OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS CERAMICOS

INDUSTRIALES

3ª ParteLA FABRICACIÓN DE LOS MATERIALES

CERÁMICOS• Secado• Cocción

Profesor: Xavier Elías

ORGANIZAN:• Universidad Pontificia Bolivariana

• Centro Nacional Producción Mas Limpia• Fundación Universitaria Iberoamericana

Medellín, Marzo de 2001

MECANISMO DE SECADOEl secado es un fenómeno de superficie: el agua de humedad debe migrar a la superficie para su evaporación.

La figura superior muestra la circulación del agua desde el interior del retículo arcilloso hacia la superficie donde se forma una capa límite que entra en contacto con la corriente de aire.

También se observa, en una idealizada visión microscópica, la presencia de moléculas bipolares de agua en los bordes de los granos de arcilla, de ahí que se precise cierta energía en esta segunda etapa de secado.

A medida que avanza el secado, las partículas se van aproximando y la contracción aumenta.

POROSIDAD Y CONTRACCIÓN

A medida que se va eliminando el agua van apareciendo poros vacíos. La suma del volumen de poros más el volumen de arcilla seca equivale a la dimensión final de la pieza.

La figura de la izquierda representa la evolución del binomio volumen-porosidad.

Pero el ceramista no suele mirar el volumen, sino la contracción lineal que a efectos prácticos es lo mismo. La figura de la derecha representa la pérdida de agua en función de la contracción.

Esta pérdida de agua no es lineal, pudiendose distinguir tres etapas: eliminación de agua en poros (1ª ETAPA DE SECADO), eliminación de agua residual y eliminación de agua adsorbida (2ª ETAPA DE SECADO).

LA CURVA DE BIGOT

La curva de Bigot representa la evolución de la contracción de secado en función de la pérdida de humedad (figura superior).

El punto de inflexión, llamado punto crítico, no está perfectamente definido en muchas arcillas. Este extremo se pone de manifiesto en las curvas de Bigot correspondientes a arcillas naturales y otras con aditivos (figura inferior).

Obviamente, a mayor contracción más plástica es la arcilla y mayor es el riesgo de que se produzcan tensiones que originen fisuras de secado.

EL SECADO CRÍTICOUna vez determinada la curva de Bigot, el cruce entre las prolongaciones de los tramos correspondientes a la primera y segunda etapa de secado corresponde a la llamada humedad crítica Fk. Este punto depende únicamente de la pasta y debe determinarse en cada caso.

Si se tiene la posibilidad de ajustar, en el curso de la primera etapa de secado, la humedad del producto de manera tal que el punto de inflexión se sitúe en las proximidades de la humedad Fk, se reducirán considerablemente los riesgos de grietas. De ahí la importancia del moldeo con la mínima cantidad de agua posible.

LA VELOCIDAD DE SECADO

La curva de la figura reproduce la velocidad de evaporación de agua para una arcilla de interés cerámico en condiciones normales de secado.

La velocidad de secado se expresa como la masa de agua evaporada por unidad de superficie en la unidad de tiempo (Kg/m2*h).

Como indica la figura, al inicio del secado (punto A) la velocidad se eleva al máximo hasta llegar al punto B. A partir de este punto la velocidad se mantiene constante hasta llegar al punto C, desde el cual y hasta el final del secado (punto E) la velocidad es decreciente.

Hay que tener en cuenta que cada arcilla presentará un comportamiento al secado diferente, de ahí la necesidad de conocer la mineralogía de la materia prima.

FACTORES ENDÓGENOS. Naturaleza de la materia prima.

Las arcillas son tanto más difíciles de secar cuanto más plásticas son. Así, como muestra la figura, los silicatos con triple capa, como la montmorillonita o de doble, como las illitas serán más difíciles de secar que la caolinita, que es un silicato de una sola capa. La explicación estriba en el hecho de que el agua queda adsorbida en los espacios interestratificados y cuantos más existan, más difícil seráextraerla.

ADICIÓN DE DESGRASANTESLa adición de desgrasantes a una arcilla aumenta lacoductibilidad capilar y las velocidades de secado que pueden esperarse son más elevadas. La figura muestra el aumento de velocidad de secado que se obtiene en un caolín a medida que se aumenta la cantidad de desgrasante (arena en este caso), la referencia 1 corresponde a la mezcla con mayor cantidad de desgrasante. Además, la contracción en secado disminuye.

LA SENSIBILIDAD AL SECADO

La sensibilidad al secado se define como el riesgo a la aparición de fisuras durante el secado.

La tabla inferior expone la sensibilidad en secado de diversas arcillas, mientras que la inferior distingue entre los límites de susceptibilidad.

ARCILLA Sensibilidad Tb

Bentonita-Ca 5,07Montmorillonita-illita (limo) 3,50

Limo arcilloso 2,41Arcilla illitica 0,88Limo arenoso 0,84

Esquisto bituminoso 0,84Arcilla de opalina (sílice amorfo) 0,71

Arcilla illitica-sericítica 0,67Arcilla calcárea 0,53

Arcilla esquistosa 0,45Arcilla sericítica 0,36

Caolín 0,25Fireclay 0,25

Limo arenoso 0,13Arcilla muy arenosa 0,06

Sensibilidad Tb Grado de susceptibilidad> 2,00 Altísima susceptibilidad

2,0 a 1,4 Susceptibilidad muy alta1,4 a 0,9 Susceptibilidad alta0,9 a 0,5 Susceptible0,5 a 0,2 Poco susceptible

< 0,2 Nada susceptible

MICROFISURAS EN EL SECADOMuchos defectos que se ponen de manifiesto a la salida del secadero tienen su origen en anteriores etapas del proceso productivo que no tienen nada que ver con el secado. Así, una homogeneización incorrecta de la pasta origina contracciones locales diferentes (más contracción donde había más humedad) que se traducen en fisuras. Ello estárepresentado en la figura y es bastante frecuente en los procesos de fabricación manuales.

INTERACCIÓN SECADO-TENSIONES

SUPERFICIALESPara examinar microscópicamente el secado de una pieza hay que tener en cuenta el espesor de la pieza y su granulometría.

La figura muestra el gradiente de humedad existente entre el centro y la superficie. Independientemente del grado la pieza de humedad, los gradientes de humedad siempre son más importantes cuando el sistema de moldeo es en frío.

La figura de la derecha representa la sección transversal de la pieza, cuanto mayor es el gradiente de humedad, mayores resultan las diferencias de contracción entre dos puntos. Ello engendra tensiones que, si superan las fuerzas de cohesión, pueden provocar las fisuras esquematizadas en la figura.

NATURALEZA DEL POLVO

ATOMIZADOEl fenómeno de la evaporación es directamente proporcional a la superficie de intercambio.

Si bien el tiempo medio de residencia de las gotas ("tiempo de secado") es muy corto, entre 4 y 6 segundos, el enérgico intercambio térmico en la interfase del liquido con los gases que se hallan a más de 500 ºC, provoca la vaporización instantánea del agua.

El vapor de agua generado ejerce una presión en el interior de la esfera de pasta, provocando un aumento de volumen hasta que se abre un pequeño orificio que facilita la evacuación del vapor. La formación de estas esferas huecas da lugar a productos más ligeros.

La figura esquematiza un atomizador y la forma de un grano atomizado.

FACTORES EXÓGENOS

A medida que aumenta la velocidad del aire disminuye el espesor de la capa límite, la resistencia se reduce y la velocidad de secado aumenta. Como indica la figura de la derecha,durante la primera etapa de secado la velocidad de secado crece con la velocidad del aire.

La velocidad de evaporación dependerá de la capa límite y ésta de la velocidad del aire.

De hecho en los secaderos industriales la velocidad del aire se revela como el factor más determinante del rendimiento del secado.

La foto corresponde al ventilador móvil dentro una cámara de secado.

LA VELOCIDAD DEL AIRE Y LA CAPA LIMITE

Para condiciones de trabajo estándar la velocidad de secado en la primera etapa de secado es máxima, ya que toda el agua se halla en la superficie y el proceso se ciñe en la evaporación. La velocidad de evaporación dependerá de la capa límite y ésta de la velocidad del aire. La figura 6. 25 reproduce el diagrama esquemático de la película de humedad en la superficie del material a punto de ser evaporada y la capa límite de aire en contacto con ella. Se observa también las partículas de aire en contacto.

LA HUMEDAD RELATIVA DEL AIREEl tipo de distribución de humedad relativa del aire muy elevado, prácticamente aire saturado, que entra en contacto con las piezas húmedas, es lo normal en los secaderos continuos que funcionan a contracorriente. Es este caso debe vigilarse que el aire saturado este realmente en la chimenea de evacuación y no metros antes de llegar a ella, puesto que la zona de trabajo sometida a aire saturado es completamente inútil para el secado, mas bien al revés, puede humedecer las piezas y llegar a deformarlas

LA TEMPERATURA DEL AIRE

El calor preciso para la evaporación del agua es proporcionado por el aire pero, si bien el incremento de la temperatura del aire hace aumentar la velocidad de secado, su efecto no es tan importante como el de la velocidad del aire. Durante la primera etapa, como muestra la figura, el incremento de la velocidad con la temperatura es discreto.

LA COLOCACIÓN DE LA PIEZALa figura muestra una instalación para secar panela (baldosa) doble (“spli-tile”). Las baldosas extruidas son apiladas en una vagoneta que, mas tarde entrará en el horno. El hecho de usar un solo medio de transporte (secado y cocción) para mover el material ahorra en la inversión, si bien obliga a un mayor dispendio en la fase de operación ya que el aire debe fluir por el interior de los agujeros o, al menos por las caras lisas de las baldosas.

LOS CANALES DE CIRCULACIÓN DE AIRE

La masa de aire de aire que circula por los canales 1 y 2 no tiene utilidad alguna, salvo el caso de la recirculación. Si se aumenta el caudal de aire las distribuciones de caudales se incrementaran de manera proporcional y poco se resolveráel problema. La solución pasa por un diseño diferente de la cámara de secado

FACTORES EXÓGENOS

La distribución de velocidadesLa combinación de factores como la perdida de carga, la temperatura, etc. configuran una distribución de velocidades que responde a los vectores representados en la figura izquierda. Así las mayores velocidades se dan en los espacios vacíos. En las paredes laterales de las piezas, las velocidades son más bajas en la base y mayores en lo alto.

La figura de la derecha representa la sección transversal de un secadero de cámaras. A la salida del ventilador impulsor, si el recorrido es largo (A) las capas de aire llegan a uniformizarse. En la esquina "B", al no existir deflectores se origina una turbulencia. En la zona "D" se forman remolinos con inversión del movimiento. En la zona "E" el movimiento puede considerarse estabilizado. Claro que ello es un análisis de la situación con el secadero vacío, cuando éste se halla a plena carga la situación es mucho más compleja.

FACTORES EXÓGENOS

La presión internaLa presión total es la suma de la estática y la dinámica. La primera, Pe, es la fuerza que ejerce el fluido contenido en un recinto por unidad de superficie. La presión dinámica Pd(kg/m2) es una medida de la velocidad de la corriente y se mide por medio de la velocidad "v"(m/s) de acuerdo con la expresión:

γ · v2

Pd = ----------2 · g

donde "g" (m/s2) es el valor de la aceleración de la gravedad y "γ" el peso especifico (kg/m3).

La experiencia demuestra que la presión interna debería ser la estrictamente necesaria para vencer las pérdidas de carga del circuito y poseer un excedente ligeramente positivo.

LA COLOCACIÓN DEL MATERIAL A

SECAROperación llamada encañe en la terminología cerámica.

Resultaría interminable citar casos de secaderos con presuntas dificultades de funcionamiento donde el verdadero problema es el encañe de los materiales. La forma de colocación de las piezas en el interior del secadero configura la geometría y, en consecuencia, la pérdida de carga y la circulación de aire por su interior.

La figura izquierda simboliza el proceso de secado de un ladrillo cuyas perforaciones han estado diseñadas para ser sometidas a un secado rápido, sin que le afecten demasiado los sistemas de soporte.

La figura derecha muestra el proceso de secado de un ladrillo hueco apoyado por su base y sentido de la corriente paralela a los agujeros.

EL TEST DE SECADOCuando no se dispone de baraletógrafo para obtener la curva de Bigot, se puede llevar a cabo un simple test para el que tan sólo hace falta una balanza.

Se parte de una barra de pasta amasada, o extraída de la propia pasta extruida, de 14 cm. de longitud por 2 cm. de diámetro, se introduce en una funda metálica, o de plástico, y se introduce en un secadero a 50 ºC durante 3 horas.

Se extrae la probeta y se corta en 5 partes de la misma longitud calculándose la humedad residual de cada parte.

Los datos obtenidos se transcriben a una gráfica como la aparece en la figura inferior.

Arcilla de difícil secado: tiene un gradiente de humedad muy importante

Arcilla de muy fácil de secar

DEFECTOS DE SECADOLa figura muestra el proceso de secado de un ladrillo hueco apoyado por su base y sentido de la corriente paralela a los agujeros. La evaporación en el interior de los agujeros serácorrecta solamente si la separación entre ladrillos es pequeña. Si la separación entre ladrillos es grande, el aire sólo circula entre ladrillos (y no por el interior de los tabiques) y la rápida evaporación del agua en la pared lateral generará la grieta indicada.

READSORCION DE LA HUMEDADEl fenómeno de la readsorción de agua depende de los siguientes factores:

• • De la naturaleza del mineral de arcilla presente.

�• De la temperatura y grado de humedad de la pieza seca.

�• Del tiempo de permanencia fuera del secadero.

�• Del estado higrométrico del aire en contacto con el material.

Los valores típicos de la readsorción varían entre el 0,5% y el 3%. En resumen, las consecuencias más notorias de este fenómeno son:

• Problemas en la etapa de chimenea/precalentamiento en cocción, sobretodo si se trata de ciclos de quema rápida. Además, también contribuye a defectos de desconchado, exfoliaciones en cocción e incremento de corazón negro.

• Disminución de la resistencia mecánica del material seco. Ello acarrea roturas y descantonamientos durante la manipulación mecánica en las operaciones de carga en el horno. (El gráfico de la figura 6.45 muestra la disminución de la resistencia mecánica que experimenta una pasta desgrasada con arena).

• Gasto inútil de energía. La última etapa del secado es la que precisa mayor aportación de energía. Si las condiciones ambientales hacen prever la readsorción, no vale la pena llevar el secado hasta un valor superior al de equilibrio.

SECADERO INTERMITENTELa materia se introduce húmeda en el secadero y cuando esta seca, ha concluido el ciclo de secado, se retira del interior del secadero y se introduce una carga nueva.

Se trata de una cámara de secado clásica en la que se han introducido mejoras importantes que permiten la adopción de una curva de secado especial.

El aire fresco, y caliente, entra por la parte superior y es introducido en el secadero por el ventilador de recirculación. El aire saturado es evacuado por la parte superior.

De hecho estos tipos de secadero permiten controlar y regular los parámetros más significativos del secado, como:

- Humedad del aire en el interior del secadero.- Presión interna.- Caudal del aire recirculante.

CONFIGURACIONES DE SECADORES INTERMITENTES

SECADERO SEMICONTINUOEl material se coloca en estanterías de manera que sea fácil la circulación de aire. Las estanterías avanzan por el interior del secadero de forma discontinua.

Por el interior del secadero circulan unos grandes ventiladores de recirculación del aire. Se trata de ventiladores helicoidales de bajo consumo pero también de baja presión. Esto implica que la pérdida de carga del interior del secadero debe ser muy baja ya que, de lo contrario el aire no circula por donde debe. De ahí que las estanterías presenten grandes espacios vacíos.

En cuanto al funcionamiento del aire en estos secaderos es similar a lo que acontece en los secaderos continuos.

Una de las ventajas de este tipo de secaderos es que permite el secado de un gran número de piezas de geometría diversa.

SECADOR MIXTO

SECADERO CONTINUO

El secadero túnelEl secadero continuo túnel esta concebido para secar grandes cantidades de cerámica estructural.

El principio de funcionamiento estriba en el establecimiento de unos parámetros fijos de secado: temperatura, velocidad y humedad del aire, mientras el material, situado sobre vagonetas, avanza por el interior a contracorriente de la masa de aire.

En la figura adjunta, la entrada de aire caliente se realiza por la parte de salida del material (ventiladores 7).

En el interior el aire es recirculado por los ventiladores (8 y 17) tomando siempre el aire de la parte inferior e impulsándolo por la superior.

El aire saturado es extraído a la entrada del secadero (ventilador 16).

La figura inferior muestra una curva típica de secado de un secadero túnel.

SECADOR RAPIDO DE RODILLOSLa figura muestra la foto de un secadero rápido horizontal de rodillos para baldosas cerámicas, de la firma Welko, de tres niveles. Está compuesto por varios módulos concebidos como cámaras de secado independientes en las que pueden establecerse condiciones de secado propias y diferentes a las fijadas en los módulos anexos. Dado que cada unidad mantiene su propia autonomía de regulación, resulta fácil obtener la curva global de secado más adecuada. En él, el material se desplaza sobre rodillos metálicos accionados a través de engranajes helicoidales en baño de aceite.

SECADOR VERTICALOtro tipo de secadero continuo es el secadero rápido para pavimentos y revestimientos. Estos secaderos consisten en bandejas de acero perforado sobre las que descansa el material. Las piezas encañadas de este modo permiten una mejor ventilación por ambas caras.

La figura muestra el esquema del principio de funcionamiento. La zona 1 representa la aspiración del aire caliente, mientras que la 2 es la recirculación. La zona 3 representa la aspiración de aire ambiente de estabilización de la temperatura. Las letras A, B y C corresponden, respectivamente, a las descargas de estos flujos de gases.

SECADO RÁPIDO DE PRODUCTOS

ESTRUCTURALESLa figura muestra el transfer de un secadero de tejas de rodillos a un horno de rodillos.

La tendencia moderna apunta hacia la tecnología de secado y cocción en ciclos rápidos. Para ello es preciso partir de una pasta que admita un ciclo de secado rápido. Además del tipo de pasta influirá la geometría de la pieza a secar.

Por regla general, si una pasta admite una cocción rápida, también admite un secado rápido y al revés. Sin embargo es más crítico el secado que la cocción, de ahí que el secadero (parte derecha de la figura) tenga cinco niveles, o estratos de rodillos para el secado, y el horno sea de dos niveles.

SECADOR DE LECHO FLUIDIZADOEl aire caliente entre por la parte inferior y se calienta al pasar por el intercambiador de calor (tubos de vapor o aceite térmico). A la vez el gas ascendente mantiene en suspensión al fango que cae desde la parte superior. El secado de la parte superficial es instantáneo, mientras que la partícula tiene un tiempo de permanencia del orden de media hora en el interior del lecho fluidizado.

El material seco es extraído por la parte central/inferior del lecho, mientras que el aire junto con el polvo y el vapor son evacuados por la parte superior. El sistema permite un circuito cerrado de gases. Para ello se debe intercalar un ciclón para extraer los finos y un condensador para eliminar la humedad.

EL AIRE HUMEDO

CONSUMO ESPECIFICO EN EL SECADO

La figura muestra la incidencia de las diversas partidas del balance térmico del ejemplo anterior. Las cifras están expresadas sobre porcentajes con respecto al calor total.

0 10 20 30 40 50 60 70

Calor al acero

Calor a la cerámica

Calor al agua

Calor de vaporización

Calor aire a la salida

Pérdidas

%

LA COCCIÓN

EL PROCESO DE DENSIFICACIÓNLa cocción cerámica es un proceso de densificación. El calor que llega a la pasta sirve para desencadenar todo un conjunto de reacciones, entre las que cabe distinguir:

- Reacciones químicas.- Eliminación de porosidad.- Transformaciones cristalinas polimórficas. - Producción de microgrietas.- Creación de porosidad.

El proceso de cocción se inicia con reacciones en estado sólido: rotura de enlaces químicos, descomposición de minerales y formación de puentes de unión.

Más tarde se inicia la generación de líquido, ya que una parte de los componentes funden.

Todo ello conduce, como muestra la figura, a unadensificación de la masa. A su vez el cuerpo adquiere una rigidez que le confiere las propiedades cerámicas características.

LAS CURVAS DE TEMPERATURA

Curvas dinámicas de temperaturaTodos los hornos disponen de termopares instalados en las paredes o bien en la bóveda que indican la temperatura correspondiente en los puntos donde están ubicados. La representación de dichas temperaturas se denomina curva estática de temperatura.

Sin embargo la temperatura real a la que esta sometido el material no es la que indica el termopar de la bóveda sino que corresponde a un valor sensiblemente inferior.

Para determinar esta temperatura se debe introducir un, o más, termopares en la propia vagoneta (entre el propio material a cocer) e ir registrando las temperaturas. Esta gráfica se la denomina curva dinámica de temperatura.

Por tanto uno de los primeros cometidos a los que se enfrenta el ceramista es intentar modificar el perfil de las curvas de temperatura para minimizar el efecto nefasto de la mala distribución de la temperatura.

CURVA ESTÁTICA DE TEMPERATURALa figura representa un horno túnel con la correspondiente curva de cocción (curva estática) dibujada en la parte superior.

En la zona de precalentamiento, o de baja temperatura, es preciso mejorar la tasa de transferencia de calor. Para ello es posible inyectar, por la parte superior del horno, aire a gran velocidad y colocar quemadores de alta velocidad en la parte inferior del horno. El chorro de aire rompe esta distribución.

En la zona de gran fuego, o simplemente, zona de cocción, deben usarse otros tipos de quemadores que potencien la transferencia de calor por radiación.

VENTILADORES DE RECIRCULACIÓN EN EL PRECALENTAMIENTO

En los hornos túneles de gran producción y notable altura la diferencia de temperaturas es muy acusada y en la zona de precalentamiento deben usarse artilugios para reducir la diferencia de temperaturas de la parte alta a la inferior. Un sistema muy efectivo es la colocación de ventiladores que aspiran el aire de la parte baja del canal, aire frío, y lo inyectan por la parte superior. La idea de principio se halla esquematizada en la figura

TRANSFERENCIA DE CALOR Y

TIPOS DE QUEMADORESEn la zona de precalentamiento la transferencia de calor se lleva a cabo, esencialmente por convección y la tasa de transferencia es baja. Para aumentarla se debe recurrir a los sistemas que aumenten la velocidad de derrame.

El quemador de alta velocidad se caracteriza por inyectar un gran volumen de gases a baja temperatura y a gran velocidad. Esta puede ser del orden de 150 m/s. De este modo se potencia la transferencia de calor por convección.

En contrapartida, la parte inferior de la figura muestra un típico quemador para trabajar en la zona de cocción. La deflexión del chorro en este tipo de quemador se debe a la gran diferencia de temperatura entre la propia llama y su inmediato entorno.

Quemador convencional

Quemador de alta velocidad

LA CALIDAD DE LA TRANSFERENCIA

DE CALOREn los hornos convencionales es difícil conseguir que el calor llegue de forma simultánea y homogénea a todas las partes de la carga.

Si la carga es muy compacta, en la primera etapa de calentamiento, el precalentamiento, sólo se calientan las partes expuestas a la radiación mientras que las otras partes permanecen frías. Ello puede provocar roturas. Para minimizar el problema se ralentiza el precalentamiento con lo que el ciclo de cocción se alarga.

La figura inferior muestra diversas posibilidades de mejorar la transferencia de calor por medio del flujo de gases generados por quemadores de alta velocidad.

LA PROPAGACIÓN DEL CALOR EN LOS MEDIOS DENSOS

Determinadas piezas, por problemas de estabilidad mecánica, deben encañarse en forma de paquete compacto, como el ejemplo de las tejas de la figura. Esto supone un freno total a la radiación térmica y, como consecuencia, una deficiencia en la transferencia de calor. En este caso el calor se transmitirá por conducción hacia el interior del paquete.

LA TRANSMISIÓN DE CALOR POR EL

INTERIOR DE LA MASA CERÁMICADesde la periferia de la pieza el calor se transmite al interiorpor conducción, con una efectividad que viene gobernada por la expresión:

α:difusibilidad térmica (conductividad) λ

λ:coeficiente de conduct. térmica α = ----------

ρ :densidad ρ × C

C:calor específico.

La figura superior muestra la distribución de temperaturas en un ladrillo calentado por su parte superior.

La figura inferior corresponde a la diferencia de temperatura que se registra entre el núcleo y la periferia para probetas confeccionadas con diferentes materias primas.

IMPORTANCIA DEL COEFICIENTE DE DILATACIÓN TÉRMICA

Para conocer el coeficiente de dilatación y la variación del coeficiente de dilatación con la temperatura se confecciona una probeta y se introduce en un dilatómetro que proporciona curvas como la que reproduce la figura .

La figura muestra las variaciones del coeficiente dedilatación de las diversas variedades de la sílice con la temperatura. Es interesante observar que la menor de todas ellas corresponde al vidrio de sílice. Por este motivo seutiliza para aplicaciones en las deba soportar fuertes cambios térmicos.

LA CURVA DE COCCIÓNLa gráfica ABCD (con el dibujo en posición vertical) corresponde a la curva dilatométrica, es decir la dilatación que experimenta el material con la temperatura.

Si una vez establecida la curva dilatometrica se traza un eje de simetría por el punto de máxima dilatación y se abate la primera parte de la curva se obtiene (en posición horizontal) la curva A'BCD: curva teórica de cocción que permite saber en cuanto tiempo se puede incrementar la temperatura.

La conclusión es inmediata: durante las zonas de mayor dilatación (o contracción) la velocidad de calentamiento (o enfriamiento) debe ser menor.

De hecho la curva teórica de cocción obtenida (A'BCD), que tiene las temperaturas en el eje de ordenadas y la función tiempo (o longitud) en el eje de las abscisas, es, en realidad, una pauta para ser introducida en el horno real.

EL COMPORTAMIENTO EN COCCIÓNEn la etapa de calentamiento de la pieza, la periferia estámás caliente que el interior, así pues se engendra ungradiente de temperatura que provoca una deformación como la indicada en la figura. Ello supone que las fibras exteriores tienen mayor temperatura y dilatan más por lo que quedan sometidas a compresión esfuerzo mecánicoque suelen soportar bien las piezas cerámicas.

Durante el enfriamiento, el fenómeno es el contrario. Ahora la temperatura mayor se halla en el núcleo y las fibras exteriores quedan sometidas a tracción, esfuerzo mecánico que la cerámica resiste con mucha dificultad. De ahí el hecho de que sean más frecuentes las roturas en el enfriamiento que durante el calentamiento.

FACTORES QUE INFLUYEN EN EL

CHOQUE TÉRMICOEl gradiente térmico máximo admisible (∆t), para que no se produzca rotura por choque térmico, depende de una serie de factores entre los que cabe destacar:

•FACTORES DIRECTOS: Los cuales cuanto mayores sean mayor ∆t soportará:

σ : resistencia mecánica. λ : coeficiente de conductividad térmica.

•FACTORES INDIRECTOS: Los más obvios son que el espesor rm sea muy reducido, así como la tasa de transferencia de calor h (Kcal/m2hºC), el resto es:

E: módulo de elasticidad.α : coeficiente de dilatación. .

IMPORTANCIA DE LA POROSIDAD.

RELACIÓN CON LA DENSIDADLos materiales adsorbentes, los materiales activos, los soportes para catalizadores, los filtros, etc. deben disponer de una porosidad bien concreta. Es por ello que el estudio y evolución de la porosidad es tan importante.

En toda cocción cerámica por diversos motivos se crea porosidad.

• POROSIDAD ABIERTA (APARENTE): poros que tienen comunicación con el exterior. Son los responsables de los problemas de heladicidad y de las características de aislamiento acústico.

• POROSIDAD CERRADA: Es la responsable de las propiedades del comportamiento térmico.

La relación entre la porosidad total (Pt) y la densidad puede establecerse, en tanto por uno, por la expresión:

da : densidad aparente dadr : densidad real Pt = 1 - ------

dr

CONDUCTIVIDAD Y POROSIDADEl sistema de transmisión del calor por el interior de unmedio sólido es, por antonomasia, la conducción. Sinembargo la naturaleza intrínseca de la microestructura cerámica obliga a enfocar este problema bajo un prismamás amplio.

Así, en la práctica cerámica, no puede hablarse de un sistema puro de transmisión de calor. La materia no es continua sino que presenta grietas, poros y discontinuidadesque suponen que el calor se transmita, simultáneamentepor los tres sistemas básicos: conducción, convección yradiación. La conducción (λ') es la forma de transmisión del calor en los medios continuos y su valor varía poco, como muestra la gráfica de la figura, con la temperatura.

EL BINOMIO TIEMPO-TEMPERATURA

EN LA COCCIÓNLas diferencias de temperatura en los hornos suponen que una parte del material se halla sometido más tiempo a una determinada temperatura que otro. Esto se traduce en que la mineralogía formada es diferente y las características físico-químicas también.

La figura izquierda muestra las curvas dinámicas de temperatura y simboliza la diferencia de calibres que se aprecia entre el material cocido en la parte superior (más pequeño) y el inferior (mayor).

El mismo fenómeno acontece en una pieza cuando ésta tiene un cierto tamaño y está sometida a un régimen de calentamiento con claras deficiencias de isotermia.

La figura inferior constata la afirmación anterior y muestra la contracción de una arcilla limosa cocida a la misma temperatura: 1.120 ºC, pero con tiempos de permanencia a alta temperatura (palier) diferentes.

LA CURVA DE PRESIONES

EN UN HORNOUn horno funciona como un sistema hidráulico en el que existen dos parámetros que condicionan el régimen de presiones internas:

• La evolución constante de las temperaturas ocasiona unas velocidades de derrame variables .

• En el decurso de la cocción la mineralogía, y en consecuencia la dimensión de la pieza, es cambiante y por tanto se altera la pérdida de carga.

La figura reproduce la curva de presiones estáticas a lo largo del horno continuo.

La presión, tanto positiva como negativa, no es conveniente que sea muy acusada. Como norma general se puede concluir que la curva óptima de presiones debería ser prácticamente plana (excepto en el caso de un horno intermitente).

Ventilador de tiro

Entrada

Cocción

Enfriamiento

Ventilador de recuperación Ventilador entrada

aire frío

Al secador

Quemadores

Precalentamiento

Presión

Succión

Controlador de presión

Controlador de oxígeno

Curva de presión

FLUJO DE GASES POR EL INTERIOR

DEL HORNOLa diferencia de presiones estáticas a lo largo del horno provoca la circulación de gases.

El flujo de gases será más o menos importante según sea la pérdida de carga originada por el material a cocer. La figura superior muestra la vista longitudinal de un horno túnel con los puntos generadores de flujos de gases.

La parte inferior reproduce la curva de presiones de un horno túnel con indicación del caudal de gases en cada zona y el ratio (R) que relaciona la masa de aire horaria con la masa de producto cocido.

CONCEPTO DE INERCIA TÉRMICALa inercia térmica es una medida de la acumulación de calor. Este concepto delimita la frontera entre cocciones en régimen continuo o intermitente.

Tiene especial relevancia en estructuras, como las soleras de las vagonetas de los hornos túneles, que se hallan sometidas a regímenes intermitentes de larga duración.

La foto muestra un horno intermitente con un espesor de paredes mínimo, lo cual supone una acumulación de calor, o inercia térmica, muy baja.

La tendencia actual apunta hacia la fabricación de hornos intermitentes dotados de una inercia térmica mínima.

LA ATMOSFERA EN EL INTERIOR DEL HORNO

Con sistemas distintos de encañe (plano, de canto, cara contra cara, etc.) se pueden lograr efectos distintos encuanto a la coloración del producto. Debe, no obstante,prestarse mucha atención a los encañes y a las dimensiones de los pasos de fuego: una obturación de paso podría provocar flameados muy intensos en zonas determinadas, en especial con reducciones intermitentes (lo que se llama flashing). En la cocción reductora continua, con velocidades de gases uniformes en toda la sección delhorno, se producen materiales con gran uniformidad de tono cromático.

Si bien los fundamentos los dos procesos son parecidos,sus condiciones de operación son diferentes. La cocciónreductora se realiza usualmente en hornos continuos, de manera uniforme con el tiempo, y se obtienen productos decoloración muy uniforme, sin flameados. En cambio, en elflashing, la carencia de aire se produce de maneraintermitente (y casi siempre más intensa que en la cocciónreductora).

COCCIÓN CONTINUA O INTERMITENTE

LA COCCIÓN EN PROCESO

CONTINUODesde la óptica de un proceso físico-químico el horno continuo se comporta como un doble intercambiador de calor: !ª ETAPA: cede calor (parte superior de la figura) y en la 2ª ETAPA: fase de enfriamiento, el aire recupera parte del calor sensible de los materiales.

Por esto la figura inferior simboliza la cocción cerámica en proceso continuo, y más exactamente en un horno túnel, como una aportación de calor por parte del combustible QTque se invierte en:

Q1: Calor de calentamiento del material y superestructura.Q2: Calor de calentamiento de la infraestructura.QR: Calor de reacción.QP: Pérdidas de calor a través de las paredes.Qh: Calor sensible de los humos (chimenea).

BALANCE TÉRMICO DE UN

HORNO CONTINUOLa figura reproduce el esquema y el balance térmico de un horno túnel de bizcochar.

En el balance de un horno no se indica el calor de calentamiento del material, superestructura e infraestructura (Q1 y Q2) sino los parámetros directamente mesurables como el calor recuperado en la zona de enfriamiento QS y el calor sensible a la salida QSA. Sin tener en cuenta las ligeras pérdidas de calor a través de las paredes en esta zona, debe cumplirse que:

Q1 + Q2 = QS + QSA

Además debe añadirse las inevitables pérdidas de calor a través de las paredes (Qp) y las pérdidas por calor sensible de los gases de combustión por la chimenea (QH).

35 %

20 %

6 %

33 %

6 %

0

5

10

15

20

25

30

35

QH QP QSA QS QR

HORNO DE CAMPANA

LA COCCIÓN INTERMITENTELas partidas del balance térmico son:

QR: Calor de reacción o aquel que precisan los materiales cerámicos para llevar a cabo las reacciones irreversibles que componen la cocción.

AQ: La acumulación de calor es la partida más importante ytanto más cuanto más se prolonga en tiempo de cocción. En la figura, el ciclo se refiere al tiempo de calentamiento(no incluye el enfriamiento), que es el concepto que importa de cara al consumo energético.

QP: Las pérdidas de calor a través de las paredes seincrementan a medida que se alarga el tiempo decalentamiento. Cuando se alcanza el régimen estacionariode transmisión del calor, las pérdidas de calor son máximas. A partir de aquí, son constantes.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Acumulacionde calor

Calor dereacción

Pérdidasparedes

Ciclo 2 hoasCiclo 22 horas

HORNOS INTERMITENTES

GRANDES HORNOSINTERMITENTES

VELOCIDAD DE COCCIÓNLa velocidad de cocción, o duración del ciclo, es uno de los parámetros que más drásticamente ha evolucionado en los últimos años. Ello ha supuesto una revolución tanto para el diseño de los hornos como para los sistemas de encañe e, incluso, la propia pasta.

La gran densidad de encañe que presentan los hornos convencionales provoca que los ciclos de cocción sean lentos.

Los constructores de hornos han evolucionado desde el horno convencional hasta la concepción de un hornomonostrato de vagonetas. Cuando la pasta permite una cocción más rápida y es posible un mayor nivel de automatismo la próxima etapa consiste en el horno de rodillos, ya que su consumo específico es menor.

La tendencia en la cerámica estructural es la misma. Técnicamente el problema estriba en diseñar una geometría de la pieza adecuada y en obtener una pasta que acepte ciclos muy cortos sin merma en la calidad.

INCIDENCIA DEL REVESTIMIENTO DEL HORNO

La clase o calidad del revestimiento, en particular la caracaliente del horno, es determinante para el consumo de losprocesos intermitentes.

La figura representa una composición de una pared de un horno convencional en comparación con otra realizada con fibras.

380

74

Q = 612 Kcal/m2 ·hA.Q. = 54.139 Kcal/m2e = 380 mm

72 Q = 576 Kcal/m2 ·hA.Q. = 17.399 Kcal/m2e = 240 mm

1200

Refractario ligero

Aislante (Diatomeas)

Aislante (Silicato cálcico)

Panel fibra cerámica

Panel lana de roca

240

1200

HORNOS DE COCCIÓN RÁPIDA

PARA LADRILLERÍAEl estado actual de la técnica permite la cocción de ladrillos en tiempos de 2 horas en hornos de rodillos ya que en ellos la calidad de la transferencia de calor es muy buena. Sin embargo para que el resultado sea satisfactorio deben concurrir otras circunstancias como:

- Diseño de la pieza: hay que conseguir unos espesores de pared lo más delgados posibles.

- Diseño de la pasta

- Fabricación y moldeo

La foto muestra la entrada de un horno de rodillos para la cocción de cerámica estructural.

Parece ser que ésta es la tecnología que se impondrá ya que permite ahorros energéticos importantes, facilidad de operación y mecanización y, sobretodo, calidad.

EL HORNO DE RODILLOS

EL HORNO DE RODILLOSEl horno de rodillos se comenzó a utilizar para la cocción de pavimentos y revestimientos a principios de la década de los 70's siguiendo el modelo de los hornos empleados para el tratamiento térmico del acero.

La facilidad de manejo, posibilidades de automatización y ahorros energéticos en su explotación incrementó su desarrollo. Pero, por encima de todo ha sido la mejora de la calidad lo que ha impuesto su uso de manera exclusiva. La figura superior muestra una vista de su funcionamiento.

Los esquemas inferiores corresponden a diversas secciones de un horno de rodillos.

Zona de entrada

Zona de precalentamiento

Zona de enfriamiento

LA GEOMETRIA DEL HORNO

HORNOS TÚNELES

LA COCCIÓN RÁPIDA

DETALLES