSM) 64,0 24,0 1,1 0,3 0,4 2,4 7,0

Inglesa (TA) 59,8 26,4 1,0 0,2 0,5 2,4 7,9

Inglesa (HP-64) 63,0 24,0 0,9 0,2 0,4 2,3 6,8

Inglesa (HP-67) 66,0 22,0 0,9 0,2 0,4 2,1 6,2

Plasticidad de las arcillas.

Como podemos observar es la propiedad más importante que poseen las arcillas.

Se define como la capacidad que tiene un material para cambiar de forma, sin llegar a romperse al aplicarle una fuerza externa, y mantenerla cuando ya se ha dejado de aplicar dicha fuerza.

Para que la arcilla pueda presentar una cierta plasticidad, debe existir un flujo de partículas al aplicar la fuerza deformante, y una posterior resistencia a este flujo cuando ha cesado dicha fuerza.

Para permitir esta deformabilidad, la cantidad de agua que posee la arcilla debe mantenerse en unos límites preestablecidos.

Así, podemos tener tres estados en función del agua que contiene la arcilla:

Seco 5 - 10 % de agua

Plástico 15 - 20 % de agua

Barbotina 35 - 50 % de agua.


La plasticidad está condicionada a dos factores principalmente:

- Granulometría. Cuanto menor sea el tamaño de la partícula, más fluido será ese flujo y mayor será la plasticidad.

- Composición. El predominio de un mineral arcilloso u otro afecta a la plasticidad de la arcilla. Por ejemplo la presencia de montmorillonita la aumenta notablemente.

Para cuantificar la plasticidad de una arcilla se puede hacer uso de los límites de Atterberg. Definen una zona dentro de la cual la arcilla tiene un comportamiento plástico.

Tenemos dos límites. El paso del estado plástico al estado líquido (LL) y del estado plástico al estado semisólido (LP).

Ambos se miden por la cantidad de agua a partir de la cual la arcilla deja de ser moldeable, deja de ser plástica.

Estado semi sólido Estado plástico Estado líquido

Límite plástico Límite líquido

A partir de estos límites, se define el índice de plasticidad (IC) como la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico.

IC = LL - LP

Este Índice nos sirve para comparar la plasticidad de diferentes arcillas. Para esta comparación, se suele hacer uso del diagrama de Casagrande, en el cual se representa el índice de plasticidad frente al límite líquido.

Por encima de la recta IP = LL existe lo que hemos llamado zona prohibida.


En esta zona, no podemos encontrar ninguna materia prima, ya que si el índice de plasticidad es mayor que el límite líquido, el límite plástico tendría que ser negativo.

En realidad, no existe ninguna materia por encima de la recta:

IP = 0.9 (LL - 8)

En el diagrama de Casagrande es posible buscar una zona óptima para la utilización de una arcilla (en lo relativo a la plasticidad lógicamente).

- Caolines.

Son arcillas con un elevado contenido de caolinita (Al2O3.2SiO2.2H2O).

Presentan una baja plasticidad, son muy refractarios y otorgan a la pasta una gran blancura.

El mineral presenta una gran cantidad de impurezas que son eliminadas mediante un lavado.

- Bentonita.

Es otro tipo de arcillas, con un elevado porcentaje de montmorillonita. Como ya hemos comentado al hablar de las arcillas, la presencia de montmorillonita da problemas en el secado y aumenta mucho la plasticidad (absorbe agua con facilidad, dilatando mucho su estructura).

Esto hace que deba usarse en una proporción menor del 1-2 %.

- Cuarzo.

Está formado principalmente por sílice.

Se suele añadir para aumentar el coeficiente de dilatación o para disminuir la plasticidad de la pasta.

En la gran mayoría de casos, la propia arcilla presenta un elevado, porcentaje de cuarzo, por lo que no es necesario adicionarlo. En caso de que fuera preciso, se añadiría en forma de arena cuarcífera.

- Feldespatos.

Son aluminosilicatos alcalinos y alcalinotérreos principalmente (litio, sodio, potasio, calcio, etc.).

Se suelen usar como fundentes (funden a 1100 °C) debido a la presencia de los alcalinos y los alcalinotérreos.

- Carbonatos.


Se adicionan cuando las arcillas no aportan el contenido en carbonatos necesario.

Como ya hemos comentado al hablar de las arcillas, los carbonatos se encargan de regular la porosidad, amplían el rango de la temperatura de cocción y elevan el coeficiente de dilatación.

- Talco.

Es un silicato de magnesio (3MgO.4SiO2.H2O).

Presenta un color blanco, aunque puede llevar impurezas de hierro. A parte puede llevar trazas de calcio y algunos alcalinos.

Su adición tiene distintos objetivos:

- Aumenta la resistencia a los ácidos.

- Reduce la expansión por humedad.

- En porcentajes elevados, puede actuar como aislante eléctrico.

- Chamotas. Son "desperdicios" como soportes cocidos, refractarios del horno, etc. que se trituran y molturan hasta una granulometría adecuada. Son materiales muy duros y muy refractarios.

Productos que se fabrican actualmente.

Aunque existe una mayor variedad de productos, nosotros vamos a basamos en dos productos principalmente que son los que tienen una mayor importancia hoy en día:

Revestimiento.

Bicocción.

Monococción.

Pavimento.

Gres.

Gres porcelánico.

- Revestimiento.

a) Bicocción.

Son pastas que reciben una doble cocción. Primero es cocida la pieza sola y más tarde es vuelta a cocer con la decoración deseada.


La temperatura de cocción varía entre 1000 Y 1080 °C que, como podemos ver en la gráfica siguiente, es el intervalo de temperatura donde no existe casi variación en la contracción lineal ni en la porosidad.

La pasta para este tipo de productos suele ser una mezcla de arcillas illítico- caoliníticas con calcita y cuarzo.

b) Monococción.

En un principio se podría pensar en utilizar la misma pasta destinada al gres (del que hablaremos en el punto siguiente) cocida a una temperatura más baja, pero esto es inviable debido a que la resistencia mecánica que tendrían las piezas seria mínima y no se podría trabajar con ellas.

En las pastas destinadas a la mono cocción se ha de tener mucho cuidado con el contenido en carbonatos de las arcillas, debido al problema de pinchado, del cual hablaremos posteriormente.

Podemos encontrar este producto en pasta roja o en pasta blanca.

En la monococción de pasta blanca, debido a la no existencia de arcillas calcáreas blancas, se introduce carbonato cálcico o dolomita en porcentajes que oscilan entre el 20 y el 30 %.

- Pavimento.

a) Gres.

Antiguamente se obtenía las piezas por bicocción, hoy en día se trabaja en monococción.


La idea es obtener una pasta con una porosidad baja (absorción de agua menor del 4 %) Y una resistencia mecánica alta (mayor de 300 Kg/cm)

Por esto, a la hora de cocer la pasta, hemos de conseguir suficiente fase líquida como para tapar los poros, pero sin llegar a deformar la pieza.

Para este tipo de pastas tendremos en cuenta que:

- Son fácilmente defloculables.

- Poseen una elevada compactación. Esto conlleva la posibilidad de la aparición de corazón negro.

- No presentan problemas de secado.

- En la cocción tenemos que trabajar en un intervalo de temperaturas donde consigamos que sean mínimas la absorción de agua y la contracción lineal (que exista una estabilidad en las dimensiones de la pieza).

Como en el caso de la monococción, podemos encontrar pasta roja y pasta blanca.

El proceso de fabricación es el mismo para una y para otra, la única diferencia se encuentra en el análisis mineralógico.

Mientras que para la fabricación de pasta roja se usan arcillas illitico-caoliníticas con una gran cantidad de cuarzo y un bajo contenido en carbonatos, para la elaboración de pasta blanca se utilizan arcillas caoliníticas (con un contenido en óxido de hierro bajo lógicamente) con un porcentaje no muy alto de carbonatos, cuarzo y arcillas illíticas.

En estas últimas, para conseguir bajar el punto de fusión se adiciona feldespatos alcalinos.

La composición de una pasta blanca podría ser:

Arcillas 50-70 %

Feldespatos 10-30 %

Cuarzo 0-20 %

Talco 0-10 %

En las gráficas siguientes podemos comparar los diagramas de gresificación de una pasta roja y otra blanca:


Como podemos observar en las gráficas, el gres blanco tiene un rango de cocción mayor que el gres rojo, aunque este se encuentra a una temperatura más elevada (sobre los 1200 oC).

b) Gres porcelánico.

La composición de esta pastas es muy similar al gres blanco.

Es un producto que posee una baja porosidad y una elevada resistencia química y mecánica (flexión, abrasión, etc.).

La molturación debe ser muy fina para conseguir una fase vítrea importante.

Esto conlleva unas contracciones mayores (del orden del 7-8 %), lo que provoca que el prensado sea una operación muy delicada, ya que la presión específica ha de ser muy elevada (sobre los 400 Kg/cm'') para conseguir reducir al mínimo las contracciones lineales.

En la tabla siguiente tenemos un estudio comparativo de monococción, bicocción y gres:

BICOCCIÓN MONOCOCCIÓN GRES

Rechazo (a 63µ) 5 – 10 % 3 – 6 % 5 – 8 %

Carbonatos 10 – 15 % 8 – 12 % <3 %

Temperatura cocción 1000 – 1050 oC 1070 – 1130 oC 1100 – 1150 oC

Contracción lineal 0,5 % 1.0 % 4 - 6 %

Absorción de agua 13 – 16 % 10 – 14 % 3 – 6 %

Resistencia mecánica (seco) >30 Kg/cm2 >25 Kg/cm2 >25 Kg/cm2

Resistencia mecánica (cocido)

>150 Kg/cm2 >200 Kg/cm2 >300 Kg/cm2

Densidad aparente (cocido) >2 g/cm3 >2 g/cm3 >2,05 g/cm3


A partir de ahora vamos a basarnos en el proceso de producción.

2.- PROCESO DE FABRICACIÓN

Operaciones que se dan en la fabricación de las pastas cerámicas (por vía seca o por vía húmeda):

- Molienda

- Tamizado

- Atomización (ésta sólo aparece en el proceso por vía húmeda).

- Prensado

- Secado

- Cocción

Vamos a hablar de cada una de estas operaciones.

MOLIENDA

Definición.

La molienda o molturación consiste en la reducción del tamaño de las partículas de las materias primas para tener un material con las propiedades físicas y químicas adecuadas para los siguientes pasos del ciclo de producción.

Características de las materias primas que afectan a la molienda.

Los parámetros físicos de las materias primas que más afectan en la molienda son:

- Forma y tamaño de las partículas. - Textura. - Resistencia mecánica. - Peso específico. - Características reológicas.

- Forma y tamaño de las partículas.

El tamaño de las materias primas que llegan puede ser muy variado, dependiendo de su naturaleza y del pretratamiento en su extracción. Como ejemplo podemos decir que las arcillas llegan con un tamaño de 15-20 cm mientras que los materiales pesados suelen llegar con una granulometría más fina.


Es evidente que cuanto menor sea el tamaño de las partículas, menos complejo será el tratamiento posterior.

Una vez establecida la granulometría de las materias primas, ésta debe mantenerse constante.

- Forma de las partículas.

Diagrama de Zingg: Nos muestra las diferentes formas que puede presentar el grano (redondo, oval, tubular, etc.).

Esfericidad: Nos sirve para caracterizar los distintos granos.

Factor específico de la forma (Fg.): Lo mismo que la esfericidad, nos permitirá caracterizar los granos que componen la materia prima.

- Tamaño de las partículas.

Superficie específica: Es un parámetro que expresa la extensión de la superficie del grano. Es muy importante por la relación que tiene con la reactividad del propio grano.

Curvas de granulometría.

Histogramas. Curvas de frecuencia. Curvas acumulativas.

2.- Textura.

La existencia de señales de fragilidad tales como líneas de exfoliación, escisiones, etc. suelen influir en las propiedades de las materias primas y, lógicamente, su molturación.

3.- Resistencia mecánica.

Las principales fuerzas mecánicas que tiene que soportar un material durante la molienda son:

- Compresión.

La resistencia a la compresión se define como la carga mínima necesaria para romper una pieza estándar (carga de ruptura Kg/cm2).

Para realizar la prueba de compresión se usan ocho piezas cúbicas (cuatro en la dirección normal del plano de corte y cuatro en el plano perpendicular), las cuales tienen dos partes, una con un lado de 7,1 cm con un grano fino y otra con un lado de 10 cm de grano grueso.

Se empieza con una cierta carga la cual se va incrementando a razón de 20 Kg/cm2 por segundo.


Esta prueba es importante para la molturación en seco de los materiales duros.

La resistencia a la compresión varía con las direcciones de corte comentadas; con el grado de cohesión, con el grado de alteración y con la humedad.

- Choque.

La resistencia al choque puede ser medida por la altura (en cm) desde la cual al lanzar una bola de hierro de 1 Kg, se rompe una losa situada horizontalmente sobre arena.

El producto del peso de la esfera por la altura es lo que se conoce como coeficiente de rotura por choque.

Este ensayo es importante en la molturación en húmedo de materiales duros y en la molturación en seco de arcillas.

- Abrasión.

Se suele expresar en valores relativos Rosival (referidos al corindón).

Es importante en la molturación en húmedo de materiales pesados.

4.- Peso específico.

No tiene gran importancia para la molturación de los sólidos compactos, pero si es importante para la molturación en seco de mezclas naturales que contengan partículas de diferente composición mineralógica.

De hecho puede ocurrir que entre los componentes de la mezcla se den fenómenos de separación durante la molienda y durante su transporte dentro de la planta.

A continuación podemos ver los pesos específicos de algunos materiales cerámicos (dados en Kg/l).

Arcillas 2.5-2.8 Calcita 2.75 Dolomita 2.95 Feldespato 2.53-2.67 Cuarzo 2.65

5.- Características reológicas.

Es de particular importancia, dentro de este punto, la tendencia defloculante de los materiales arcillosos, los cuales pueden ser más o menos sensibles a los diferentes tipos de defloculantes.

Cuanto mayor sea la defloculación, mayor será el rendimiento de la molturación en húmedo.


Teoría de la molturación.

Si dejamos fijas las condiciones de funcionamiento del molino, la molturación sólo viene influenciada por las características del material a molturar.

La "molturabilidad" de un producto puede ser cuantificada moliendo una cierta cantidad en un molino patrón y evaluando las características del producto obtenido (por ejemplo, en EE.UU. se expresa en Tm/h de producto que pasa a través de un tamiz de 200 mesh, habiendo sido molturado en un molino de bolas).

Molturación por vía seca y por vía húmeda.

En líneas generales se puede decir que la molturación en húmedo se caracteriza por una reducción muy rápida del tamaño de las partículas y por una buena homogeneización, en cambio la molturación en seco se usa cuando no se requiere una elevada homogeneización en la mezcla.

La molturación en seco está obsoleta. Caso de utilizar este tipo de molienda, es aconsejable que las materias primas de que se disponga tengan características similares, como por ejemplo:

Bizcocho de Cottoforte (sólo si hay disponibilidad de arcillas calcáreas).

Bizcocho de Mayólica (pero como antes, sólo si hay disponibilidad de arcillas calcáreas).

Bizcocho de gres rojo.

Productos de monococción con pasta blanca, pero sólo para obtener piezas relativamente porosas en los cuales, las materias primas son mezcla de dos o tres arcillas similares.

La preparación de las pastas por vía húmeda se usa cuando las composiciones cerámicas están constituidas por varios componentes que se diferencian entre si por características físicas (dureza, peso específico, dimensiones de la partícula, etc.).

Por esta vía se puede llegar a alcanzar diámetros inferiores a 10 micras. Este procedimiento se usa también cuando la arcilla contiene impurezas nocivas que deben ser eliminadas de la pasta.

Se prefiere la preparación por vía húmeda para la producción de material gresificado y similares con ciclo de cocción rápido, ya que resulta más fácil realizar correcciones sobre la composición y se obtiene una buena fluidez cuando se atomiza, idóneo para una carga de molde.


El uso de defloculantes ha servido para disminuir notablemente la cantidad de agua en la barbotina (con las ventajas económicas que ello conlleva) en la vía húmeda disminuyendo el único aspecto negativo que presenta este modo de proceder.

Características reológicas de la barbotina.

Desde un punto de vista reo lógico, la molturación por vía húmeda presenta los siguientes problemas.

Durante la primera fase de la molienda, caracterizada por una barbo tina de una densidad extremadamente variable debido al proceso de balanceo y homogeneización, puede presentarse la dispersión del defloculante en la fase acuosa.

El resultado de todo el proceso de molturación, la aparición de fenómenos negativos que nos llevarían a problemas de poca molturación y/o problemas en la descarga, vienen determinados por una buena marcha de esta primera fase.

La razón de fenómenos como el bloqueo de los molinos cuando la barbotina es rica en arcillas plásticas, no está completamente explicados, aunque parece que se debe a la escasa humedad de algunas materias primas, a la acumulación del defloculante en algunas zonas, a la estratificación de la carga o al error al cargar el cuerpo molturante.

Para evitar esto, se puede realizar una premezcla de los componentes con el defloculante, lo que favorecería incluso el proceso de homogeneización.

Las características reológicas de la barbotina (sistema pseudoplástico de tendencia inestable con límite tixotrópico y de deslizamiento) adquieren mayor importancia cuando la densidad se estabiliza en un valor constante.

Si comparamos la curva de viscosidad con la del rechazo procedente de la molturación, se puede observar como la viscosidad tiene un descenso inicial pronunciado, seguido por una fase de estabilización en un valor constante más o menos larga, y finalmente un aumento con la prolongación del tiempo de molturación (Ver gráfica).


El decrecimiento inicial está justificado por la acción del defloculante, mientras que la fase de viscosidad constante es debida al hecho de que la fracción arcillosa se encuentra en un sistema homogéneo de granulometría, menor que la impuesta por el rechazo.

El comportamiento final es debido principalmente a la reducción del tamaño de los inertes, lo que conlleva un incremento del número de partículas por unidad de volumen (aumento de la superficie específica).

Por otra parte, en este momento del proceso, la temperatura del sistema puede superar el valor considerado como óptimo (40-50°C) y contribuir, junto con el tiempo de molienda y las fuerzas físico-químicas al deterioro del defloculante.

Durante la fase de descarga del molino, la barbotina es sometida a esfuerzos cortantes, adquiriendo mayor importancia el límite tixotrópico y el de deslizamiento que la viscosidad.

Es en esta fase cuando la barbotina, que posee un límite de deslizamiento elevado, se "congela" (toma un estado semi-sólido).

Este fenómeno, que no aparece si la barbotina está en movimiento, aumenta progresivamente con el tiempo en sistemas estáticos o con deslizamiento lento.

Esto es particularmente evidente en la parada de la barbotina en el tanque de agitación antes de la atomización.

Factores que afectan a la molienda.

Para una correcta molturación es necesario tener en cuenta los siguientes factores.

- Velocidad del molino.

A medida que aumentamos la velocidad del molino, la eficacia de la molienda aumenta, pero si la velocidad es excesivamente elevada la fuerza centrífuga provoca que la eficacia disminuya (Ver figuras).


Como podemos deducir de esto, existirá una velocidad que hará mínimo el tiempo de molturación:

Pero las condiciones ideales de molturación no son aquellas que hacen mínimo el tiempo de molienda, sino aquellas que minimizan la energía disipada por fricción y choque de los cuerpos molturantes y maximizan la energía aprovechada para la propia molturación.

Esto ocurre cuando la carga del molino cae en "cascada" con un ángulo (13) entre 450 y 600 (como se puede ver en la FIG. N° 2 de la hoja anterior),

- Cuerpos molturantes.

La rotación del molino no provoca solamente una rotación completa en "cascada" de los cuerpos molturantes, sino también una serie de rotaciones sobre si mismos.

Éstas son más eficaces si los cuerpos molturantes son bolas esféricas o cilíndricas que si son cantos de sílice, que al tener una forma irregular, no pueden llevar una rotación continua y uniforme.

La característica más importante de los cuerpos molturantes es el peso específico, que nos permite clasificarlos en:

De baja densidad: Porcelana normal y sílice (peso específico 2.4-2.5 gr/cm3).

De media densidad: Esteatita y porcelana de alto contenido en alúmina (peso específico 2.6-2.7 gr/cm3),

De alta densidad: Alúmina sintetizada y ALUBIT (peso específico 3.4-3.5 gr/cm3).

A mayor peso específico, para cuerpos molturantes de igual volumen, mayor será la energía cinética, lo que implica mayor acción molturante.


- Carga de bolas.

La carga de bolas tiene una influencia importante en el tiempo de molturación. Si se aumenta progresivamente, el tiempo de molturación primero disminuye y luego aumenta; en cambio la potencia absorbida primero aumenta y luego disminuye.

En teoría, el tiempo de molturación mínimo correspondería a una carga de bolas del 60% del volumen del molino, pero en la práctica se da alrededor del 50-55%.

Se aconseja tener un cierto surtido de bolas, las grandes sirven para molturar las partículas grandes y las pequeñas para refinar la molturación. En todo caso, las bolas no deben tener un diámetro superior a 60-70 mm.

Para saber el surtido y tamaño de las bolas a utilizar se tendrá en cuenta:


Dimensión del molino. Los molinos de volumen pequeño deben tener bolas más pequeñas que los de mayor volumen.

Granulometría de la sustancia antes y después de la molturación. Una sustancia formada por partículas gruesas requiere bolas de mayor tamaño; si se ha de molturar finamente necesitaremos bolas de diámetro reducido.

Carga del producto. El producto a molturar ha de cubrir completamente las bolas.

Revestimiento y cuerpos molturantes.

Actualmente se utilizan diversos tipos de materiales como cuerpos molturantes y para el revestimiento de los molinos.

Molinos para pastas Molinos para esmaltesRevestimiento Cuerpos moledores Revestimiento Cuerpos moledores

Sílice Sílice Porcelana Porcelana

ALUBIT ALUBIT ALUBIT ALUBIT

Goma Sílice

Goma ALUBIT

Sus pesos específicos son:

Sílice 2.65 Kg/l. Porcelana 2.75 Kg/lALUBIT 3.75 Kg/l.

Si recordamos las pastas cerámicas se dividen en dos grandes grupos: blancas y coloreadas.

Las pastas blancas no pueden estar contaminadas por sustancias coloreadas, mientras que este problema no exista para las pastas coloreadas. Por esto, los cuerpos molturantes usados para la pastas blancas han de ser o ALUBIT o sílice y para las coloreadas sílice o hierro.

El hierro no presenta problemas de contaminación siempre y cuando se disponga de medios efectivos para eliminar las partículas ferrosas más gruesas.

Cálculo de una carga. Ejemplo.

Supongamos:

Volumen útil del molino 36000 l


Densidad de la barbotina l.8 Kg/l Producto seco de la barbotina 60 % Coeficiente de relleno (molino y cuerposmolturantes revestidos de Alubit) 0.67

Composición de la carga y humedad:

Arcilla I 32 % 16 % Arcilla II 18 % 12 % Caolín 16% 9% Feldespato 15 % 5% CaC03 8% 3% Arena 11 % 7%

Kg de material seco = (0.67 x 36000 x 1.8 x 60)/100 = 26000

Por lo tanto:

Arcilla I 8320 Arcilla II 4680 Caolín 4160Feldespato 3900CaCO3 2080Arena 2860TOTAL: 26000

Pero como tiene un tanto por cien de humedad, tenemos que ver cuanto material húmedo tenemos que poner para tener un total de 26000 Kg de material seco.

100 -------------- Kg de material húmedo 100 - % de humedad -------------- Kg de material seco

Así obtenemos:

Arcilla I 9905 Arcilla II 5318 Caolín 4571 Feldespato 4105 CaC03 2144 Arena 3075 TOTAL 29118

Ahora tenemos que calcular el agua necesaria para tener un 40 % en la barbotina (60 % de producto seco):

100 Kg de barbotina ---------- 60 Kg de producto seco


X Kg de barbo tina ------------- 26000 Kg de producto seco

Tendremos 43333 Kg de barbotina.

100 Kg de barbo tina ------------ 40 Kg de agua 433333 Kg de barbotina ------- X Kg de agua

De esta forma los litros que necesitamos de agua son 17333

Pero como una cantidad de agua ya la ponemos con las propias materias primas (la humedad que llevan consigo).

Agua que hemos introducido con las materias primas:

29118 - 26000 = 3 118

Por ello tendremos que añadir:

17333 -3118= 14215 litros

En cuanto al defloculante, la cantidad a añadir se refiere a base seca. Si por ejemplo ha de ser un 0.5 %

26000 x 0.005 = 130 Kg.

Molienda en continuo.

La molienda en continuo tiene varias ventajas frente a la discontinua:

- Completa automatización del ciclo de preparación de la barbotina, lo que se traduce en una constancia de los parámetros de la molienda.

- Reducción del agua en la barbotina en un 30 %, que lleva consigo un ahorra de energía durante la atomización.

- Eliminación de los tiempos muertos de carga, descarga y limpieza.

- Ahorro de personal.

Las principales desventajas:

- Considerables pérdidas en caso de parada de la planta.

- Gran tamaño de la planta.

- Gran consumo específico de energía eléctrica.

Los cuerpos molturantes usados en este caso son los mismos que en el proceso discontinuo. La única diferencia es el hierro, que aunque asegura un alto rendimiento de la molturación, resulta altamente contaminante.

Control


* Granulometría.

Se toman 100 gramos de la pasta y se hacen pasar a través de un tamiz (se suele utilizar uno de 60 um) con la ayuda de agua. El rechazo (cantidad de pasta que no pasa por el tamiz) se seca y se pesa, dándonos así el porcentaje de rechazo.

* Densidad de la barbotina.

Se toma una probeta y se pesa. Posteriormente se llena con la barbotina y se vuelve a pesar. La diferencia de ambas pesadas, dividida por el volumen de dicha probeta nos da directamente la densidad de la barbotina en cuestión.

Para evitar los inconvenientes del enrase de la probeta, se hace uso de un densímetro (llamado erróneamente pignómetro), que consiste en un recipiente de capacidad fija (100 cc), con un peso fijo (200 gramos), con una tapadera agujereada en el centro. De esta forma al llenar el recipiente y taparlo, la barbotina sobrante saldrá por este orificio, consiguiendo así un volumen más exacto.

Esta forma de medir la densidad no es muy precisa, pero si que resulta muy cómoda.

* Viscosidad de la barbotina.

Tenemos tres métodos para determinarla:

- Copa Ford.

Se introduce un volumen determinado de barbotina en la copa Ford (recipiente con forma de embudo, con un orificio en el fondo, por el que sale la barbotina) y se mide el tiempo que tarda en pasar ese volumen.

El resultado se da en segundos necesarios para vaciar la copa Ford.

- Viscosímetro de torsión.

Al hilo de torsión (con el que vamos a medir la viscosidad) se le engancha un huso medidor, el cual se sumerge totalmente en un cilindro en donde se ha introducido anteriormente la barbo tina.

A dicho hilo se le realiza un giro de 360 o, en el sentido de las agujas del reloj. Se mantiene en esta posición durante un cierto tiempo (generalmente un minuto) y se suelta, anotando los grados del ángulo de recupero.

Gracias a tablas o gráficas, y sabiendo el huso medidor utilizado así como el grosor del hilo de torsión, se pueden transformar los grados leídos en viscosidad aparente (centipoises).

- Viscosímetro rotacionaI.


Se introduce la barbotina en un cilindro.

Se coloca un huso medidor en el aparato, y se sumerge totalmente en el cilindro con barbotina. Se le da una velocidad de giro y se anota el valor que da el aparato. Conociendo el huso utilizado y la velocidad propuesta, se puede dar la viscosidad aparente gracias a tablas o gráficas.

* Tixotropía (viscosidad a tiempo variable).

Medimos la viscosidad con el viscosímetro de torsión, tal como hemos indicado en el apartado anterior.

Posteriormente, volvemos a medirla, pero manteniendo el hilo torsionado durante 6 minutos.

De esta forma tendremos la variación de la viscosidad con el tiempo.

* Contenido en sólidos de una barbotina.

Se pesa un vaso vacío y seco (Pv), se llena de barbotina y se vuelve a pesar (Pg). Se deja en estufa hasta que el peso no varíe, anotándose este valor (Ps).

El porcentaje de sólidos (C.S.) se calculará:

C.S. = (Ps-Pv)/(Pg-Pv) . 100

ATOMIZACIÓN.

Definición.

La atomización es la operación por la cual se elimina el agua presente en la barbotina.

Consiste en la dispersión de las partículas en suspensión en el seno de una corriente de aire caliente.

El objetivo de la atomización es la reducción de la barbotina cerámica en polvo, con una granulometría y humedad adecuadas para el prensado.

Factores que afectan a la atomización.

El factor más importante es la naturaleza de la barbotina a atomizar.

Para buscar el óptimo a la hora de la atomización, tendremos que tener en cuenta puntos como:

- Posibilidad de defloculación de la barbotina.

- Conseguir el defloculante, o mezcla de ellos, más eficaz para fluidificar la barbotina.


- Estudio de la curva de defloculación para establecer el intervalo de viscosidades óptimas para el atomizado.

- Cálculo para determinar el punto económicamente más rentable comprendido en el intervalo de viscosidad óptimo de la barbo tina.

Características del polvo atomizado.

Los parámetros a controlar y corregir durante la atomización son:

1- Humedad.

2- Granulometría.

1- Humedad.

Debe ser controlada continuamente por el operador (cada hora), y los valores recogidos deben ser registrados.

La humedad debe ser regulada de manera que oscile entre un 5 y un 7 % con una tolerancia de ± 0.5 %.

Es fácil intervenir para llevar la humedad al valor deseado. Se puede hacer de dos formas:

- Si la variación de humedad es muy grande, es mejor actuar sobre el mando del generador de calor, haciendo que la temperatura de la cámara suba o baje, según el polvo salga demasiado húmedo o seco. El intervalo de temperaturas debe mantenerse entre 450-650 °C.

- Cuando la variación de humedad es pequeña es posible intervenir sobre la presión de la bomba de la barbotina, aumentándola o disminuyéndola según los polvos salgan demasiado húmedos o secos.

Para la humedad de los polvos no tiene mucha importancia las características de la barbotina, pues sólo se trata de eliminar la cantidad justa de agua, suministrando más o menos energía térmica a la barbotina pulverizada.

2- Granulometría.

Aquí sí tiene gran importancia las propiedades de la barbotina, aparte de otros parámetros.

a) densidad de la barbotina (% de agua). b) viscosidad de la barbotina. c) presión de la bomba de la barbo tina. d) características de la boquilla. e) tipo de atomizador.


a) Un aumento del agua en la barbotina (lo que implica una disminución de la densidad) conlleva una granulometría menor del polvo atomizado, ya que se favorece la pulverización de dicha barbotina.

Sin embargo, esto conlleva un aumento del gasto energético ya que es mayor la cantidad de agua que debe evaporarse.

b) Una viscosidad baja implica una granulometría más fina. Pero si la viscosidad es demasiado baja, y seguimos a las mismas condiciones de trabajo, la barbotina tenderá a ir hacia las paredes del atomizador, bajando notablemente su rendimiento.

e) Aumentando la presión de la bomba, la barbotina es pulverizada más alta, obteniéndose una granulometría más fina.

d) La granulometría está influenciada tanto por el diámetro de la boquilla (grano más grueso cuanto mayor sea el diámetro) como por el espesor de la espiral (que depende directamente de las características de la boquilla).

Las dimensiones de la espiral influyen sobre la cantidad de barbotina que sale por la boquilla (por ejemplo, por cada 2 milímetros que "aumentemos" el espesor de la espiral, tendremos de un 15 a un 20 % más de barbotina dispersada) y sobre la trayectoria de las partículas (ya que es la espiral la que determina el movimiento rotatorio de la barbotina).

En general se puede decir que a mayor espesor de la espiral, mayor es la granulometría obtenida.

e) A igualdad de todas las demás condiciones, a mayor tamaño del atomizador, más gruesa será la granulometría.

Para regular la humedad de los polvos atomizados lo normal es "jugar" con varias de las variables que hemos mencionado.

Control.

Granulometría. (Ver controles en la molturación). Humedad del granulado.

La medida de la humedad la podemos realizar de dos maneras diferentes:

- Con estufa.

Con el granulado perfectamente homogeneizado, se toma una muestra, se sitúa sobre un vidrio reloj (que ha sido previamente tarado) y se pesa (P1). Se deja en estufa y al cabo de un cierto tiempo (4 horas aproximadamente), se vuelve a pesar (P2).

La humedad (H) se calculará:


H = (P1-P2) / P2 x100

- Con un equipo Speedy.

Como antes, la muestra de la que vamos a medir la humedad debe estar perfectamente homogeneizada.

Esta muestra se tara en la balanza del equipo (así siempre se pondrá la misma cantidad de muestra) se introduce en un recipiente junto con una cantidad de carburo cálcico (CaC), se tapa y se agita vigorosamente.

El CaC reacciona con el agua de la muestra dando acetileno

2 CaC + 2 H20 -------------- 2 CaC + C2H4

La presión ejercida por el acetileno es medida por un manómetro, que nos da directamente la humedad de la muestra (está lectura es directa gracias a que el manómetro ya está calibrado, pues la cantidad de muestra introducida es siempre la misma).

* Distribución granulométrica del granulado.

Se pesa una cierta cantidad del granulado y se sitúa sobre una torre de tamices (situándose en la parte alta el tamiz de número de luz de malla mayor y el de menor en la parte baja).

Se mantiene esta torre con una vibración constante durante un periodo de tiempo determinado, y después se pesa el porcentaje retenido por cada tamiz.

Generalmente se trabajará con tamices que van desde 750 um hasta 125 um

* Fluidez del granulado.

La medición se hará de dos formas:

- Haciendo uso de un fluidómetro.

Se deja caer libremente el granulado sobre el recipiente del equipo hasta llenarlo totalmente. Se enrasa y se sitúa un recipiente sobre una balanza para recoger el granulado.

Se tara esta balanza y se cronometra el tiempo que tarda en caer el material, anotando el peso del mismo.

Así se puede obtener la fluidez másica (gris).

- Haciendo uso del Índice de Hausner.

Se pesa la probeta de volumen Vi (Pi).

Se llena con el granulado en cuestión, dejándolo caer libremente.

Se enrasa y se vuelve a pesar (Pj),


A la probeta ya llena se le somete a una vibración continua, dándole pequeños golpes cada cierto tiempo.

Se continúa así hasta que el volumen permanezca constante (Vr).

Tendremos:

Densidad aparente del granulado (Da)= Pf - Pi

Vi

Densidad vibrada (De) = Pf - Pi

Vf

Índice de Hausner (ll-I)= Dv/Da = Vi/Vf

A mayor índice de Hausner menor será la fluidez del granulado.

PRENSADO.

Definición.

En el prensado se dan dos operaciones:

- Formación de la pieza. Se le da a la materia prima una forma propia.

- Compactación de la pasta. Eliminación de los huecos que existen en la pieza formada. De esta forma se le da consistencia a la pasta para resistir mecánica, física y químicamente a las operaciones a las que estará expuesta, tanto en crudo como ya cocida.

Factores que afectan al prensado.

- Composición de la pasta.

- Método de preparación del polvo para prensar.

- Humedad del polvo parar prensar.

- Granulometría del polvo para prensar.

Ventajas del prensado.

Las ventajas que presenta el prensado frente a otros sistemas de formación (como extrusionado, colado, etc.) son:

- Alta resistencia mecánica.

- Alta productividad (empleo mínimo de mano de obra, automatización de las fases y facilidad en el transporte de las piezas).


- Facilidad de secado.

- Facilidad para obtener en el producto acabado dimensiones y forma exacta.

- Mínimas deformaciones en las operaciones sucesivas al prensado (como secado, esmaltado, etc.).

- Reducción de la contracción (debido a la reducción de los huecos en la compactación de las piezas).

Sistemas de prensado.

El polvo que llega a la etapa de prensado es humidificado uniformemente para favorecer la cohesión de las partículas y para dar a la pasta una cierta plasticidad.

Según la cantidad de agua que lleven los polvos, el prensado será:

- Plástico. El porcentaje de agua que lleva la mezcla está entre un 20 y un 25 %. Se usan moldes de yeso.

- Semi-plástico. El porcentaje de agua va del 15 al 20 %. Se usan moldes metálicos.

- Semi-seco. Los polvos tienen una humedad del 10 al 15 %.

- Seco. El porcentaje de agua es inferior al 10%.

En los dos primeros casos la mezcla entra como una pasta y en los dos últimos como polvo.

Ciclo de prensado.

Se siguen las siguientes fases (hemos tomado el ciclo para la formación del azulejo).

- Carga del polvo en el molde. El carro, deslizándose bajo la tolva, extrae el polvo y lo descarga en los alvéolos del molde.

- Cierre del molde y trabajo de los punzones mandados por los órganos previstos. Se efectúa lila primera prensada, en la cual se debe dosificar la intensidad y duración para favorecer la expulsión del aire del material.

- Aireación. Se termina de expulsar todo el aire del material, abriendo parcial o totalmente el molde

- Verdadero prensado. Usando de manera diferenciada la fuerza de la máquina, se tiende a obtener suficiente resistencia mecánica y una buena compactación del producto.

- Apertura del molde.

- Extracción del azulejo.


A la vez que el azulejo es empujado para su extracción, se produce una nueva carga del molde con el polvo a prensar.

Defectos en el prensado.

1.- Defectos debido a la no homogeneidad del polvo.

- Mala compactación.

Debido a la dificultad de eliminar el aire que lleva el polvo que va a ser prensado, aparecen huecos que provocan laminaciones e hinchamientos de la pieza.

Este problema no es sólo debido a la falta de homogeneidad del polvo (aunque es la causa más típica); puede estar producido por un almacenamiento inadecuado de las materias primas.

Aun cuando se realice un estudio exhaustivo de las características del polvo a prensar, los problemas que presentará no son fácilmente predecibles a priori.

Por ello, se intenta definir un "índice de prensabilidad" o de "compactación", para poder prever cuando una pasta dará o no problemas en el prensado.

Se puede definir así:

Ps =S/h

Donde:

Ps: índice de prensabilidad.

S: resistencia mecánica a la flexión en seco (Kg/cm2).

h: resistencia mecánica a la flexión en verde (Kg/cm2)

Si Ps se encuentra entre 2 y 4 se puede decir que la pasta no dará problemas de compactación.

Si es inferior a 1.5, requerirá un tratamiento especial en la prensa.

La presencia de aire en el polvo a prensar representa un grave problema. Pero que el aire permanezca dentro del cuerpo o que se encuentre en la superficie requiere una u otra solución.

Si se encuentra en el interior, la primera prensada debe ser enérgica y rápida, con una etapa de aireación prolongada.

En cambio si está en la superficie, es necesario una prensada muy lenta. Esto se tiene que realizar así porque muchos materiales se impermeabilizan al ser prensados; por ello, la prensada debe ser lenta para permitir que los gases vayan saliendo.

- Formación de una aureola.


Este defecto es originado por la corriente de aire que crea el punzón cuando cierra el molde.

Para evitarlo se ha de reducir la velocidad de caída del punzón o bien humedecer el polvo.

- Ensuciamiento del molde.

Antiguamente, los punzones del molde eran de acero. Para mantener/os limpios y así asegurarse un buen prensado, estaban muy pulidos

Hoy en día han quedado en desuso este tipo de punzones, utilizándose unos de goma que reducen notablemente su ensuciamiento.

Que unos moldes se ensucien más o menos también está influenciado por la composición de la pasta. Así se ha podido comprobar que las pastas con mayor cantidad de materiales plásticos se ensucian menos que otras que tengan menor cantidad de estos materiales.

Las características del polvo de prensado que más influyen en el ensuciamiento de los punzones son:

Humedad del polvo. A mayor humedad, mayor es el ensuciamiento.

Granulometría del polvo. Cuanto menor sea el tamaño, menor será el ensuciamiento. Esto puede tener dos explicaciones. O porque al ser menor el grano, la sequedad de las partículas es mayor o porque en la fase de aireación, el movimiento de las partículas, que al ser más pequeñas se mueven más, provoca la limpieza de los moldes.

- Preparación del polvo a prensar.

Influye en gran medida la forma en que el polvo ha sido secado y homogeneizado.

Por ejemplo, si el polvo precede de un atomizador que obtiene un tamaño de partícula grande el ensuciamiento es muy elevado. Esto tiene una fácil explicación: al ser grande el granulado obtenido, tendremos esferitas muy secas por fuera pero muy húmedas por dentro. Es esta humedad la que hace que el polvo se pegue en los punzones, ensuciando los mismos y el molde.

2.- Defectos de geometría.

Estos defectos son debidos a valores no constantes de la densidad en toda la pieza.

La no constancia de la densidad se debe a tres factores principalmente:

Variación de la humedad del polvo.

Llenado de los moldes de forma no homogénea.


Errores en la planaridad de los punzones (este punto es el más conflictivo de los tres).

3.- Defectos del prensado sobre las características del azulejo.

Los podemos dividir en dos grandes grupos:

- Antes de la cocción, sobre la pieza cruda.

- Después de la cocción, sobre la pieza ya cocida.

a) Antes de la cocción.

- Expansión del azulejo.

Al sacar la pieza del molde, deja de actuar la fuerza que provoca la Formación

de las piezas. Por ello, la pieza tiende a expandirse.

Esta expansión depende de:

- Forma de preparar el polvo de prensado.

- Humedad y composición del mismo.

- Intensidad de la fuerza que se ha aplicado.

Si la expansión llega a ser excesiva, se ha de actuar de forma especial en el prensado.

- Defectos derivados de unos valores inadecuados de la densidad aparente.

Para los productos porosos, la compactación no debe ser excesivamente elevada, pero si suficiente para poder aguantar los distintos golpes que pueda recibir el azulejo.

En cambio, para productos de pavimento donde la porosidad es mínima, la compactación debe ser mucho mayor, lo que implica una reducción de la temperatura de cocción y una estabilización dimensional de la pieza.

Pero esta compactación tan elevada conlleva una mayor impermeabilización que acarrea problemas en el secado y en la cocción (debidos a la dificultad que tienen los gases ocluidos para "escapar" del soporte.

- Defectos derivados de unos valores inadecuados de la resistencia mecánica en verde (pieza cruda sin secar).

Existen unos valores mínimos por debajo de los cuales las piezas no tienen aguante suficiente para ser manipuladas, produciéndose la rotura de las mismas.

La resistencia mecánica en verde viene estrechamente relacionada con la humedad del polvo a prensar.

- Defectos en el secado.


Si las piezas no tienen una resistencia mecánica aceptable, en la etapa de secado se pueden producir grietas y roturas debido al choque térmico que sufren los azulejos.

b) Después de la cocción.

- Corazón negro.

Consiste en la aparición de una mancha negra en el interior del soporte, acompañado generalmente por un hinchamiento de la pieza.

Aunque son muchos los factores que influyen en este defecto, un exceso en la presión de formación lo acentúa notablemente.

- Defectos geométricos.

Diferencias de compactación a la hora del prensado se ponen de manifiesto en la pieza ya cocida, presentando anomalías en la propia geometría del azulejo.

- Fisuras.

Las fisuras o grietas son debidas a una falta de constancia en la densidad de la pieza prensada.

Estas se producen durante la cocción cuando se alcanzan las que podríamos llamar temperaturas críticas (aquellas temperaturas donde se produce una transformación ya sea física o química) que son:

- 573°C. Transformación alotrópica del cuarzo a α cuarzo β con un aumento del volumen (esto es en el calentamiento; en el enfriamiento será al revés con la lógica disminución de volumen).

- Próximo a los 100°C, donde se produce la eliminación del agua que no se encuentra en la propia estructura de la pieza.

- Sobre los 200°C, eliminación del agua de composición (zeolítica).

- Temperaturas de cambio de estado del material (de sólido a líquido y viceversa)

Control.

* Compactación de las piezas ya prensadas. Cálculo de la densidad aparente por inmersión en mercurio.

Se toma un recipiente que contiene mercurio y se sitúa sobre la balanza del equipo para determinar la densidad aparente.


Se eleva el brazo y se sitúa la muestra (prensada y seca) sobre el mercurio sin que toque las paredes del recipiente.

Esta muestra ya había sido pesada previamente (W1).

Se baja el brazo y se hace que el puntero toque de nuevo la superficie del mercurio (de esta forma la muestra queda sumergida).


Se anota el peso que registra la balanza (W3) y la temperatura ambiente.

• Con esta calcularemos la densidad del mercurio a la temperatura de trabajo (ρHg).

Así tendremos:

Volumen aparente de la muestra (Vap) = ρHg

Densidad aparente de la muestra (Dap) = W1/ W3 x ρHg

Podemos hacer este ensayo para distintas partes de la pieza ya prensada. De esta forma tendremos la distribución de la densidad aparente en toda la pieza.

* Variación de la compacidad de las piezas con la humedad.

Se toman tantas muestras como humedad es se vayan a estudiar. Mediremos la humedad de todas ellas Se prensarán todas las muestra con la misma presión y se medirá la compacidad por inmersión en mercurio.

* Variación de la compacidad de las piezas con la presión de prensado. Como antes, tomaremos tantas muestras como presiones deseemos estudiar.

Cada una de ellas se prensará con la presión deseada y se calculará la compacidad de todas ellas por inmersión en mercurio.

Tanto para esta determinación como para la anterior, interesa que todas las otras variables que puedan influir en el resultado final se mantengan en unos valores fijos.

* Resistencia mecánica. Resistencia a la flexión en verde.

Se toma la pasta, que se encuentra a un rechazo determinado (5 % sobre tamiz de 60 um) y se prensa a una presión de 300 Kglcm2 con una humedad de 5.5 %.

Esta pieza prensada se coloca en el equipo de determinación de la resistencia a la flexión.

El equipo posee unos apoyos en las esquinas, que es donde se sitúa la pieza, ejerciendo en el centro una fuerza que se aumentará progresivamente hasta la rotura de la pieza.

Así obtendremos:

Resistencia a la flexión (Rf) = (3xPxLs)/(2xbxa2)

b y a = anchura y espesor de la pieza, respectivamente. Se da en centímetros.

Ls = distancia entre los apoyos. Se da también en centímetros.

P = fuerza para la cual se ha producido la rotura. Se da en Kilogramos.


De esta forma el resultado lo obtendremos como Kg/cm2.

Se puede realizar el mismo estudio pero con la pieza ya seca (resistencia a la flexión en seco).

* Humedad del granulado.

- Con estufa. (Ver controles en la atomización).

- Con un equipo Speedy. (Ver controles en la atomización).

* Fluidez del granulado.

- Haciendo uso de un fluidómetro. (Ver controles en la atomización).

- Haciendo uso del índice de Hausner. (Ver controles en la atomización).

* Medida del espesor y la longitud de las piezas.

Se coge una pieza prensada y con un aparato de precisión se mide tanto el espesor como la longitud de los lados de la pieza.

SECADO

Definición.

El secado consiste en la eliminación del agua que no forma parte de la estructura del material a secar, suministrándole a éste una cierta cantidad de energía.

Al cabo de un cierto tiempo, se establece un equilibrio entre la humedad en el ambiente que rodea al cuerpo que estamos secando y la humedad del mismo. Este equilibrio puede limitar el secado de este material, necesitando un mayor aporte de energía si queremos seguir secando el material.

Mecanismos de secado.

El secado está influenciado por condiciones externas tales como temperatura, humedad y características de la corriente del aire.

El calor requerido para la evaporación del agua puede ser recibido por la pieza por convección, radiación, conducción o, más corrientemente, por una combinación de los tres procesos.

Desde un punto de vista interno, el secado se puede asociar a un movimiento de la humedad, ya sea como vapor o como agua.

El secado puede llevar consigo una apreciable contracción y en caso extremo, rotura o deformación de la pieza.

- Efecto de las condiciones externas.


El secado de la mayoría de materiales granulados, en un ambiente de características constantes, puede ser dividido en dos o tres periodos:

a) 1 ° Periodo. Velocidad de secado constante.

b) 2° Periodo. Velocidad de secado decreciente, siendo el grado de secado función lineal del contenido en humedad.

e) 3° Periodo. Velocidad de secado decreciente, en el cual existe una relación no lineal entre la humedad y la velocidad de secado (o grado de secado).

Al contenido en humedad en el final de los periodos 1° Y 2° se le llama contenido crítico de humedad.

Muchas veces, los periodos 2° y 3° no se diferencian, teniendo tan solo dos periodos (uno de velocidad de secado constante y otro de velocidad de secado decreciente).

Durante el periodo 1°, la relación entre la velocidad de secado y las condiciones externas es independiente del tipo de material que se seca. La superficie de la


pieza se comporta como una superficie de agua "libre", manteniéndose siempre mojada.

Si durante este periodo la pérdida de agua provoca la contracción de la pieza, el grado total de secado, referido a la superficie de la pieza, decrece una cierta cantidad relacionada con la reducción del área del cuerpo que se seca.

Sin embargo, la velocidad de secado por área (glh cm") permanece constante.

En este primer periodo, la pérdida de volumen corresponde a la cantidad de agua evaporada (agua de contracción).

En el periodo 2°, el grado de secado decrece, de hecho, en esta fase la superficie del grano decrece debido al secado de la zona externa de éste; la superficie es cada vez más pequeña hasta alcanzar el "corazón" del grano.

En este periodo se produce la formación de huecos haciendo así que el volumen deje de disminuir.

El volumen de estos huecos es proporcional a la cantidad de agua evaporada después de que la masa ha cesado de contraerse (agua de porosidad).

Durante el periodo 30 el factor de difusión domina sobre la evaporación. Esto ocurre dentro del sólido y el vapor busca la superficie por difusión a través de los poros.

En esta fase, la velocidad de difusión controla el nivel real de pérdida de humedad de la pieza.

Todo esto ocurre bajo unas condiciones de secado constante. Con el cambio de estas condiciones, la velocidad de evaporación crece con la superficie del material a secar, con la temperatura y con el decrecimiento del grado higrométrico (humedad relativa) del aire.

La diferente orientación de las partículas de arcilla también influye en la velocidad de secado. Por ejemplo, la estructura llamada "paquete de cartas" tiene un secado más lento que la denominada "castillo de cartas", en la cual la menor compactación opone menor resistencia a la evaporación.

También influyen los iones presentes. El grado de secado decrece en este orden:

H; Ca; K; Na.

- Transferencia de calor por convección.

En muchos casos, el secado se realiza haciendo pasar una corriente de aire caliente sobre la superficie húmeda de la pieza.


La corriente de aire tiene dos funciones, suplir parte del calor requerido por el agua para evaporarse y llevarse el vapor de agua de la superficie, llevándolo fuera del sistema de secado.

Vamos a considerar los factores que influyen en la evaporación del agua de la superficie cuando es expuesta a una corriente de aire que circula paralela a ella.

Cuando un gas es forzado a pasar por una superficie húmeda, puede darse dos tipos de flujos dependiendo de la velocidad media que lleva la corriente de aire y la distancia relativa desde la superficie hasta el punto que tengamos en cuenta.

A velocidades altas, la corriente de aire circula en régimen turbulento, sin estar dividido en estratos, y en una sola dirección.

A velocidades bajas, por el contrario, el aire tiende a circular laminarmente (estratificado) con una pequeña mezcla de los distintos estratos.

Sin embargo, aún cuando la velocidad media de la corriente de aire es alta, a medida que nos acerquemos a la superficie, ésta será más baja, tendiendo a cero.

Incluso aunque en la mayor parte de la masa de aire el régimen es turbulento, en las inmediaciones de la superficie hay siempre una fina película (o estrato límite) donde el aire está parado. Cerca de esta película, el régimen de circulación del aire es laminar.

El vapor formado puede ser transferido a través de esta película hasta la masa de aire por una lenta difusión. Si la única fuente de calor para la evaporación es el aire seco, el calor tiene que ser conducido a través de la película hasta la superficie, y como el estrato límite está dentro, la convección no puede darse.

Cuando una superficie mojada, térmicamente aislada excepto por donde el aire está en contacto con ella, se expone a una corriente de velocidad, temperatura y humedad constante, rápidamente se consigue una evaporación constante. Esto muestra que se alcanza un estado de equilibrio entre el flujo de calor hacia la superficie y el calor latente necesario para evaporar el agua. La caída de la temperatura no es indefinida, ya que toda diferencia de temperaturas entre la superficie y el aire provoca una transferencia de calor.

A medida que la diferencia de temperaturas aumenta, el calor transferido crece análogamente, hasta igualar al calor latente de vaporización. En este punto, la temperatura de la superficie se mantiene fija. El valor de esta temperatura es lo que se llama temperatura húmeda.


Las condiciones de equilibrio están descritas en la figura siguiente:

La corriente de aire, que está a una temperatura ta, está pasando por encima de la superficie a secar. El aire contiene una cierta cantidad de vapor de agua que crea una presión parcial P a, la temperatura de la superficie es la temperatura húmeda tw y la presión parcial en la superficie P w es la presión de vapor a la temperatura tw.

Hasta que el vapor salga a través de la película por difusión, la velocidad de vaporización será proporcional a P w - P a

k (Pw-Pa)

Análogamente, la velocidad con que el calor es llevado a través de la película de aire estancado, es proporcional a ta - tw

(h ta – tw) / L

Si este calor es la única fuente de energía usada para la evaporación, se puede escribir la siguiente relación: velocidad de evaporación (g/h) = k (Pw-Pa) = (h ta – tw) / L

Donde:

k coeficiente de difusión (velocidad de difusión del vapor por unidad de incremento de presión g/hΔP ).

h coeficiente de transferencia de calor (velocidad de calor transferido a través de la película de aire por unidad de temperatura Kcal/h °C ).

L calor latente de vaporización por unidad de masa (Kcal/Kg).

Hasta que la temperatura de la superficie húmeda alcance la temperatura húmeda del aire, la velocidad de evaporación es directamente proporcional a ta - tw.


La superficie que tiene que ser secada sólo alcanzará la temperatura húmeda si se comporta como una superficie de agua libre (totalmente mojada) esto es, durante el periodo de velocidad de secado constante.

El final de este periodo coincide con el aumento de la temperatura de la superficie, que significa el inicio del periodo de velocidad de secado decreciente.

Durante este periodo, el grado de secado es todavía proporcional a la diferencia de temperaturas entre la superficie y el aire, y es sensible a variaciones de la velocidad del aire. Esto nos demuestra que en esta fase, la evaporación se da en la superficie.

Si la corriente de aire no es la única fuente de calor, y la pieza recibe calor por radiación o conducción, la temperatura se incrementa, consecuentemente, la presión de vapor crece y la velocidad de secado será más rápida. La velocidad de evaporación no es proporcional a ta - tw.

Un aumento de la velocidad del aire incrementa la velocidad de evaporación superficial, ya que esto implica una reducción de la resistencia a la transferencia de calor y vapor a través de.la película.

Si en vez de flujo paralelo fuese un flujo perpendicular, tendríamos un secado más rápido ya que los coeficientes k y h son mayores que para el flujo en paralelo.

Sin embargo, en la realidad es mucho más complicado ya que la superficie está sujeta a ambos tipos de flujo, dependiendo de la forma de la pieza y su posición en el secadero.

- Transferencia de calor por radiación.

El calor puede ser transferido como energía radiada por un cuerpo caliente situado cerca de la pieza que se desea secar. Se comporta como cuando es transmitido por convección, pero es mucho más rápido.

Si se usa la transferencia de calor por radiación, es necesario siempre la eliminación del vapor que se forma. La cantidad formada es proporcional a la diferencia" entre la presión del aire a las condiciones higrométricas cerca de la pieza y la presión correspondiente a la temperatura alcanzada por la pieza.

- Transferencia de calor por conducción.

La conducción puede ser definida como el flujo de calor dentro del mismo cuerpo desde las zonas más calientes a las zonas más.

La cantidad de calor transmitido por convección a través de un área A (cm") es:

q = k A dρ/dx (Kcal/h)


Donde:

dρ/dx es el gradiente de temperaturas medido en la dirección del flujo.

k conductividad térmica.

La cual depende del contenido en humedad del material y aumenta cuando ésta aumenta.

El mecanismo de conducción está a menudo acoplado a otras formas de transferencia de calor.

La conducción se da dentro de la pieza y, la convección y la radiación en la superficie de la misma.

- Mecanismo interno de secado.

En un sistema de granulometría como la de los cuerpos cerámicas, la migración del agua hacia las áreas externas de la pieza puede ser considerada como mecanismo interno de secado.

Para entender como se da la transferencia de la humedad, es necesario tener en cuenta que las fuerzas causantes de este movimiento dependen en gran medida tanto del tipo de barbotina como del contenido en humedad de la pieza.

De hecho, en la categoría del material granular se pueden distinguir los que no reaccionan con el agua y los que sí 10 hacen, ya sea física o eléctricamente, en la superficie de los granos.

I = Fuerzas intermoleculares.

Sobre cualquier superficie sólida mojada de agua, hay una tracción entre los átomos de dicha superficie (con valencias libres) y las moléculas de agua (debido a su polaridad).

Este fenómeno, crea en la superficie de cada partícula un estrato de agua donde las moléculas son orientadas respecto a la superficie.

Las moléculas de agua tienden a ser atraídas por sustancias con las que tienen una cierta afinidad química, como por ejemplo la sílice, que por su estructura atómica, crea fuertes enlaces con las moléculas de agua.

En el caso de materiales arcillosos, los cuales están compuestos por partículas extremadamente pequeñas, la formación de estratos de agua es debido a la carga negativa de la superficie de los granos, la cual atrae los dipolos del agua.

A parte del agua de constitución o reticular, la cual está unida a la estructura cristalina, el agua que puede ser eliminada con el secado se divide en:

Intersticial: ocupa los intersticios (poros) en la superficie y bordes de las partículas arcillosas. Puede ser eliminada con un suave calentamiento.


Interestrato: situada en el espacio entre las capas T-O de las haloritas, normalmente eliminada a 60-70 oC.

Zeolítica: se encuentra en los canales de la estructura. Eliminable a altas temperaturas.

Dependiendo de la velocidad de evaporación, distinguiremos:

Agua libre, la cual, en unas condiciones ambientales constantes, tiene una velocidad de evaporación constante.

Agua ligada, la cual es eliminada con una velocidad gradualmente decreciente.

2. - Fuerzas de capilaridad.

Análogamente a lo que ocurre en un capilar, donde la tensión superficial hace subir el agua hasta una altura que depende del diámetro del mismo, las fuerzas de tensión superficial actúan sobre el menisco de agua que aparece en los poros de la pieza, actuando del mismo modo.

La reducción de la presión de vapor del líquido, se da de acuerdo una relación entre el radio del poro y la humedad relativa del aire en equilibrio con el menisco.

Por ejemplo, el agua contenida en un capilar de radio 40 O, no puede evaporarse hasta que la presión de vapor no esté por debajo del valor que tendría si estuviera en equilibrio con la humedad relativa (que como puede verse en la figura sería del 60 %).

La condensación en el capilar puede contribuir considerablemente a la acumulación del vapor de agua que un sistema poroso puede absorber, aunque es difícil distinguir cuantitativamente que agua es ligada químicamente a la superficie de los granos y cual es absorbida por la fuerza de tensión superficial.

Otras fuerzas que intervienen en menor medida en los mecanismos internos son la absorción osmótica y el rozamiento.


Contracción en el secado.

La evaporación del agua produce en las arcillas y en la pasta cerámica algunas modificaciones como son la contracción y la pérdida de peso.

La variación de estos dos valores son estudiados con la curva de Bigot, expresada como contracción/pérdida de peso u otras curvas derivadas de esta (por ejemplo la curva absoluta de contracción que se expresa como contracción/agua evaporada).

Como se puede observar en la figura siguiente, a medida que el secado avanza aparecen tres fases diferentes:

En la primera fase (AB) existe una relación lineal entre la contracción y la pérdida de agua. Seguidamente, la contracción decrece (2a fase BD). A lo largo de la última fase (DE) no tenemos contracción y sí pérdida de agua.

El agua evaporada en las tres fases se puede dividir en:

agua de contracción (sección AB).

agua de fase intermedia (sección BD).

agua de porosidad o intersticial (sección DE).

Es en la primera fase, en la cual se da la mayor parte de la contracción, donde tendremos las tensiones internas más importantes y por lo tanto, donde el riesgo de formación de grietas o roturas será más alto. Esta fase debe ser realizada con mucha precaución, evitando velocidades de secado demasiado elevadas.

La contracción en el secado de las arcillas y caolines depende de varios factores:

a) Granulometría y naturaleza de las partículas.

La contracción aumenta con el contenido de partículas coloidales y pequeñas « 0.2 um), mientras que decrece con el contenido de sustancias de grano grueso.

b) Características estructurales.


Diferentes minerales arcillosos tienen un aumento de la contracción cuando se aumenta la distancia entre estratos (mayor contenido de moléculas de agua).

c) Orientaciones preferenciales.

Una orientación preferencial, siguiendo el plano horizontal de las partículas, provoca una contracción mayor en la dirección perpendicular a ese plano.

Barelatógrafo.

Es el instrumento usado para obtener las curvas de Bigot.

Se trata de una balanza especial donde la contracción, oportunamente ampliada, aleja un brazo con una pluma, en el plano horizontal, mientras que la pérdida de peso provoca un alejamiento en el plano vertical.

Durante el secado es bueno que el aparato esté en una habitación con condiciones climáticas constantes.

Anomalías en las curvas de contracción.

Algunas arcillas y más frecuentemente caolines, presentan una curva de contracción que pasa por debajo del eje de abcisas durante la primera fase del secado, ascendiendo al final (como podemos observar en la página siguiente).

Hay una ligera expansión del material en el momento de la eliminación de la primera parte de la humedad.

Esta anomalía puede estar sujeta a varias interpretaciones, siendo la más probable la que exponemos a continuación.

La expansión es atribuida a la relajación de las fuerzas de tensión superficial (muy fuertes cuando el agua inhibe el capilar).Durante el proceso de secado, el agua contenida en los capilares deja espacio para la entrada de aire, necesitando fuerzas de compresión para mantener las partículas juntas entre si.

Esta carencia de fuerza provoca la ligera dilatación de la muestra.


Es una característica importante para el paso del secado a la cocción. Arcillas y caolines contribuyen de diferente manera en su desarrollo como se ve en la prueba de carga de ruptura y flexión (con piezas prensadas a 250 Kg/cm2 y secadas a 110 °C).

Arcillas (bolas de arcilla) 20-50 Kg/cm'.

Caolín 5-30 Kglcm2.

Generalmente, la resistencia en verde aumenta con la finura de las partículas y con el contenido de partículas coloidales (< 0.2 um).

Los valores de la resistencia en verde son usados a menudo como índices indirectos de plasticidad.

Reabsorción de la humedad.

La reabsorción de la humedad se da cuando la presión de vapor de agua del producto es menor que la del ambiente.

En estas condiciones, se produce un aumento del volumen, creándose diferentes tensiones entre el interior y el exterior de la pieza. Esto da lugar a una disminución de la resistencia mecánica ya la posibilidad de producirse un agrietamiento.

Se puede entender que no siempre la resistencia mecánica se puede recuperar con un proceso de secado posterior.

Secadores continuos industriales.

Un buen secado persigue los siguientes objetivos:

- La eliminación del agua de la manera más barata posible. - Tiempo de secado menor. - Evitar daños (físicos o geométricos) a la pieza. - Alcanzar un grado de sequedad tal que el agua residual no de problemas

en la cocción.

1.- Secaderos túneles.

Es el sistema más tradicional usado en el secado de piezas.

Está formado por un túnel de considerable longitud, con puertas en sus dos extremos. Dentro existe una vía por donde pasan los carros con el material a secar.

La carga de los carros se realiza con unidades que preparan un plano con las piezas a secar. Estos "planos" se van cargando, uno encima del otro, en los carros que serán introducidos en el secadero.


Los carros se mueven dentro del secadero, atravesando zonas que se encuentran a distinta temperatura y humedad, para así eliminar el agua contenida en la pieza.

El secadero está cerrado de manera que se obtenga un control perfecto de temperatura y humedad en las distintas áreas que lo componen.

En cada una de éstas, se encuentra un ventilador, un quemador y un sistema de aspiración de aire con regulación de la humedad.

Una computadora recibe las señales de los distintos "rnedidores", regulando así las necesidades en cada zona.

Los secadores túneles no son muy usados hoy en día ya que han sido sustituidos por los secadores rápidos (horizontales y verticales).

Los secadores túneles son más ventajosos que los rápidos cuando se secan

piezas de elevada humedad inicial (como por ejemplo porcelana sanitaria).

2.- Secaderos rápidos.

En el campo del secado continuo, los secadores rápidos están cogiendo cada vez más importancia.

Se pensaron principalmente para las necesidades de planta de monococción, pero hoy en día son usados en todo tipo de plantas (monococción, bicocción, etc.).

El tiempo que los materiales permanecen dentro del secadero es francamente corto, incluso puede llegar a ser inferior a una hora.

Esto es posible gracias a que las piezas no son apiladas unas sobre otras, sino que cada una va sola sobre el rodillo.

Esta forma de trabajar permite que la pieza reciba gran cantidad de aire caliente por ambas caras, manteniéndose completamente libre para todos los movimientos (compresión o expansión) que se dan en el proceso de secado.

En resumen diremos que los secadores rápidos han adoptado los principios de los secadores túneles y, que la mayor rapidez en el proceso, se debe exclusivamente a que tratamos las piezas individualmente en las mejores condiciones.

Hoy en día los secadero s rápido han desplazado casi totalmente a los secadero túnel.

Tenemos dos posibilidades:

- Secaderos rápidos verticales.

- Secaderos rápidos horizontales (con rodillos).


a) Secadores rápidos verticales.

La estructura del secadero consiste en una perfil metálico, que a parte de soportar los paneles que lo cierran, los cuales están revestidos internamente de material aislante para soportar temperaturas altas, sirve como anclaje de las distintas plataformas donde pondremos las piezas a secar.

El complejo está ideado en grupos desmontables, para facilitar su transporte e instalación en su lugar definitivo.

Las piezas que vienen del prensado son cargados en varios planos del secadero (1, 2 ó 3 líneas dependiendo de su tamaño).

La carga es realizada con una cinta transportadora, en la cual se forma el "paquete" que introduciremos en el piso disponible.

Cuando ya se han cargado, este piso se desplaza dejando su lugar a un nuevo piso.

La repetición de este desplazamiento determina el ciclo de avance y por lo tanto, el ciclo de secado.

La posición de parada de los distintos pisos del secadero en relación con la cinta transportadora se da con una célula fotoeléctrica.

El movimiento que lleva el balancín del secadero es un anillo vertical cerrado.

Empieza con un descenso, seguido de un ascenso por la cara opuesta, con un nuevo descenso al final en la cara donde se encuentra la cinta transportadora.

Todo este movimiento es en contracorriente respecto a la corriente de aire caliente.

Nota: en cualquier tipo de secadero continuo, lo normal es que las piezas y la corriente de aire circulen en contracorriente; de esta forma las piezas más húmedas (las que entran en el secadero) se encuentran con el aire menos seco y menos caliente, y las piezas que salen (que ya están casi secas) con el aire más seco y más caliente. Así obtendremos un secado paulatino y no brusco, el cual podría provocar la rotura o agrietamiento de las piezas.

Los rodillos de los distintos pisos del balancín son movidos por un grupo mecánico que contemporáneamente realiza la carga y la descarga. De esta forma los tiempos muertos son eliminados y además se mantiene la integridad de la pieza, ya que se evita cualquier contacto o golpe con la misma.

Las piezas descargadas son llevadas con unos rodillos divididos en dos secciones, cada una con un motor diferente; si las líneas de descarga son dos o tres, el movimiento es alternando las dos secciones, mientras que si la línea de descarga es única, ambas secciones funcionan a la vez.


Esta diferenciación permita disponer las piezas en las cintas transportadoras para llevarlas a la siguiente operación.

El calor necesario para el funcionamiento del equipo es suministrado por un generador a combustión, especialmente diseñado para un sistema de recirculación. Está formado esencialmente por un quemador automático, el cual varía su potencia para mantener constante la temperatura asignada.

La cabeza del quemador está dentro de la conducción principal, mientras que el ventilador que da el aire necesario para la combustión está fuera.

El ventilador es el mismo que realiza la aspiración del aire caliente húmedo, mandando una parte de éste a la chimenea y el resto, mezclado con aire ambiental "nuevo" , es usado otra vez, recirculándolo a través del generador. De esta forma, parte del calor usado para la eliminación de la humedad contenida en la pieza es recuperado.

Para modificar el campo de variación de la temperatura, la boca de aspiración del ventilador es colocada de forma que se pueda controlar la cantidad de aire ambiental que metemos.

El área de presecado usa aire caliente recirculado mientras que el área de secado usa aire que viene del generador de calor.

Tanto el aire de la zona de presecado como el de la zona de secado es distribuido por tubos verticales con boquillas regulables que se encargan de hacer circular el aire horizontalmente para hacer que todos los pisos pasen a través de él, alcanzando la misma humedad que el aire.

Para facilitar el paso del aire a través de los distintos pisos y favorecer el flujo horizontal, los tubos de absorción son situados en frente de las boquillas.

Las temperaturas del área de secado y presecado son obtenidas regulando la llave de paso de las boquillas del aire caliente y de recirculación.

b) Secadores rápidos con rodillos.

Hay versiones con uno o dos canales.

Los secadores horizontales con rodillos están compuestos por una estructura metálica en la cual van montados los paneles que componen el aislante.

Unos ventiladores y una regulación apropiada en las conducciones aseguran la curva de secado, la recirculación del aire y la succión del vapor.

El avance de las piezas está fijado por el movimiento rotatorio de un sistema de rodillos equidistantes, teniendo una sola forma de traslación.


El secadero de rodillos es capaz de producir material seco con un porcentaje de agua residual menor del 0.5 % (entrando con un 5.5-6 %).

Pueden ser cargadas y descargadas a la vez dos líneas de diferentes tamaños.

El control del movimiento se produce a través de grupos de comando. El dispositivo electrónico de control permite regular la temperatura independientemente en las distintas zonas del secadero, para adaptar la curva de secado a diferentes materiales.

La temperatura es determinada con termopares, accionando en el sistema de control, los quemaderos monobloques o de doble potencia.

Los secadores horizontales de 1 ó 2 vías están particularmente indicados para la producción de piezas de monoporosa.

Secadores discontinuos.

El más típico es el de cámaras.

El aire caliente es introducido por la parte baja de la cámara. Como su temperatura es mucho más elevada que la del ambiente, el aire tiende a subir, secando las piezas en su ascenso. Este secado implica que el aire que entraba caliente vaya enfriándose y saturándose de agua, por lo que tiende a caer (ya que su peso se incrementa notablemente).

Para evitar el estancamiento de este aire "frío" y "húmedo", en la parte baja de la cámara se sitúan unas aperturas de descarga, por donde es desalojado.

De esta forma se favorece la circulación del aire.

La ventaja que presenta este tipo de secadores es la posibilidad de regular de forma bastante precisa la temperatura y la humedad. y la desventaja es que el secado no es perfectamente uniforme, pues las piezas que se encuentran justo en la entrada del aire caliente sufren un secado mucho más estricto que las piezas que se encuentran al otro lado de la cámara, donde están situados los agujeros de desalojo del aire húmedo.

Para paliar este defecto se hace que el aire caliente tome distintas circulaciones dentro de la cámara para conseguir un secado más uniforme de todas las piezas.

Control.

* Contracción de secado.

Se mide la longitud de la pieza antes (Li) y después (Lf) del secado.

La contracción de secado (Cs) dada en porcentaje será:

e, =[(Li-Lf)/L¡] x l 00


* Humedad de la pieza seca.

Se toma una pieza a la salida del secadero y se pesa (Pj). Se deja en estufa unas 4 horas y se pesa de nuevo (P2).

La humedad (H) será:

H= (P1 – P2)/P2 x 100

* Control de grietas de secado.

Se toman varias piezas a la salida del secadero y con un pincel se "pintan" con gasóleo o con algún tinte especial. De esta forma la presencia de grietas se ve muy claramente.

* Velocidad de rehidratación.

Se toman varias piezas a la salida del secadero, se dejan en estufa un par de horas y se pesan (Pi).

Posteriormente se introducen en la cámara de secado con unas condiciones higrométricas determinadas (humedad relativa del 90 % y temperatura seca de 20°C).

A distintos tiempos se medirá el peso de las piezas (Pt) y así obtendremos la siguiente tabla:

Gracias a esta tabla construiremos la gráfica:

ΔH = f{t) que nos indicará como aumenta la humedad con el tiempo (velocidad de rehidratación).

* Velocidad de secado. Determinación de la pérdida de peso.

Se toman varias piezas ya prensadas. Se pesan (Pi) y se introducen en el secadero (a 120°C).

Cada cierto tiempo se sacan y se pesan (Pt), obteniéndose una tabla similar a la del apartado anterior


y así obtendremos H = f(t).

Como vemos se trabaja de forma análoga a la velocidad de rehidratación, aunque aquí tendremos una pérdida de peso.

COCCIÓN.

Introducción.

Durante esta operación la pieza cruda es transformada, por medio de calor, en un material resistente, con una nueva estructura de la cual depende las propiedades del producto final.

La formación de esta nueva estructura (a través de fenómenos de nuc1eaciones, sinterizaciones, vitrificaciones, etc.) depende principalmente de las características de la cocción (temperatura alcanzada, tiempo que está dentro del horno, etc.) y de las características de la pieza.

Si consideramos un producto gresificado de baja absorción, constituido por una arcilla caolinítica, las principales transformaciones que sufre durante la cocción son:

- Temperatura por debajo de 200°C. Eliminación del agua residual (tanto la zeolítica como la superficial).

- Temperatura entre 200 y 600°C. Combustión de la materia orgánica presente.

- Temperatura de 573°C. Paso del cuarzo α al cuarzo β con e! consabido aumento de volumen.

- Temperatura entre 500 y 600°C. Eliminación del agua de constitución de la caolinita y comienzo de la contracción.

- Temperatura de 950°C. Comienzo de la formación de la fase cristalina.

- Temperatura de 1100 °C. Inicio de la fusión del feldespato y de la mica.

- Temperatura superior a 1200 °C. Completa gresificación del producto, dando lugar a la máxima contracción.

Pero para un producto poroso, que contenga una arcilla illítica calcárea, aparte de estas transformaciones tendremos que tener en cuenta:

- Temperatura entre 800 y 900°C. Eliminación del agua de combustión de la illita, con la consiguiente contracción. También se produce el desprendimiento del CO2 de la descomposición de la dolomita y la calcita, alcanzándose una elevada porosidad.


- Así mismo, tiene lugar la recombinación de los óxidos de calcio y magnesio, dando silicatos y aluminosilicatos.

Diagrama de cocción.

Tomando los puntos críticos típicos de los distintos materiales se puede determinar el diagrama de cocción para obtener el producto deseado en el menor tiempo posible y con el gasto mínimo de combustible (energía).

La determinación de la curva teórica de cocción se realiza en base a los resultados obtenidos de distintas pruebas donde se muestran las modificaciones sufridas durante la cocción (son el análisis diferencial y la dilatometría, de los cuales hablaremos en el capítulo dedicado a la cocción).

Sin embargo, también se tiene que tener en cuenta otras cosas como son el espesor y las dimensiones de la pieza, uniformidad térmica de los humos del horno, etc.

De todas formas, el diagrama de cocción teórico no coincide nunca con el que se obtiene regulando el horno.

La curva real se obtiene tomando la temperatura en distintas zonas del horno gracias a termopares situados a lo largo del mismo. Pero se tiene que tener en cuenta que así medimos la temperatura de la atmósfera, no la del producto, el cual necesita de un cierto tiempo para cambiar su estado térmico.

Control.

* Absorción de agua.

Las piezas ya cocidas se pesan (Pi) y se sumerge en un baño termostatado de agua descalcificada que se encuentra en ebullición.

Después de dos horas se apaga la calefacción y se deja enfriar.

Cuando el agua se encuentra a temperatura ambiente, se saca la pieza, se seca superficialmente y se pesa (Pf).

La absorción de agua (A.a.) se obtiene:

A.a. = (Pf-Pi)/Pi x 100

* Contracción lineal.

Se trabaja de la misma forma que en el secado, pero aquí se mide la longitud después del secadero (L¡) y a la salida del horno (L),

Con esto, la contracción en la cocción (eL) será:

CL = (L¡ - Lf)/L¡ x 100


* Resistencia a la flexión.

El aparato a utilizar es el mismo que para la resistencia a la flexión en verde, y la forma de operar es análoga (ver controles en el prensado).

El único cambio reside, lógicamente, en que se trabaja con piezas ya cocidas.

De la operación de cocción se hablará más extensamente en un capítulo posterior.

Introduccion a La Ceramica Industrial Tomo 1

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