LECCION 4.- CERAMICAS / PREPARACION MATERIAS PRIMAS. 1. Introducción. Los productos cerámicos tradicionales (piezas de cerámica porosa), desde los ladrillos hasta los refractarios, se obtienen mediante procesos semejantes aunque cada uno con particularidades según los tipos. Las etapas de fabricación, de un modo general general se pueden esquematizar según puede verse en la figura 1.1.
Figura 1.1.- Diagrama del proceso cerámico. Los procesos más comunes de preparación de las pastas cerámicas, desde la trituración hasta la formación de pieza, son principalmente los siguientes: proceso en seco, proceso en plástico y proceso en barbotina. La preparación de las pastas cerámicas es la fase inicial del ciclo de producción de los diversos productos cerámicos. Esta fase se considera la más importante, ya que determina las caracteristicas básicas del producto y tiene implicaciones en todas las etapas de producción posteriores. Incluso antes de considerar la elección de la maquinaria y el equipo, es importante el estudiar la composición de la pasta .en función del producto a obtener y del proceso industrial a seguir. Las pastas cerámicas abarcan desde una simple arcilla solamente, hasta formulaciones complejas con diversos componentes. Además Además,, la maqui maquinar naria ia y el equipo a utilizar en la preparación de la pastas e determinan al elegir las materias primas. El diagrama de flujo de la figura 1.2 es una representación de los diferentes métodos de preparación de pastas cerámicas, para los diversos procesos proc esos de fabric fab ricaci ación. ón. 1
Figura 1.2.- Métodos de preparación de pastas cerámicas. En la figura 1.3 puede verse el diagrama de flujo de las distintas etapas del proceso de fabricación de los ladrillos cerámicos. Así mismo, mismo, en las figuras 1.4 y 1.5 se la disposición disposición esquemática de una planta de fabricación de ladrillo cara vista y de ladrillo hueco, respectivamente.
Figura 1.3.- Diagrama de flujo de las distintas etapas del proceso de f abricación.
2
Figura 1.4.- Disposición esquemática de una planta de fabricación de ladrill o cara vista.
Figura 1.5.- Disposición esquemática de una planta de fabricación de ladrillo hueco.
3
2.- Extracción y transporte . Las canteras de arcilla, llamadas también barreros (Figura 2.1), suelen estar en las inmediaciones de las fábricas, donde se transformarán en materiales para la construcción.
Figura 2.1.- Explotación de arcilla “Barrero”. Se utilizan medios mecánicos simples al ser la arcilla una roca disgregada, aunque si está húmeda dificulta su extracción. La explotación se realiza a cielo abierto con palas excavadoras de cuchara o de cangilones. El transporte depende de la proximidad de la fábrica, pudiendo hacerse por vagonetas o cintas transportadoras si está cerca y con camiones volquete o mejor Dumpers para ma yores distancias. En la explotación a cielo abierto es frecuente tener que desechar una capa de espesor más o menos grande, de material que no es apto para su utilización, éste material en gran parte está formado por; tierra vegetal, arenas, gravas, etc. 3.- Preparación de las pastas. 3.1.- Introducción. En la producción de materiales cerámicos, el secreto para obtener un buen producto final está en tener el máximo cuidado en la preparación de la pasta, incluyendo homogeneización de materias primas, dosificación, molienda y mezclado. El objeto de la trituración y molienda de materiales es reducir el tamaño de un sólido con vistas a: 1.- Aumentar la superficie específica, ya que la velocidad con que se verifican las reacciones sólido-sólido, así como la velocidad con que se desarrollan las operaciones de transferencia de materia (secado, etc.) es. proporcional a la superficie especifica del sólido y, por tanto, al reducir el tamaño se favorece el desarrollo de las mismas. 2.- Disminuir la trayectoria del soluto dentro del sólido en las operaciones de transferencia de materia sólidofluido (secado, etc.), consiguiendo de este modo que se verifiquen con mayor rapidez. 4
3.- Conseguir una mezcla más uniforme de varios materiales sólidos. 4.- Obtener un polvo impalpable para la aplicación correcta del material., por ejemplo fabricación de pigmentos, esmaltes, etc. Además, en nuestro caso concreto, el tamaño de partícula influye notablemente y de manera muy especial sobre: - La plasticidad y, por lo tanto, sobre la formación de la pieza cerámica. - El estado coloidal y, por lo tanto, sobre el proceso de colado. - Reacciones que tienen lugar durante la cocción (formación de fase vítrea, producción de nuevos compuestos, difusión, sinterización, etc.). - Eliminación de sustancias gaseosas durante el calentamiento (vapor de a gua, CO2, etc.). - Características del producto acabado (porosidad, resistencia a la compresión, capacidad de aislamiento térmico, etc.). Se debe tener en cuenta también, que el objeto de la trituración y molienda no es únicamente reducir el tamaño del sólido sino también el de obtener un conjunto de partículas con una determinada distribución granulométrica, ya que en muchos casos seré necesario obtener una granulometría comprendida entre limites muy estrechos. 3.2.- Preparación de las materias primas en estado plástico. 3.2.1.- Introducción. Una vez extraída la arcilla y transportada a fábrica, se mezcla con otras de distintas procedencias, o se les añaden desgrasantes, para que alcance las características necesarias para una fabricación determinada y experimentada. Antes de proceder al conformado debe de hacerse una depuración de la arcilla, y darle una homogeneidad a las mezclas, ya que es indispensable para la pasta que se va a producir, la no existencia de guijarros, nódulos de caliza, sales solubles, etc. que además de producir una perturbación en los tratamientos mecánicos, con posterioridad darán problemas de acabado que influirán definitivamente en la calidad del producto. La homogeneidad de la pasta es fundamental para obtener un buen producto, las distintas clases de arcilla o desgrasantes deben de mezclarse tan íntimamente como sea posible, y con la cantidad de agua precisa, puesto que ésta aumenta la facilidad de homogeneización. El conjunto de operaciones, con sus finalidades, en el que se realiza la mezcla de las materias primas y se dejan las pastas listas para su conformado son las siguientes: Depuración: Eliminación de elementos gruesos e impurezas nocivas, tanto de los nódulos de caliza y arenas, como de las sales solubles. División: Reducción de las arcillas a pequeños fragmentos y de los desgrasantes a polvo para que no causen problemas de heterogeneidad. Homogeneidad: Mezcla íntima de los componentes y perfecto amasado para conseguir una pasta uniforme. 5
Grado de humedad: Debe ser el adecuado para el moldeo dando la plasticidad necesaria pero no excesiva por la retracción a la que daría lugar. 3.2.2.- Preparación no mecánica. Antiguamente se realizaban las siguientes operaciones de preparación: 3.2.2.1.- Meteorización: Consiste este proceso, en exponer a la arcilla, una vez excavada, a la acción de los agentes atmosféricos (lluvia, hielo,…) para su lavado y disgregación. Requiere extensiones más o menos grandes en las proximidades de la s fábricas. Hay fábricas en las que el trabajo no es continuo, fabricando únicamente por temporadas, entonces éstas fabricas utilizan este método para la preparación de las arcillas, ya que la época de inactividad, la aprovechan para la exposición de las arcillas, que quedan a la intemperie, que con el agua de la lluvia y los agentes atmosféricos, producen un lavado y eliminación de sales solubles, así como con las heladas sufren una desintegración los terrones de arcilla. La arcilla suele disponerse para este proceso por capas, alternando las distintas clases de arcilla con los desgrasantes. Para que la acción de la intemperie sea eficaz, no conviene dar a los montones demasiada altura (Figura 3.2.2.1.1 ).
Figura 3.2.2.1.1.-Disposición de las materias primas en montones para su meteorización. En verano la acción del calor tiene por defecto un desmenuzamiento de la arcilla por razón de su sequedad, pero la acción del calor, por sí solo, no produce la acción depuradora que se produce en invierno. La meteorización mejora las cualidades de las arcillas y hace que estas se presten mejor al conformado posterior. 3.2.2.2.- Maduración. Cuando el producto que se va a obtener es un poco delicado, la pasta debe de ser mucho más cuidada, por lo que requiere una repartición de la humedad lo más uniforme posible, lo que se consigue con un reposo, cuya duración será determinada por la experiencia, y que tiene lugar a continuación de un desmenuzamiento previo efectuado muchas veces en cantera en un desmenuzador acoplado en las mismas excavadoras. Dicho tratamiento de reposo de las pastas de arcilla, de corta duración, es la maduración y se realiza en naves, al abrigo de la intemperie, impidiendo su desecación. Con ello se consigue el objetivo perseguido, que era homogeneizar la humedad en la pasta de arcilla. 3.2.2.3.- Podrido.
6
El podrido consiste en un reposo de las pastas de arcilla de larga duración en naves. Se realiza en locales húmedos y fríos, sin luz ni ventilación (No hay circulación de aire) y procurando que las arcillas tengan una humedad constante. Se han hecho numerosas hipótesis para explicar las mejores condiciones del material fabricado con arcillas de pudridero, una de ellas es la que supone que la acción bacteriana, al producir la fermentación de la arcilla, da origen a un gel que, actuando de conglomerante, ocasiona una mayor trabazón entre las partículas arcillosas. Con el podrido tratamos de aumentar la plasticidad de las pastas y reducir su tendencia al agrietamiento en el secado. Es un procedimiento muy utilizado antiguamente, pero que hoy en día, prácticamente, ha caído en desuso, como consecuencia de su alto costo. 3.2.2.4.- Levigación. También es un proceso costoso, se lleva a cabo cuando se trata de fabricar piezas especiales o cuando las arcillas requieren un determinado grado de depuración. Produce una pasta limpia y muy homogénea llamada barro colado. La levigación es un proceso de desleimiento de las arcillas en agua y posteriormente se deja reposar la papilla en balsas dispuestas en serie para que se produzca la sedimentación. No es conveniente que las paredes de las balsas sean muy compactas, pues las partículas de arcilla colmatarían pronto los poros y cesaría la filtración. Los componentes de las tierras de mayor densidad se depositan en el fondo de la primera balsa, en tanto que el agua con los demás componentes, pasa por un aliviadero a la balsa siguiente, repitiéndose sucesivamente, con lo que se van eliminando de las tierras elementos extraños al tiempo que los cuerpos flotantes se retiran a mano y las sales solubles pasan al subsuelo con el agua de filtración. Por este procedimiento se elimina la caliza cuando está en granos gruesos, pero no, si está pulverizada. Otro tanto ocurre con el yeso, pero en la última balsa, si se cree conveniente, puede añadirse a las tierras los correctivos químicos necesarios. En peso, el agua necesaria para llevar a cabo ésta operación es el triple del peso de la arcilla tratada. Este proceso es también conocido con el nombre de desagelación y se realiza para piezas especiales de arcilla depurada o cuando las arcillas requieren un determinado grado de depuración. Produce una pasta limpia y muy homogénea llamada barro colado. 3.2.3.- Preparación mecánica. 3.2.3.1.- Introducción. En grandes fábricas en las que la cantidad de arcillas que se manipulan es muy elevada, para llevar a cabo todos los procedimientos descritos anteriormente, es necesaria una gran extensión o amplias naves donde almacenar las tierras, lo que además de superficies considerables, lleva consigo la inmovilización de capitales. La preparación debe de ser barata, por exigirlo así el producto fabricado, es pues, necesario ahorrar espacio y tiempo, esto lo conseguimos utilizando maquinaria apropiada que produzca en las arcillas los efectos que los tratamientos citados anteriormente, con mucha mayor rapidez, y con unas exigencias espaciales menores. La materia prima tal como llega de cantera se hace pasar por un tren de preparación, que la tritura, homogeneiza y humedece hasta el grado deseado.
7
La depuración en cuanto a la caliza, no se lleva a cabo en el estricto sentido de la palabra, por medio de cribado se realiza, ya que los nódulos de caliza pueden ser finamente divididos y repartidos en toda la masa, lo que hace desaparecer el peligro. Todo éste proceso se lleva a cabo con maquinas de distintos tipos de acuerdo con la naturaleza de la materia prima y del fabricante. Hay que tener presente que no puede aumentarse indefinidamente el número de maquinas por las que ha de pasar la arcilla, porque se llegaría a obtener un resultado opuesto al que se desea. Así el molino de rulos, el desmenuzador o los laminadores deben de ser convenientemente elegidos y combinados de tal forma que se obtenga el máximo de mejoría de la materia prima, máximo que no se debe de sobrepasar, pues se obtendría un descenso de c alidades como quedó dicho anteriormente. Entonces, en la actualidad, las operaciones mecanizadas que sustituyen a las anteriores son: 3.2.3.2.- Tamizado Para eliminar los granos gruesos, no correspondientes a la fracción arcillosa, haciendo pasar el material por tamices o cribas rotativas. 3.2.3.3.- Lavado. Mediante corriente de agua aplicada en la criba de tamizar, eliminándose así las sales solubles. 3.2.3.4.-Molido. Fundamental para reducir a polvo las impurezas de arena y caliza y disgregar las arcillas. Se utilizan molinos de rulos (Figura 3.2.3.4.1) o de bolas. Un efecto múltiple de desmenuzado, aplastado, mezcla, humectación y amasado se logra por la acción de los dos pesados rulos sobre el material.
Figura 3.2.3.4.1.- Molino de rulos
3.2.3.5.- Mezclado y amasado. 8
Se trata de homogeneizar la pasta y darle el grado de humedad adecuado, dejándola lista para su conformado. Se realiza con mezcladoras-amasadoras de paletas helicoidales llamadas malaxadoras (Figura 3.2.3.5.1).
Figura 3.2.3.5.1.- Amasadora de doble eje. Las palas de amase, dispuestas de forma especial, efectúan un trabajo de "pala contra pala" muy intenso y eficaz. Las amasadoras filtro (Figura 3.2.3.5.2) se usan además para retener y separar las raíces y otras impurezas contenidas en algunas arcillas. El cambio de la reja filtrante se efectúa sin parar la producción.
Figura 3.2.3.5.2.- Amasadora filtro. 3.2.3.6.- Raspado y laminado. El raspado y laminado son operaciones que mejoran la homogeneidad de la pasta. En el primero se hace pasar la pasta por una boquilla ranurada formándose virutas y en el segundo por rodillos laminadores (Figura 3.2.3.6.1) que la desgarran formando láminas. Luego se vuelve a amasar la pasta.
Figura 3.2.3.6.1.- Laminador. 3.3.- Preparación de las materias primas en estado seco y barbotina. 9
Los procesos de fabricación son similares a los vistos en productos porosos, extrusión, prensado y colada, pero altamente mecanizados. La principal diferencia estriba en el vidriado para el que se someten las piezas a doble cocción. El proceso de fabricación de baldosas cerámicas se desarrolla en una serie de etapas sucesivas, que pueden resumirse del modo siguiente: 1.- Preparación de las materias primas. 3.- Cocción o cocciones, con o sin esmaltado
2.- Conformación y secado en crudo de la pieza 4.- Tratamientos adicionales 5.- Clasificación y embalaje
Dependiendo de que el producto a fabricar sea esmaltado o no, de que éste se fabrique por un procedimiento de monococción, bicocción o tercer fuego, en un determinado proceso se realizará o no el esmaltado, o se modificará la secuencia de las etapas de esmaltado y de cocción en la forma adecuada. (Figura 3.3.1).
Figura 3.3.1.- Procesos de fabricación de baldosas cerámicas. (a).- Preparación de materias primas - Molienda en húmedo - Atomización - Prensado - Secado - (Cocción) Esmaltado - Cocción (Variante sin esmaltado y con/sin pulido)(Variante con cogeneración) (b).- Preparación de materias primas - Molienda en seco - Prensado - (Cocción) - Esmaltado - Cocción. (c).- Preparación de materias primas - Amasado - Extrusión - (Esmaltado) - Cocción. Preparación de las materias primas. El proceso cerámico comienza con la selección de las materias primas que deben formar parte de la composición de la pasta, que son fundamentalmente arcillas, feldespatos, arenas, carbonatos y caolines. En la industria cerámica tradicional las materias primas se suelen utilizar, por lo general, tal y como se extraen de la mina o cantera, o después de someterlas a un mínimo tratamiento. Su procedencia natural exige, en la mayoría de los casos, una homogeneización previa que asegure la continuidad de sus características. En general, la preparación de pastas cerámicas para su uso en el proceso de obtención de baldosas cerámicas, consiste en el mezclado de materias primas en proporciones controladas mediante la dosificación por pesada, 10
la molienda en vía húmeda mediante molinos de bolas y el secado en los atomizadores hasta la obtención del polvo a una humedad conveniente para la operación de prensado.
Existen dos tipos de pasta , que tienen distinta preparación. - Pasta blanca : Se utiliza en vidriados transparentes ya que permiten mejor definición de la decoración. Son más permeables al agua y de menor resistencia mecánica. Se componen de cuarzo, feldespato, caliza, caolín y otras arcillas no férricas. Primero se muelen las materias duras y luego se diluyen en agua las blandas (caolín y arcillas), para posteriormente mezclas ambas, tenerlas en suspensión y tamizarlas para eliminar gruesos. Luego se proceden al atomizado o pulverización en gotas por corriente de aire caliente, formándose unas esferas que finalmente se prensan. - Pasta arcillosa : Se utiliza en piezas de vidriado opaco dando mayor resistencia mecánica. Se realiza con arcillas margosas muy ricas en Fe y CO3Ca. Se procede al desecado por debajo del 5 % de agua, luego se trituran en molinos junto con chamota (desechos de piezas cocidas) y finalmente se humidifican de nuevo antes del prensado. Molturación por vía seca o por vía húmeda (Figura 3.3.2). Una vez realizada la primera mezcla de los distintos componentes de la pasta cerámica, ésta se somete por lo general a un proceso de molturación, que puede ser vía seca (molinos de martillos o pendulares) o vía húmeda (molinos de bolas continuos o discontinuos). El material resultante de la molturación presenta unas características distintas si aquella se efectúa por vía seca o por vía húmeda. En el primer caso se produce una fragmentación, manteniéndose tanto los agregados como los aglomerados de partículas, siendo el tamaño de partículas resultante (existen partículas mayores de 300 micras) superior al obtenido por vía húmeda (todas las partículas son menores de 200 micras). Al elegir el tipo de molturación a emplear, un factor decisivo lo constitu ye el coste de la inversión a realizar en cada caso.
11
Figura 3.3.2.- Molino de bolas. Molturación por vía húmeda y secado de la composición por atomización. El procedimiento que se ha impuesto totalmente en la fabricación de pavimentos y revestimientos cerámicos por monococción, como consecuencia de las importantes mejoras técnicas que supone, es el de vía húmeda y posterior secado de la suspensión resultante por atomización. (Figura 3.3.3 )
Figura 3.3.3.-Proceso de fabricación con molturación por vía húmeda y secado de la composición por atomización. 12
En el procedimiento de vía húmeda, las materias primas pueden introducirse total o parcialmente en el molino de bolas, que es lo habitual, o desleírse directamente. A la suspensión resultante (barbotina) se le elimina una parte del agua que contiene hasta alcanzar el contenido en humedad necesario para cada proceso. El método más utilizado en la fabricación de pavimentos y revestimientos cerámicos es el secado por atomización. El proceso de atomización es un proceso de secado, por el cual una suspensión pulverizada en finas gotas, entra en contacto con aire caliente para producir un producto sólido de bajo contenido en agua. El contenido Kg.. de..agua en humedad presente en la suspensión (barbotina), suele oscilar entorno a 0.30-0.45 , este Kg.. de.. solido..sec o Kg.. de..agua contenido en agua tras el proceso de atomización se reduce a 0.05-0.07 . Kg.. de.. solido..sec o El proceso de secado por atomización se desarrolla según la secuencia del esquema de la figura 3.3.4, que comprende las siguientes etapas: 1.- Bombeo y pulverización de la suspensión. 2.- Generación y alimentación de los gases calientes. 3.- Secado por contacto gas caliente-gota suspensión. 4.- Separación del polvo atomizado de los gases. La homogeneidad del pulverizado y las altas velocidades de evaporación de humedad permiten una temperatura del producto menor que la del aire que sale de la cámara de secado. De este modo, el producto no se ve sometido a temperaturas altas y una vez separado del aire de secado no presenta degradación térmica. El principio básico que dice "evaporación produce enfriamiento" es muy adecuado a esta operación.
Figura 3.3.4.- Etapas del secado por atomización. En la figura 3.3.5 puede verse un equipo actual de atomización. Los atomizadores operan siguiendo la siguiente secuencia: la barbotina procedente de las balsas de almacenamiento de las plantas de molienda, con un contenido en sólidos entre el 60 y el 70 % y con una viscosidad adecuada (alrededor de 1000 cp.), es bombeada por medio de bombas de pistón al sistema de pulverización de la barbotina. La barbotina finamente nebulizada y dividida, se seca poniéndola en contacto con una corriente de gases calientes. Estos gases provienen de un quemador convencionalaire-gas natural o son los gases de escape de una turbina de cogeneración. El granulado, con una humedad entre el 5.5 y el 7%, es descargado en una cinta transportadora y llevado a los silos para su posterior prensado.La corriente de gases utilizada para secar la barbotina y obtener el polvo atomizado eseliminada por la parte superior del atomizador conteniendo un elevado grado de humedad y partículas de polvo muy finas en suspensión.
13
Figura 3.3.5.- Esquema del proceso de secado por atomización. El electroventilador de presurización presiona el aire…2 ...a través del quemador que lo calienta … 3 ...a lo largo de una tubería de acero aislada térmicamente…4 ...en el distribuidor anular que lo pone en rotación … 5 ...dentro de la torre de secado. Aquí encuentra la barbotina que… A ...las bombas han enviado a presión constante, B ...a través de los filtros,... C ...en una serie de boquillas con orificio calibrado. Las boquillas ubicadas en el anillo distribuidor o en lanzas radiales, pulverizan la mezcla de agua y tierra. 6 El producto secado de esta forma cae en el fondo de la torre donde se descarga en una cinta que lo transporta a los silos de almacenado. 7 Los ciclones separadores capturan el aire húmedo y abaten gran parte del polvo fino en suspensión. 8 El ventilador principal … 9 ...introduce el aire húmedo en el abatidor que acaba el tratamiento de de pulverización. 10 El aire limpio se expulsa hacia el exterior a través de la chimenea. Todo el ciclo está controlado mediante un equipo electrónico. 1
En la figura 3.3.6 puede verse un atomizador y el sistema de distribución de la barbotina en él.
Figura 3.3.6.- Atomizador 14
Para la pulverización se utilizan atomizadores giratorios (discos) y boquillas. Atomizadores rotatorios (Figura 3.3.7). El material a atomizar se introduce por el centro sobre un sistema giratorio. El caudal de la suspensión se desplaza por la fuerza centrifuga hacia la periferia, donde la suspensión se desintegra en forma de gotas. Un amplio rango de características del atomizado se obtiene mediante la variación del caudal de alimentación, velocidad del sistema y diseño del mismo.
Figura 3.3.7.- Atomizadores rotatorios
15
La velocidad periferica, v P , depende del diámetro y de la velocidad de rotación del disco y vale:
v P (m / s ) =
DN
π
60000
donde: D = Diámetro del disco (mm) N = Velocidad de rotación del disco (rpm) El tamaño de las particulas atomizadas aumenta cuando disminuye la velocidad periferica, v P ,es decir cuando lo hace el diámetro del disco y/o la velocidad de rotación del disco . Los sistemas de atomización de volante con aspas pueden operar para producir atomizados de granulometrias finas y medias. Los discos se utilizan cuando se requieren distribuciones granulométricas gruesas. Los diseños de discos incluyen platos, tazas y recipientes cóncavos invertidos. Boquillas de presión (Figura 3.3.8). En este sistema de pulverización la alimentación llega a la boquilla a presión, la suspensión gira dentro de la boquilla por acción de la presión y sale por el orificio de la boquilla. La energía de presión se convierte en cinética y la barbotina o papilla sale del orificio de la boquilla como una película a alta velocidad que se desintegra en gotas. La variación de la presión aplicada a la barbotina permite el control del caudal de la misma y de las características del atomizado. El tamaño medio del atomizado es proporcional al caudal de alimentación y a la viscosidad de la barbotina e inversamente proporcional a la presión. Los atomizados producidos por sistemas de boquillas, cuando se utilizan caudales grandes de suspensión son menos homogéneos y más gruesos que los atomizados producidos por atomizadores giratorios con aspas. Cuando los caudales de barbotina son bajos, los atomizados conseguidos por los dos procedimientos son comparables. Si se duplican las boquillas el atomizado se consigue más fino, aunque las boquillas se utilizan cuando interesa los polvos atomizados gruesos, de tamaño medio entre 120 y 250 micras. Una expresión propuesta para el diámetro medio de los gránulos es la siguiente:
Donde: ds = Diámetro medio de la partícula (micras) σ = Tensión superficial de la barbotina (dinasn/cm) P = Presión en la boquilla (p.s.i.) = Viscosidad (poises) PL = liquid density gm/cc Q = volumetric feed rate / unit of time K n = Constante de la boquilla, que depende del angulo de pulverización do = Diámetro del orificio (Pulgadas)
16
La capacidad de producción de una boquilla de presión varía con la raiz cuadrada de la presión.
Capacidad
=
C
=
k P
Una sola boquilla no puede manejar altas velocidades de alimentación, por lo que para aumentar la capacidad de producción deben usarse sistemas multiboquillas o corona, donde las boquillas pulverizadoras están montadas en un anillo de acero inoxidable. El movimiento automático permite una extracción rápida de la corona para el mantenimiento, cosa muy útil cuando hay cambios frecuentes de producción. Las boquillas también pueden estar montadas en una serie de lanzas colocadas radialmente. Su diferencia, respecto a otras instalaciones, es que las lanzas no estan vinculadas a la puerta de cierre así pueden girar en su eje y sobresalir más o menos dentro de la torre. De esta forma se puede regular la orientación de las boquillas según el tipo de barbotina a atomizar. Se pueden extraer las lanzas sin interrumpir la actividad del atomizador, cosa muy útil cuando hay producciones continuas muy largas.
(a)
(b)
Figura 3.3.8.- Boquillas de presión (a).- Corona (b).- Lanza El contacto aire-atomizado se determina por la posición del atomizador en relación a la entrada del aire de secado (Figura 3.3.9).La elección de uno de estos sistemas esté en función del tamaño medio de partícula de atomizado y de la posible degradación térmica del producto. En la figura 3.3.10 describen las distribuciones de temperatura del aire en cocorriente, contracorriente y mezcla.
17
Figura 3.3.9.- Contacto aire - atomizado
Figura 3.3.10.- Distribución de temperatura en diversos tipos de atomizadores: (a) y (b) Cocorriente (c) Contracorriente (d) Mezcla En la tabla 3.3.1 se detalla la elección del atomizador más adecuado de acuerdo con las características requeridas del polvo atomizado y de la temperatura que puede llegar a alcanzar el mismo.
18
Tabla 3.3.1.- Elección del sistema de atomización.
Efecto de las variables de operación sobre las caracteristi cas del producto. Para conseguir las características deseadas del polvo atomizado es necesario estudiar las cuatro etapas del proceso, ya que: - la técnica de pulverización utilizada y las propiedades de la alimentqción tienen un efecto marcado en la distribución del tamaño de partícula, densidad, aspecto y contenido en humedad. - El contacto aire-atomizado y la evaporación resultante en la operación de secado afecta a la densidad, aspecto, contenido en humedad y fragilidad de los gránulos. A continuación se describe la influencia de las variables de operación sobre las características del producto seco. (i).- Energía disponible para la atomización. El aumento del consumo energético a caudal de alimentación constante produce tamaños de gránulo menores. Asimismo, el aumento de la velocidad en atomizadores rotatorios, de la presión de la boquilla o de la relación aire-barbotina disminuyen el tamaño medio de las gotas de atomizado. (ii).- Propiedades de la alimentación. El aumento de la viscosidad del alimentación realizado al aumentar el contenido en sólidos o al disminuir la temperatura produce partículas más gruesas trabajando en condiciones de operación constantes. El aumento de contenido en sólidos de la barbotina afecta a las características de evaporación y generalmente produce un aumento de tamaño y de densidad. (iii).- Caudal de la alimentación. Al aumentar el caudal de barbotina, operando en las mis mas condiciones, se producen distribuciones granulométricas más gruesas. (iv).- Diseño del sistema de atomización. En el caso de atomizadores rotatorios, la variación del diseño de los canales por los que circula la barbotina en el sistema giratorio determina la cantidad de barbotina que estará presente en la periferia del siste ma y 19
por lo tanto variará las caracteristicas de los gránulos de atomizado. La variación del diseño de los canales puede ser en número, altura, anchura y longitud. Asimismo, en atomizadores de boquillas, el duplicar las mismas manteniendo la presión produce gránulos más finos, debido a que se reduce el caudal de suspensión que llega a cada boquilla. (v).- Caudal de aire. El caudal de aire controla el tiempo de residencia del producto en la cámara de secado. Si se aumenta el tiempo de residencia la eliminación de humedad de los gránulos se acentúa. (vi).- Temperaturas de secado. Temperatura de entrada. El aumento en la temperatura de entrada aumenta la capacidad de evaporación del atomizador, a velocidad de aire constante. Temperaturas de entrada más altas aumentan el rendimiento térmico de la operación de secado. En algunos casos al aumentar la temperatura se produce una reducción de la densidad, como consecuencia del aumento de la velocidad de evaporación, y los productos son más porosos o más fragmentados. Temperatura de salida. Para un contenido en humedad fija do y con un diseño de atomizador, la temperatura de salida debe mantenerse en un intervalo estrecho con objeto de conservar el empaquetamiento de los gránulos y las características de fluidez Un aumento de la temperatura de salida disminuye el contenido de humedad para un caudal de aire y de combustible constantes. La implantación del proceso de secado por atomización para la obtención de la materia prima del soporte (polvo atomizado), conlleva unas importantes ventajas que favorecen el desarrollo de las posteriores etapas del proceso de fabricación. Una de las ventajas más importantes es la obtención de gránulos más o menos esféricos, huecos en su interior y muy uniformes, lo que confiere al polvo atomizado una elevada fluidez, facilitando las operaciones de llenado de los moldes de las prensas y prensado de piezas de gran formato. Otras ventajas a destacar son la consecución de dos operaciones, secado y granulación, a la vez y con el mismo equipo. Por otra parte el control de las variables del proceso presentan una gran simplicidad aunque, debe tenerse en cuenta, la elevada rigidez en las condiciones límites de operación, que vienen impuestas por las características geométricas y constructivas de la instalación. Además cabe destacar el carácter continuo del proceso, por lo que puede ser automatizado. En cuanto al coste energético de este proceso de secado es muy elevado pero se consigue aumentar la rentabilidad del mismo, por el aprovechamiento del calor de los gases y generación de electricidad mediante la implantación de turbinas de cogeneración. En la figura 3.3.11 puede verse un esquema completo de la preparación de la pasta cerámica por molturación por vía húmeda y secado de la composición por atomización.
20
Figura 4.11.2.6.- Esquema completo de la preparación de la pasta cerámica por molturación por vía húmeda y secado de la composición por atomización. LEYENDA: 1.- Silos materias primas 3.- Silos materias primas dosificadas 5.- Depósito defloculante sólido 7.- Dosificador defloculante sólido 9.- Molino 11.- Tanque recogido y agitación barbotina 13.- Agitadores y tanque de depósito barbotina 15.- Contador agua 17.- Bomba barbotina
2.- Cinta materias primas dosificadas 4.- Cinta extractora-pesadora 6.- Cóclea extractora 8.- Alimentación molino 10.- Colector de descarga barbotina 12.- Batería de tamices 14.- Depósito agua 16.- Bomba agua
21
