SACMI

Tecnología cerámica aplicada

Volumen II

Obra editada con la colaborración de:

fundación Caja Castellón

SACMI Tecnología cerámica aplicada / SACMI; Asociación Española de Técnicos Cerámicos ; traducción del italiano por Arnold van Gelder. – Castellón de la Plana: Faenza Editrice Ibérica, 2004. 2 v.: il. ; 24 cm. Bibliografía ISBN 84-87683-27-4 (o.c.). – ISBN 84-87683-28-2 (v.1). – ISBN 84-87683-29-0 (v.2). 1. Cerámica industrial 2. Materiales cerámicos. I. Asociación Española de Técnicos Cerámicos. II. van Gelder, Arnold trad. III. Faenza Editrice Ibérica, ed. 666.3

Copyright© 2001 Versión original italiana: SACMI IMOLA s.c.a.r.l. Copyright© 2004 de la presente edición: SACMI IBERICA, S.A. Gran Vía, 263 - 12006 Castellón - España Tel.: +34 964 344 700 - www.sacmiiberica.com ATC - Asociación Española de Técnicos Cerámicos Campus de Borriol, Edif. B-1º - 12004 Castellón - España Tel.: +34 964 200 063 - www.atece.org Traducción al español: Arnold Van Gelden Maquetación: AS&Adesign S.L. Pol. Ind. Ronda Sur Nave 39 12006 Castellón - España www.asadesign.com ISBN: 84-87683-29-0 Depósito legal: CS - 260 - 2004 (Tomo II) Edita: Faenza Editrice Ibérica, S.L. Pol. Ind. Ronda Sur Nave 34 12006 Castellón - España Tel.: +34 964 253 762 www.faenza.es Imprime: Litográfica Faenza S.R.L. Vía Ricci Curbastro, 6. 48018 Faenza RA - Italia Tel. +39 0546 620 592 - Fax +39 0546 620 638 info@litograficafaenza.com www.litograficafaenza.com

ÍNDICE

Introducción ..............................................................................................................................13 Evolución de las tecnologías productivas en el sector de las baldosas cerámicas ......13 Evolución ingenieril para la fabricación de baldosas cerámicas ......................................16 La molienda ................................................................................................................................17 El prensado .................................................................................................................................19 El gres porcelánico y las innovaciones de línea .................................................................22 La cocción ....................................................................................................................................22 Capítulo I- Molienda .............................................................................................................29 Definición y objetivo de la molienda de los materiales sólidos .......................................29 Propiedades de los sólidos .......................................................................................................29 Acciones desarrolladas en la molienda, selección de las máquinas .................................30 Molienda por vía seca y por vía húmeda ..............................................................................32 Maquinaria utilizada habitualmente en las instalaciones de molienda ........................33 Teoría de la molienda en húmedo ..........................................................................................36 Teoría de la molienda discontinua en húmedo por medio de los molinos Alsing ......38 Nota nº 1 ......................................................................................................................................45 Nota nº 2 .....................................................................................................................................45 Cálculo práctico de carga de los molinos discontinuos en húmedo ................................51 Cálculo de la carga de un molino discontinuo (ejemplo) ..................................................52 Molienda continúa en húmedo ...............................................................................................53 Las instalaciones de la molienda continua en húmedo .....................................................53 La tecnología de la molienda continua ..................................................................................55 Descripción y dimensionado de los molinos continuos .....................................................56 Descripción del molino ............................................................................................................57 Dimensionado del molino ........................................................................................................60 Productividad del molino ........................................................................................................60 Parámetros y controles de producción en la sección de la molienda continua y discontinua ..................................................................................................................................63 Definiciones y unidades de medida .......................................................................................64 Anexo: El molino continuo en húmedo y la industria del gres porcelánico ................66 Parámetros tecnológicos y gestionales ...............................................................................67 Capítulo II - Secado por pulverización de las barbotinas cerámicas ....................71 Clasificación de los atomizadores ..........................................................................................72 Descripción general del atomizador con toberas ...............................................................74

Esquema de funcionamiento ...................................................................................................74 Ciclo de atomización .................................................................................................................75 Descripción de los principales dispositivos del atomizador ............................................77 Unidad depuradora de polvo ....................................................................................................86 Dinámica de la formación del “gránulo secado” ................................................................87 Características del polvo atomizado .....................................................................................92 Morfología del grano y granulometría del polvo ..............................................................92 Dimensiones ...............................................................................................................................92 Aptitud a la fluencia del polvo ................................................................................................93 Variaciones de las características físicas del polvo atomizado ........................................96 Relaciones que regulan las condiciones de trabajo de los atomizadores .....................96 Consumo energético ..................................................................................................................98 Esquematización del balance térmico de un atomizador .................................................98 Parámetros fundamentales y ejemplos para evaluar el consumo energético y la capacidad productiva de un atomizador .................................................................... 100 Cálculo del consumo térmico ............................................................................................... 100 Método práctico para calcular la capacidad de evaporación de un atomizador ....... 101 Cálculo del dimensionado y producción del atomizador ............................................... 101 Ahorro energético ................................................................................................................... 103 Recuperación de energía ....................................................................................................... 105 Capítulo III - Prensado ...................................................................................................... 107 Introducción ............................................................................................................................ 107 Sistemas de prensado ............................................................................................................. 107 Prensado en estado semiseco ................................................................................................ 108 Diferentes tipos de prensas .................................................................................................. 108 Prensa de rodillera ................................................................................................................. 108 Prensa de fricción ................................................................................................................... 108 Prensa hidráulica .................................................................................................................... 110 Requisitos de una prensa moderna ..................................................................................... 110 Diferentes tipologías de prensa ........................................................................................... 111 Dispositivos de la máquina ................................................................................................... 114 Estructura de la máquina ..................................................................................................... 115 Diferentes tipos de moldes utilizados para la conformación de las piezas ................. 116 Fases de prensado ................................................................................................................... 119 Principales elementos que constituyen el molde ............................................................. 120 Diferentes tipos de punzón.................................................................................................... 121 Características del polvo cerámico apropiados para el prensado ................................. 121 Variables de la fase de prensado .......................................................................................... 122 Definición de los términos ................................................................................................... 122 Características físicas de las partículas ............................................................................. 123 Fluidez del polvo .................................................................................................................... 126 Granulometría del polvo ........................................................................................................ 127

Densidad aparente, densidad vibrada, índice de Hausner en función de las variaciones de los parámetros del polvo ................................................................ 128 Aspectos tecnológicos relacionados con el prensado del polvo cerámico ................. 132 Relación entre la densidad aparente del material prensado y valores de la carga de rotura en crudo (aspectos prácticos) ...................................... 140 Efecto de la presión de conformación sobre la cocción del polvo cerámico (aspectos prácticos) .................................................................................... 140 Desarrollos futuros del prensado ....................................................................................... 142 Anexo: Características físico-mecánicas en crudo de las baldosas obtenidas con semielaborados de naturaleza diferente (atomizado-granulado-molturado en seco) ...................................................................... 146 Distribución granulométrica del polvo preparado con los diferentes sistemas ....... 146 Compactación y uniformidad de prensado ....................................................................... 148 Resistencia mecánica en verde y en seco ........................................................................... 150 Porosidad y resistencia mecánica de los productos cocidos ......................................... 150 Capítulo IV - Secado ........................................................................................................... 153 Secaderos convencionales de cerámica, con aire caliente .............................................. 154 Valoraciones de tipo tecnológico ........................................................................................ 155 Glosario .................................................................................................................................... 159 Maquinaria .............................................................................................................................. 162 Secaderos rápidos verticales ................................................................................................ 162 Secaderos horizontales .......................................................................................................... 166 Condiciones de evaporación ................................................................................................. 170 Rayos infrarrojos .................................................................................................................... 171 Microondas .............................................................................................................................. 172 Aspectos tecnológicos ........................................................................................................... 172 Relación entre el ciclo de secado y el espesor/dimensión de las piezas .................... 173 Consideraciones generales ................................................................................................... 173 Capítulo V - Técnicas de aplicación de los esmaltes y la decoración ............... 177 Preparación de los esmaltes ................................................................................................. 177 Preparación de las pastas serigráficas ............................................................................... 184 La sección de esmaltado ........................................................................................................ 184 Aplicación de los esmaltes y líneas de esmaltado ............................................................ 186 Equipos principales que componen las líneas de esmaltado .......................................... 190 Equipos especiales .................................................................................................................. 192 La línea de esmaltado ............................................................................................................ 192 Decoración serigráfica .......................................................................................................... 193 La regleta ................................................................................................................................. 194 Serigrafía plana ....................................................................................................................... 194 Máquinas serigráficas rotativas ........................................................................................... 194 Decoración con rodillo .......................................................................................................... 197

Tejidos serigráficos ................................................................................................................ 198 El marco (bastidor) ................................................................................................................. 200 La emulsión ............................................................................................................................... 201 El fotograbado ........................................................................................................................ 202 Las tintas serigráficas ........................................................................................................... 203 Mezclado de la pasta .............................................................................................................. 203 Refinado ..................................................................................................................................... 204 Los vehículos serigráficos ..................................................................................................... 204 Principales técnicas de decoración serigráfica.................................................................. 205 Decoración sobrecubierta .................................................................................................... 205 Decoración bajocubierta ....................................................................................................... 206 Difuminados ............................................................................................................................. 206 Colores lisos ............................................................................................................................. 206 Superposiciones de color ...................................................................................................... 207 Capítulo VI - Cocción ......................................................................................................... 209 Consideraciones generales ................................................................................................... 209 Las transformaciones que se desarrollan en la cocción ................................................. 209 El ciclo de cocción .................................................................................................................. 215 Varios tipos de cocción .......................................................................................................... 217 Los combustibles .................................................................................................................... 219 Hornos de cocción de la cerámica ....................................................................................... 222 Los intercambios térmicos .................................................................................................... 222 Propagación de calor por convección ................................................................................ 222 La realización del horno ....................................................................................................... 223 Instalación de combustión .................................................................................................... 227 Controles ................................................................................................................................... 234 Rodillos ..................................................................................................................................... 238 Rodillos metálicos .................................................................................................................. 238 Rodillos cerámicos .................................................................................................................. 239 Materias primas y formulaciones ....................................................................................... 240 Consideraciones sobre las causas más comunes de la rotura de rodillos .................. 241 Capítulo VII - Líneas de clasificación, empaquetado y paletización ................. 247 Introducción ............................................................................................................................ 247 Análisis y clasificación de las baldosas .............................................................................. 247 La inspección automática de las baldosas ......................................................................... 256 Introducción ............................................................................................................................. 256 Características y funcionamiento de un sistema de visión para baldosas ................. 258 Instalación de un sistema automático de clasificación ................................................... 264 Defectos detectables por un sistema automático de clasificación ................................ 265 Prestaciones y ventajas de un sistema automático de clasificación ............................ 266 Otros usos de un sistema automático de clasificación ................................................... 267

Zona de repartición y apilado ............................................................................................... 268 Empaquetado ........................................................................................................................... 271 Zona de impresión y etiquetado ........................................................................................... 274 Zona de paletización .............................................................................................................. 274 Dimensionado de una sección de clasificación y paletización ...................................... 279 Los sistemas informáticos de control y gestión de la producción................................ 280 Configuraciones para el gres porcelánico ......................................................................... 281 Capítulo VIII - Rectificación ............................................................................................ 283 Introducción ............................................................................................................................ 283 Últimas técnicas y tendencias de las baldosas rectificadas ............................................ 283 Líneas y máquinas para la calibración-pulido-cuadratura del gres porcelánico ...... 284 Fases de elaboración .............................................................................................................. 284 Líneas de cuadratura del revestimiento cerámico esmaltado ....................................... 290 Líneas de pulido-satinado-semirrectificado de cerámica esmaltada y no esmaltada y de tercer fuego ......................................................................................... 291 Anexo ........................................................................................................................................ 291 Depuración y reutilización de las aguas ............................................................................. 292 Problemas y perspectivas de recuperación y aprovechamiento de los fangos de rectificación del gres porcelánico ............................................................... 292 Los fangos de rectificación ................................................................................................... 292 Problemas asociados al uso .................................................................................................. 294 Anexo 1 - El impacto ambiental de la industria cerámica .................................... 297 Los contaminantes en las materias primas del soporte ................................................. 300 Los contaminantes en los esmaltes ..................................................................................... 300 Los contaminantes en las emisiones gaseosas .................................................................. 301 Contaminación atmosférica .................................................................................................. 302 Prevención y depuración ...................................................................................................... 304 Filtración con tela .................................................................................................................. 304 Depuración de los humos ..................................................................................................... 305 Eliminación de las sustancias orgánicas ........................................................................... 306 Contaminación hídrica .......................................................................................................... 307 Depuración ................................................................................................................................ 311 Gres porcelánico ..................................................................................................................... 313 Bajas y residuos sólidos.......................................................................................................... 313 Anexo 2 - Controles de producción ................................................................................ 317 Controles sobre las materias primas o sobre las pastas.................................................. 317 Controles a realizar en la sección de preparación de la pasta ...................................... 329 Controles sobre el polvo atomizado .................................................................................... 330 Controles en la sección de prensas ..................................................................................... 331 Controles sobre el producto secado ................................................................................... 334

Controles a realizar sobre el bizcocho (en el caso de la bicocción) .............................. 335 Controles de la sección de esmaltado ................................................................................ 336 Controles sobre el producto acabado ................................................................................. 337 Controles de laboratorio sobre las materias primas de las fritas y colorantes .......... 338 Criterios generales de realización de los ensayos de control sobre las materias primas de los esmaltes ....................................................................... 340 Anexo 3 - Defectos .............................................................................................................. 341 Defectos asociados a las materias primas ......................................................................... 342 Patologías atribuibles a las características tecnológicas de la pasta ........................... 356 Problemas que se manifiestan después de la cocción, asociados a la naturaleza de las materias primas ............................................................................... 359 Otros defectos procedentes de las materias primas ......................................................... 359 Defectos procedentes de la preparación de la pasta ........................................................ 361 Defectos procedentes del prensado ..................................................................................... 362 Defectos de esmalte y esmaltado ........................................................................................ 365 Defectos procedentes del esmalte ....................................................................................... 365 Defectos de aplicación ........................................................................................................... 366 Falta de acoplamiento entre el esmalte y el soporte ....................................................... 367 Defectos de la superficie esmaltada .................................................................................... 368 Naturaleza y formación de las emisiones gaseosas .......................................................... 369 Influencia de los colorantes .................................................................................................. 373 Defectos procedentes de la aplicación del esmalte ......................................................... 375 Defectos de decoración .......................................................................................................... 379 Defectos procedentes de la cocción con efecto sobre el esmalte................................... 381 Defectos de cocción ................................................................................................................ 383 Estallido de material en el prehorno ................................................................................... 383 Roturas en el precalentamiento .......................................................................................... 383 Rotura por enfriamiento, el llamado “desfilo” o “desventado” ...................................... 388 Localización de las roturas ................................................................................................... 389 Cuarteo ..................................................................................................................................... 390 Uniformidad de contracción en la sección de carga ....................................................... 391 Brillo y tonalidad del esmalte .............................................................................................. 394 Pinchados - agujeros - burbujas en el esmalte .................................................................. 395 Desgasificación ........................................................................................................................ 397 Desgasificación en la cocción del esmalte .......................................................................... 398 Corazón negro ........................................................................................................................ 398 Defectos de planaridad .......................................................................................................... 400 Ángulos bajos ........................................................................................................................... 401 Ángulos altos ........................................................................................................................... 402 Convexidad .............................................................................................................................. 403 Concavidad ............................................................................................................................... 407 Efecto rodillo ........................................................................................................................... 410

Ala de gaviota o bigote ........................................................................................................... 412 Deformaciones asimétricas o alabeo ................................................................................... 413 Monococción porosa ............................................................................................................... 416 Planaridad convexa (monococción porosa) ...................................................................... 416 Planaridad no uniforme en la sección de carga de la monococción porosa ............... 416 Planaridad no uniforme en el tiempo ............................................................................... 421 No uniformidad de calibre en la sección de carga de la monococción porosa ........... 422 Contaminación de la producción ......................................................................................... 424

Introducción

INTRODUCCIÓN

Evolución de las tecnologías productivas en el sector de las baldosas cerámicas Desde el final de la segunda guerra mundial, el sector de la fabricación de los materiales cerámicos tradicionales (ladrillos, sanitarios, vajilla y baldosas) ha conocido un enorme desarrollo y, con respecto a las baldosas cerámicas en particular, se puede hablar de una auténtica “revolución” productiva y de mercado, inducida, por una parte, por el incremento del mercado de la construcción residencial e industrial y, por otra, por los esfuerzos continuos de aumentar los niveles productivos, junto con la mejora de la calidad de vida de los trabajadores del sector. A partir de una organización poco más que artesanal (figura 1) con un gran predominio de trabajo manual, se ha pasado, progresiva aunque rápidamente, al desarrollo de la mecanización para evitar la pesadez del trabajo físico y, a continuación, a través de la racionalización del trabajo, a la sustitución paulatina también de un conjunto de actividades de control y organización, mediante la aplicación de los oportunos sistemas de automatización electrónica de las líneas de producción. El objetivo o, podemos también decir, la consecuencia de estas operaciones de puesta al día de las técnicas productivas ha sido, genéricamente hablando, la uniformidad de la producción y la transformación del papel humano, el resultado esencialmente de la supervisión y control de procesos sumamente automatizados e, incluso en algunos casos, robotizados. Entonces, dentro de esta normalización productiva se ha podido desarrollar una mayor atención a las nuevas formas, nuevas decoraciones, nuevos productos, que han contraORGANIZACIÓN ARTESANAL

MECANIZACIÓN AUTOMATIZACIÓN

RACIONALIZACIÓN

UNIFORMIDAD DE PRODUCCIÓN TRABAJO MANUAL

ACTIVIDAD DE SUPERVISIÓN

Figura 1.

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rrestado el posible aplanado del producto acabado y han inducido, por el contrario, una fuerte aceleración del “círculo virtuoso” de desarrollo tecnológico, impulsando exigencias nuevas y cada vez más complejas para los diseñadores y constructores de equipos y maquinaria, plantas y productos. En este sentido, los tres factores que han resultado críticos para la obtención de las nuevas metas tecnológicas y estéticas y, por consiguiente, en gran medida para el desarrollo de la comercialización de los productos acabados, pueden considerarse los siguientes (figura 2): • La maquinaria, que ha sido adaptada a las exigencias de tolerancia, automatización y prestaciones de los nuevos objetivos de producción que se han ido desarrollando progresivamente. • Las materias primas, que se han tenido que seleccionar en función de las exigencias cada vez más sofisticadas planteadas por las nuevas máquinas y las características tecnológicas de los productos acabados, cada vez con mayores prestaciones. • Los hombres, cuyo papel, con la disminución del número total de trabajadores por unidad de producción, a causa de la difusión de la automatización, ha sufrido una modificación radical: además de necesitar una preparación técnica cada vez más amplia y especializada, especialmente en el sector de la electrónica de proceso, sobre ellos se ha incrementada la presión proyectiva, que requiere un esfuerzo continuo para identificar nuevas soluciones tecnológicas y, sobre todo en la actualidad, la diferenciación cualitativa de los productos, mediante la refinación continua de la investigación estética y funcional aplicada sobre los productos mismos. El resultado de esta revolucionaria expansión productiva en el sector de las baldosas cerámicas es muy conocido por todos y ha llevado algunas naciones, en particular Italia, a asumir el liderazgo en algunos sectores, como aquel de la producción total (y permítenos decirlo, también de la calidad…) y de la exportación mundial. Por otra parte, en el campo de la producción de baldosas, Italia goza de una prerrogaFACTORES DE CRECIMIENTO

LA MAQUINARIA

LAS MATERIAS PRIMAS

LOS HOMBRES

Figura 2.

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Introducción

tiva particularmente prestigiosa: la presencia del mayor complejo mundial de fabricantes de Plantas y Maquinaria, que comprende (figura 3) más de 190 empresas, con unos 7200 empleados y una facturación de aproximadamente 3100 mil millones de lira/año. Ya desde hace bastantes años, este grande esfuerzo productivo, en efecto, ha sido también posible gracias a un gran esfuerzo tecnológico y este último se ha desarrollado en una constante relación de interdependencia con las actividades de Investigación y Desarrollo, gestionadas en un delicado equilibrio entre empresa productora, proveedores de plantas y maquinaria, y proveedores de materias primas. En este sentido, las mejores empresas siempre han sabido seguir con tempestividad las evoluciones del mercado, anticipando más bien las tendencias tecnológicas y estéticas o, mejor dicho, sabiendo imponer al mercado el resultado de la aplicación de ideas siempre nuevas, normalmente favorecidas por la presencia de un distrito productivo altamente concentrado y desarrollado (Italia, España) y de un entramado de pequeñas y medianas empresas, principalmente de carácter metalmecánico, siempre dispuestas a seguir las continuas evoluciones requeridas. Del mismo modo, sin excesivas dificultades, se ha podido reaccionar rápidamente a los nuevos requisitos y demandas, impuestos por la aceptación de la legislación técnica y la normalización correspondiente con respecto a las características mecánicas y físicas de la baldosa (módulo de ruptura, resistencia a la helada, absorción de agua, etc.). Para ilustrar esta evolución de las actividades en este sector es necesario, sin duda, recurrir a una breve reseña de la historia reciente del desarrollo tecnológico de la producción cerámica. La superación, a partir de los años 70, de algunos aspectos negativos asociados al proceso y al producto, ha generado un proceso y un producto más rentable y mercados más amplios, tanto para los fabricantes de baldosas como para los suministradores de la tecnología innovadora, que fueron en este caso los constructores de hornos y prensas. La evolución hacia estas innovaciones de producción se ha desarrollado de acuerdo PRODUCCIÓN DE PLANTAS Y MAQUINARIA EMPRESAS EMPLEADOS FACTURACIÓN EXPORTACIÓN Ladrillos

Vajilla Sanitarios Refractarios

Figura 3.

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190 7200 3100 mil millones 67%

Baldosas cerámicas


con un proceso típicamente italiano, cuyos puntos fuertes han sido sustancialmente la presencia de un cierto número de empresas de apropiadas dimensiones, que se prestaron rápidamente a la experimentación tecnología interna, teniendo, siempre de forma interna, los conocimientos, capacidades y el fervor necesarios para poder interpretar y dirigir las experimentaciones mismas. Hubo, además, como ya hemos señalado, una conspicua presencia de empresas mecánicas con una posibilidad autónoma de investigación y, finalmente, un buen intercambio, dentro del sector, de ideas y experiencias. Como consecuencia del anterior, los fabricantes italianos de baldosas se han encontrado, como primeros en el mundo, en posesión de un producto nuevo, sustantivado en la “monococción”, extremadamente competitivo por calidad y precio con respecto a otros tipos de baldosas de pavimento. La contención de los costes energéticos y de la mano de obra no solo ha permitido rentabilizar la innovación, sino que también ha convertido rápidamente en anticuado el sistema tradicional, excepto para determinados nichos de mercado. En esta situación de transformación, el aspecto que caracterizaba la producción era el cuerpo cerámico, mientras que el aspecto estético, condicionado por la escasa familiaridad con las nuevas técnicas, se caracterizaba por los esmaltes mates o rústicos, que debían dar la idea de resistencia. Después de un cierto tiempo, el resultado total fue el aplanado total del mercado de estos productos, tanto en el mercado nacional como en la exportación. Entonces, una vez más, los motivos de malestar del momento generaron un aumento del nivel de investigación estética, con el uso de nuevas decoraciones, granillas y granulados, y con el nacimiento de productos cada vez más brillantes, más decorados y con un número creciente de aplicaciones y serigrafías. En este punto, el mercado de la tecnología ha desarrollado medios cada vez más sofisticados para el prensado y la movimentación automática de las piezas, lo que ha permitido reducir las bajas de producto, aumentar la calidad y proporcionar una mayor flexibilidad de las plantas. Evolución ingenieril para la fabricación de baldosas cerámicas Como hemos señalado, las baldosas cerámicas han adquirido una difusión singular a escala mundial no solo porque las materias primas son más o menos localizables en cada parte del mundo y porque el proceso de fabricación puede considerarse relativamente sencillo, sino sobre todo gracias a la consolidación de tecnologías basadas en máquinas fiables y capaces de proponer productos de alto nivel cualitativo. Por lo tanto, siempre ha revestido una gran importancia el dinamismo del sector, que ha permitido una continua evolución del proceso y del producto. Si examinamos la situación general a partir del final de los años 70 u 80 (según la nación y el período de maduración industrial - figura 4) podemos apreciar que se ha producido una transición de la bicocción tradicional a la bicocción y monococción rápida con, al mismo tiempo, una consolidación de la molienda en húmedo y la elaboración de formatos cada vez más grandes y de mayor valor estético y decorativo, que han requerido importantes ajustes en los molinos, prensas y línea de esmaltado.

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Introducción PRODUCCIÓN DE BALDOSAS CERÁMICAS EN EUROPA (año 2000) (Millones de m2/año)

ITALIA ESPAÑA TURQUÍA ALEMANIA PORTUGAL FRANCIA REP. CHECA POLONIA RUSIA

Figura 4.

La molienda Desde los sistemas de molienda de funcionamiento mayoritariamente en seco, con molinos pendulares o de discos (con clavijas), en el transcurso de unos veinte años, se ha pasado, gracias también al aumento de la demanda productiva y a la exigencia de distribuciones granulométricas cada vez más desplazadas hacia valores centrados alrededor de las 10 micras, con residuos sobre tamiz de 63 μm igual a cero (y en algún punto porcentual de 45 μm), a grandes molinos en húmedo, con molienda continua, cuya presencia, ya desde hace más de una decena de años, se considera consolidada con todas las características de una tecnología madura. De hecho, aunque para una producción de pavimento de monococción de bajas prestaciones en una pasta roja de composición predominantemente arcillosa, todavía se valora la aplicación de tecnologías de molienda en seco, la demanda creciente de pasta blanca formulada de manera compleja, junto con el incremento de las características tecnológicas de las piezas acabadas, ha orientado el mercado hacia el uso cada vez más extendido de sistemas de molienda en húmedo, seguido de la evaporación por atomización del exceso de agua. Esto, obviamente, a causa del mejor rendimiento cualitativo de los semielaborados y de la mayor flexibilidad de producción que esta tecnología proporciona. Los molinos para la molienda continua en húmedo (figura 5) se utilizan, desde hace tiempo, a gran escala en todo el mundo en la industria minera. Además de estas ventajas técnicas, la molienda continua ha provocado modificaciones tecnológicas, energéticas y gestionales (figura 6) en la instalación productiva, si se comparara con la molienda discontinua, ya que: • La posibilidad de pesar y formular las pastas de manera continua y automática asegura una mayor constancia y repetibilidad en el tiempo de las características físicoquímicas de la barbotina. • La posibilidad de disminuir el contenido de agua en el molino, ya que la descarga dinámica y la temperatura (hasta 20 °C más alta) de la barbotina, generalmente tixotrópica, permite el uso de suspensiones más densas, pero igualmente fluidas, sin 17


Figura 5.

VENTAJAS DE LA MOLIENDA CONTINUA

CONSUMO PRODUCTIVIDAD ENERGÉTICO

CONSUMO ELÉCTRICO ESPECÍFICO

MOLIENDA DISCONTINUA

PERSONAL REQUERIDO

ÁREA REQUERIDA MOLIENDA CONTINUA

Figura 6.

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Introducción

problemas de descarga: esto supone una obvia ventaja energética en la siguiente fase de atomización (reducción del consumo en un 15%). • La posibilidad de reducir el espacio requerido por la sección de molienda y el número de trabajadores facilita la gestión, incluso con el incremento de la capacidad productiva del sistema. Por otra parte, al poder utilizar materias primas arcillosas solamente disolubles por la acción de agitadores de alta velocidad, la molienda continua puede ser organizada convenientemente para la consiguiente alimentación en continuo de barbotinas previamente preparadas, en cuyo caso la productividad del sistema, que concentra sus potencialidades en las materias primas duras, puede aumentar hasta un 40%. Los molinos en húmedo con molienda continua son, obviamente, más adecuados para las plantas de dimensiones considerables, donde las ventajas descritas anteriormente encuentran su máximo desarrollo, aunque también presentan interesantes posibilidades de uso en plantas de dimensiones medianas, donde pueden funcionar como sistemas de preparación de la composición base, sujeta a las correspondientes correcciones de carga; las dimensiones disponibles en el mercado van, en efecto, desde 40,000 litros de capacidad útil (24 toneladas de carga de molienda de sílice) a 150,000 litros (100 toneladas de carga de molienda). El prensado La reciente gran innovación de producto, que ha ido conquistando cuotas del mercado cerámico cada vez mayores, denominada gres porcelánico, ha contribuido a inducir, por cuanto se refiere a la evolución tecnológica de las instalaciones productivas, la demanda del incremento de las prestaciones de las otras fases del proceso productivo: por ejemplo, hemos asistido a una gran evolución en el campo del prensado, donde se ha tenido que volver a diseñar máquinas y sistemas accesorios, para poder satisfacer las exigencias de un incremento de formato, fabricado sin reducción, sino al contrario, con el aumento de la carga específica. Los formatos de 30 × 30 a 40 × 40 cm han superado el 50% del total y los formatos más grandes, hasta el 90 × 180 y superiores, hasta hace poco tratados como objetos de curiosidad o excepciones, han entrado en la gama productiva habitual (figura 7). Esta tendencia hacia el formato grande ha sido determinada, entre otras razones, por la posibilidad de gestionar un menor número de piezas a igualdad de la superficie fabricada, teniendo, luego, la posibilidad de ejecutar decoraciones más eficaces como las serigrafías y aplicaciones en seco, gracias precisamente a la gran superficie de las piezas que, incluso, ha permitido de “imitar” casi perfectamente las más variadas y preciadas placas de piedra natural. Además, los grandes formatos permiten una amortización más rápida de las inversiones realizadas, gracias al sustancial aumento del valor añadido del producto. Las instalaciones permiten un mayor aprovechamiento, ya que no se genera una disminución de la velocidad de los ciclos productivos, sino solamente un incremento de la productividad en metros cuadrados fabricados; el mercado ha aceptado de buen grado los nuevos formatos por el hecho, además de su valor estético, que aseguran una mayor economía en la colocación, también en el caso del pavimento sobreelevado y las paredes exteriores ventiladas (figura 8), y el menor número de juntas de colocación. 19


Figura 7.

Figura 8.

Todo esto se ha hecho posible a raíz de la rápida adaptación de las prensas y los moldes a las demandas de los fabricantes de cerámica. Actualmente, las prensas para la producción de baldosas de gran formato funcionan con cargas muy elevadas (hasta 7000 toneladas - figura 9), con alvéolos que están llegando rápidamente a dimensiones de 1000 × 2000 mm. Los parámetros constructivos deben, por lo tanto, tener en cuento las exigencias de rigidez y precisión de las alineaciones, ausencia de torsiones, etc., de las estructuras de este tipo: esto se ha alcanzado mediante varias realizaciones constructivas, que permiten la obtención de estructuras no soldadas y oportunamente precargadas. 20

Introducción

Figura 9.

Otra evolución importante ha sido la de los sistemas de carga, que permiten actualmente un gran número de operaciones múltiples y una óptima homogeneidad de carga, también en alvéolos de dimensiones realmente singulares. Por lo que se refiere al prensado, finalmente, cabe destacar la introducción de los moldes de compensación de presión, llamados isostáticos (figura 10), donde se introduce un fluido incompresible dentro del molde, entre una parte rígida y una deformable en contacto con el polvo a prensar: durante el prensado, dicho fluido compensa las diferencias de densidad debidas a la no uniformidad de la carga blanda. MOLDES ISOSTÁTICOS

Figura 10.

21


Las ventajas obtenidas de este sistema sencillo, transferido de la producción de los materiales cerámicos técnicos, incluyen, sobre todo en el caso de las baldosas de formato grande, una drástica reducción de los calibres, la desaparición de varios otros defectos dimensionales de las piezas, que se manifestaban a menudo solamente después de la cocción, y el aumento del rendimiento de la prensa. El gres porcelánico y las innovaciones de línea Continuando con el análisis de las principales innovaciones implantadas en estos últimos años en el campo de la tecnología productiva de las baldosas cerámicas, es sin más necesario hacer un inciso, no en una innovación de proceso en particular, sino en una innovación de producto que ha tenido una gran influencia (y tendrá previsiblemente una influencia todavía mayor en el futuro) sobre el mercado de la cerámica de revestimiento y pavimento, y en la configuración de las plantas: el Gres Porcelánico. Este tipo de material cerámico, que se sitúa en la banda alta de las características tecnológicas de los productos, se clasifica genéricamente dentro de la norma ISO 13006 – BIa (figura 11). En Italia, este material ha sabido ganar una cuota importante del mercado, pasando de los 8 millones de metros cuadrados en 1985 a los más de 300 Mm2 previstos para el año 2001, representando, en Italia, más del 30% del pavimento fabricado. Ya que en Italia, un 62% de esta producción se exporta, principalmente hacia Europa, es previsible que en poco tiempo crezca la demanda productiva europea y mundial. El desbordante éxito comercial de este producto ha tenido una serie de consecuencias, como hemos señalado, sobre el proceso productivo, que ha tenido que adecuarse tecnológicamente a las exigencias del nuevo producto: la diferente composición química y mineralógica (figura 12) plantea, como hemos visto, la necesidad de mayores prestaciones de la instalación de molienda, ya que la compactación y la gresificación máxima se obtienen, no solo por una precisa clasificación de las materias primas, sino por la óptima CLASIFICACIÓN DE LAS BALDOSAS CERÁMICAS PRENSADAS GRUPO DE PERTENENCIA

ABSORCIÓN DE AGUA (%)

TIPOLOGÍA DE PRODUCTO MONOCOCCIÓN POROSA O BICOCCIÓN RÁPIDA MONOCOCCIÓN (SEMIGRES) MONOCOCCIÓN GRESIFICADA MONOCOCCIÓN RESISTENTE A LA HELADA GRES PORCELÁNICO

Figura 11.

22

Introducción

COMPOSICIONES DE GRES PORCELÁNICO

Figura 12.

distribución granulométrica, necesaria para la obtención de una mayor superficie de contacto entre las partículas, para conseguir la mejor sinterización en cocido. Este objetivo ha influenciado incluso los parámetros (y la maquinaria) de prensado, mediante los cuales se trata de optimizar la compactación y, por lo tanto, la reactividad a alta temperatura: para ello se utilizan normalmente cargas de prensado entre 350 y 450 kg/cm2. Ya que se prefieren, como hemos visto, los formatos grandes (más de 65% de las piezas de gres porcelánico presenta dimensiones mayores o iguales a 33 × 33 cm), esto ha llevado a la necesidad de contar con prensas cada vez más potentes y grandes, como ya indicado anteriormente. Otra evolución de proceso relacionada con la implantación del gres porcelánico ha sido la modificación radical de los esquemas de decoración. Dadas las características de especial dureza superficial y resistencia a la abrasión, hasta hace 3-4 años el gres porcelánico se fabricaba exclusivamente sin aplicaciones de recubrimiento vítreo, tipo esmalte, que habrían disminuido sus prestaciones. Esto ha planteado inmediatamente el problema de poder obtener, con técnicas alternativas, un resultado estético que permitiera desvincularse de las primeras producciones de colores lisos o los llamados “granitos” cerámicos, obtenidos sencillamente coloreando las pastas con los oportunos óxidos y mezclando otras pastas, de diferentes colores, previamente granulados o atomizados (figura 13). De este modo, se han puesto a punto nuevas técnicas de decoración que han permitido, entre otros logros, y sin comprometer las citadas prestaciones técnicas, realizar nuevas tipologías, induciendo una marcada diferenciación de producto en el mercado, facilitando su difusión en sectores tradicionalmente orientados a productos de elevado valor estético. Estas evoluciones tipológicas han permitido también recuperar el uso de las líneas de esmaltado, concebidas sin embargo para los nuevos tipos de aplicación. 23

Tecnología cerámica aplicada GRES PORCELÁNICO DIFUMINADO

GRES PORCELÁNICO ABIGARRADO

Figura 13.

Considerando la posibilidad y la oportunidad, como a menudo sucede en los productos de toda masa como al gres porcelánico, de proceder a una rectificación después de la cocción para incrementar las cualidades estéticas del producto, se han ido desarrollando decoraciones obtenidas por la aplicación y la decoración con sustancias pigmentantes dispersas en los oportunos vehículos (agua, glicoles, PEG, ácidos policarboxílicos, etc.), mediante la absorción selectiva de los semielaborados (baldosas prensadas y secas, o también previamente bizcochadas a 900 - 1000 °C), con el desarrollo de la acción colorante dentro de la pasta mismo. Esto ha permitido una fuerte revaloración estética de los productos, con la utilización de nuevo, por ejemplo, de la decoración serigráfica (figura 14), sin alterar las características másicas y, sobre todo, superficiales del material. La eventual aplicación de una rectificación final ha podido, además, plantearse en función de la profundidad de absorción de los pigmentos por parte del cuerpo cerámico y de la necesidad de obtener el difuminado de las decoraciones, que aumentara el aspecto “natural” del producto acabado. Todas estas nuevas exigencias, dirigidas a la recuperación de la esteticidad del producto, han fomentado la realización de una gran innovación en las máquinas accesorias, cubriendo las más variadas exigencias de granulación, regranulación, micronización, carga múltiple en prensa, aplicación, decoración, e impulsando incluso un gran esfuerzo de investigación en el campo de los precursores, materias primas, pigmentos, sales solubles pigmentantes, etc. (figura 15). En los últimos años, la creciente demanda de diferenciación y de cualidades estéticas también ha llevado a la recuperación en gran medida del uso de las técnicas de esmaltado de las superficies del material tipo gres porcelánico, mediante el uso de vidrios o vitrocerámicos especiales, con óptimas características de resistencia al ataque químico, a las manchas y de resistencia mecánica; la recuperación de estas posibilidades de decoración, multiplicadas por la fantasía y genialidad de los diseñadores y los sistemas de aplicación, ha seguido a la par la consolidación del gres porcelánico como material de revestimiento prestigioso, por ejemplo en los locales públicos, en interiores y exteriores de edificios 24

Introducción GRES PORCELÁNICO DECORADO CON SALES

Figura 14. TIPOLOGÍAS DE POLVO DE PRENSA ATOMIZADO MOLTURADO EN SECO MICRONIZADO PIGMENTOS REGRANULADOS ESCAMAS GRANILLAS PELETIZADOS

Figura 15.

enteros, eventualmente por medio de la realización de paredes autoventiladas para las cuales el gres porcelánico, gracias a sus propiedades técnicas y cualidades geométricas, también a menudo calibrado, biselado etc., debe considerarse extremadamente idóneo. La cocción La implantación de los grandes formatos y de los materiales de alta compacidad y sinterización prácticamente completa ha tenido también repercusiones obvias en la fase del proceso tecnológico de fabricación de las baldosas, que representa la validación final de todas las operaciones efectuadas anteriormente: la cocción. 25


La cocción es indudablemente uno de los puntos de todo el proceso tecnológico que ha experimentado las mayores innovaciones técnicas e ingenieriles de las últimas décadas, determinando, como hemos indicado en la introducción, también la necesidad de buscar adecuadas formulaciones de composición, idóneas para los nuevos ciclos de cocción. La disponibilidad del horno monoestrato de rodillos, implantado rápidamente a partir de la mitad de los años 70, ha permitido, en efecto, alcanzar ciclos de cocción de aproximadamente 25-65 minutos para productos que van desde el bizcocho más sencillo para la sucesiva segunda cocción, a la pasta más densa y espesorada para el gres porcelánico. La elevada flexibilidad de carga y regulación de este tipo de horno ha permitido el ajuste del diagrama de cocción en función de los formatos, espesores, pastas y tipo de esmaltes aplicados; las consideraciones que se pueden hacer con respecto a la evolución reciente de estos hornos, con relación a la flexibilidad, electrónica de control, consumos, productividad y adaptabilidad a los productos son seguramente conocidas. Puede resultar conveniente, sin embargo, examinar brevemente las innovaciones más recientes, que han permitido la obtención de prestaciones siempre mejores: en particular, se ha tratado de optimizar la distribución de la temperatura en la sección y en el desarrollo del horno, mediante la adopción de quemadores entubados o encajados (figura 16) que permiten, además de una distribución mixta de calor, por convección y radiación, la orientación de la fuente de calor hacia aquellas zonas del horno que más atención requieren, como p. ej., las paredes y el centro. Por otra parte, el uso de estos dispositivos permite una programación realista de la regulación de la temperatura en el primer precalentamiento del material, mediante el aprovechamiento de los humos de baja temperatura, y se encuentra en fase de experimentación el ajuste fino de las zonas de enfriamiento, con sus indudables ventajas en el tratamiento de los materiales de grandes dimensiones o masa importante. La posibilidad de regular el ciclo temperatura/tiempo puede, entonces, llevar a la obtención de ciclos especiales, para la consecución de efectos cromáticos concretos en las mismas materias primas que contienen hierro, manganeso y otros elementos cromóforos, o en aplicaciones de esmalte, o en la pasta preparada a propósito.

QUEMADORES INNOVADORES

Figura 16.

26

Introducción

Los aspectos tecnológicos innovadores señalados aquí no representan, obviamente, más que algunos ejemplos del continuo esfuerzo de puesta al día que vive todo el sector productivo cerámico, desde las materias primas a los aditivos reológicos y serigráficos, desde las fábricas de colores a los fabricantes de baldosas y, en particular, a los fabricantes de maquinaria y plantas, que cada vez más desempeñan el papel de divulgadores de conocimiento, dedicados a la investigación y desarrollo del sector mismo. Del mismo modo se habría podido ejemplificar los esfuerzos recientemente efectuados para optimizar las líneas de clasificación (figura 17), empaquetado y almacenamiento, mediante la difusión de controles electrónicos sofisticados que cuentan con sistemas “inteligentes” de visión y clasificación de los productos en línea, sistemas de guiado automático, por láser o filoguiado (figura 18), etc.

Figura 17.

Figura 18.

27


Nada se ha dicho sobre las principales innovaciones en el campo del esmaltado y de la decoración serigráfica, hoy disponibles también mediante sistemas no intermitentes; tampoco hemos comentado el enorme esfuerzo de adecuación a la normativa ambiental, la cual, especialmente en los distritos de alta concentración industrial, representa un aspecto no indiferente a tener en cuenta en el diseño de un nuevo producto o una nueva línea de producción. El presente tomo, que versa sobre las diferentes fases de fabricación de la baldosa cerámica, desde la molienda hasta la clasificación y el empaquetado, tratará de aclarar e ilustrar de manera sintética, pero puesta al día y exhaustiva, la tecnología de esta producción, integrando las informaciones preliminares sobre las materias, los productos y las reacciones, presentadas en el primer tomo.

28

Molienda

Capítulo I MOLIENDA

Definición y objetivo de la molienda de los materiales sólidos Cuando se habla de la molienda de sólidos, se entiende toda una serie de operaciones, tendentes a la reducción de las dimensiones de los materiales que va desde la pretrituración gruesa hasta una pulverización extrema. La molienda no pretende solamente obtener pequeñas partículas de un tamaño de partida aproximado, sino más bien de producir un material con un determinado diámetro medio de partícula y una distribución granulométrica adecuada para el producto que se quiere obtener. En general, los objetivos finales del proceso de reducción de las dimensiones de los sólidos son varios, pero se puede considerar que el aumento de la superficie específica de los materiales permite conseguir una elevada homogeneidad de la masa y, además, la obtención a continuación de las reacciones químicas más completas en tiempos breves. (Véase al respeto, el capítulo correspondiente en el Tomo 1). Propiedades de los sólidos Algunos factores y propiedades de los materiales influyen en gran medida sobre la eficacia de la molienda; los más importantes son: a) Dimensiones lineales de las partículas del material a molturar, como pueden ser: - el diámetro, en el caso de las partículas esféricas; - el borde, en el caso de las partículas de forma cúbica, etc. Las arcillas generalmente se suministran a los fabricantes cerámicos en un tamaño máximo de 10-20 cm. b) Dimensiones de la superficie externa de las partículas a molturar. El cálculo será fácil de realizar cuando se trata de formas esféricas o cúbicas; de todas formas, también se podrá realizar para las formas más complejas o irregulares. Las arcillas, después de su extracción en cantera, se presentan en terrones sub-esféricos, con formas aplastadas equidimensionales o alargadas con diferentes dimensiones, o, en el caso de las arcillas esquistosas, en formas laminares. Los materiales duros como la calcita, dolomita, feldespato y sílice se presentan en formas cúbicas o paralelepípedas, con bordes más o menos redondeados, o en escamas aplastadas de diferentes dimensiones. c) Dureza Es uno de los parámetros más importantes para la molienda de los materiales. Es fundamental el conocimiento de: 29


- la resistencia a la compresión: particularmente importante para la molienda en seco de los materiales duros; - la resistencia al impacto: entra en juego en el caso de la molienda en seco de las arcillas y de la molienda en húmedo de los materiales duros; - la resistencia a la abrasión: importante en la molienda en húmedo de los materiales duros. d) Estructura del material Puede ser compacta o heterogénea, con planos de fractura casuales o con caras de exfoliación bien determinadas. En general, las arcillas poseen una estructura compacta, pero algunas presentan a menudo planos de fractura. En la cerámica también se utilizan arcillas esquistosas, con caras de exfoliación claras y bien definidas. Los materiales duros presentan estructuras compactas, como las cuarcitas, feldespatos, calizas sedimentarias químicas y metamorfoseadas muy fisuradas, como las calcitas y dolomitas de sedimentación homogénea y no excesivamente diagenizadas. e) Peso específico No reviste gran importancia para la molienda de los materiales sólidos compactos. En el caso de las mezclas naturales o con partículas de diferente composición mineralógica, el peso específico asume una importancia significativa en la molienda y en los dispositivos de transporte al interior de la planta; de hecho, a causa del diferente peso específico entre los componentes de la mezcla, se pueden producir fenómenos de segregación. Para los materiales cerámicos a continuación se presentan algunos valores de peso específico: Arcillas Cuarzo Feldespatos Calcita Dolomita

de 2.5 a 2.8 2.65 de 2.53 a 2.67 2.75 2.95

g/cm3 g/cm3 g/cm3 g/cm3 g/cm3

f) Humedad e higroscopicidad Ejercen un efecto importante sobre la eficacia de la molienda ya que reducen el rendimiento de los equipos. Con el aumento de la humedad disminuye la capacidad productiva de la molienda, naturalmente a igualdad del grado de finura a obtener. g) Tendencia a la aglomeración (o a la floculación) También conduce a una reducción del rendimiento de la molienda. En la figura 1 se presentan otros factores que pueden influenciar significativamente la molienda, particularmente en crudo, de las pastas cerámicas. Acciones desarrolladas en la molienda, selección de las máquinas Las acciones desarrolladas durante la molienda son: a) compresión simple (aplastamiento); b) percusión (del órgano de la máquina sobre el material); c) impacto (del material sobre la oportuna parte de la máquina); 30

Molienda CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MORFOLÓGICAS DE LAS MATERIAS PRIMAS CERÁMICAS QUE CARACTERIZAN EL PROCESO DE MOLTURACIÓN ARCILLAS NATURALEZA MINERALÓGICA PLASTICIDAD INTERACCIÓN ELECTROSTÁTICA CON EL AGUA ESTAS CARACTERÍSTICAS SE IDENTIFICAN MEDIANTE EL ANÁLISIS DE: PORCENTAJE Y NATURALEZA DE LOS MATERIALES RESIDUALES DIMENSIONES DE LAS PARTÍCULAS ARCILLOSAS SUPERFICIE ESPECÍFICA CAPACIDAD DE INTERCAMBIO IÓNICO PRESENCIA DE SALES SOLUBLES MATERIALES NO ARCILLOSOS TAMAÑO Y DISTRIBUCIÓN DE GRANO ESTRUCTURA BASE

Figura 1. Factores de tipo morfológico y reológico que condicionan la molturación.

d) abrasión; e) corte. Todas las máquinas utilizadas en los procesos de molienda trabajan en función de los principios detallados anteriormente. les:

El trabajo de reducción granulométrica puede ser subdividido en dos fases principa-

- trituración, cuyo campo de aplicación se extiende desde los bloques gruesos de material de la cantera hasta las dimensiones del orden de algún milímetro. Asimismo, se puede distinguir la trituración primaria o pretrituración de los bloques todo uno de la cantera, hasta una dimensión del orden de unos 100 milímetros, de la trituración secundaria, para la producción de gránulos de dimensiones del orden de 10 mm. - molienda, cuyo campo de aplicación se extiende hasta dimensiones micrónicas. Se distingue, aquí, la molienda primaria, hasta 0.5 mm, de aquella fina o secundaria que proporciona partículas de dimensiones de unas decenas de micrómetros, y de la micronización final, con la cual se alcanzan dimensiones del orden de unas micras (figura 2). Para la definición del campo de acción de la maquinaria más utilizada y para proporcionar una orientación, aunque solo a grandes rasgos, para el usuario en la selección del equipo más apropiado, se puede seguir el siguiente esquema: 31

Tecnología cerámica aplicada OPERACIONES BÁSICAS DE LA MOLTURACIÓN TAMAÑO DE GRANO TRITURACIÓN

ENTRADA

SALIDA

30-20 mm

5-10 mm

- TRITURACIÓN PRIMARIA

100 mm

- TRITURACIÓN SECUNDARIA

5-10 mm

MOLIENDA

ENTRADA

SALIDA

5-10 mm

<-50 μm

PUEDE SUBDIVIDIRSE EN: - MOLIENDA PRIMARIA

~0.5 mm

- MOLIENDA SECUNDARIA (FINA)

20-100 μmm

- MICRONIZACIÓN

< -50 μmm

Figura 2. Acciones fundamentales de la molturación.

En el caso concreto (que nos interesa más de cerca), es decir, la molienda de las materias primas para las pastas cerámicas, hace falta tener presente que generalmente se utilizan materias primas a menudo heterogéneas, tanto desde el punto de vista mineralógico como físico. Hace falta, por lo tanto, tener en cuenta algunos requisitos como: - la dispersión casi perfecta de los varios componentes de la arcilla o la mezcla; - grado de molienda diferenciado entre algunos de los componentes mineralógicos de la mezcla; - eliminación de algunas impurezas contenidas en las materias primas, que deben ser alejadas de la mezcla antes de proceder a su molienda. Molienda por vía seca y por vía húmeda La molienda de las materias primas que componen las pastas cerámicas puede realizarse por vía seca o con una tecnología en húmedo. En líneas generales, podemos decir que se elige la molienda en húmedo para obtener una mayor reducción granulométrica de los materiales que componen las mezclas y para una mejor homogeneización, mientras que la tecnología de molienda en seco puede utilizarse cuando se trata de materias primas muy homogéneas desde el punto de vista morfológico y de la dureza, o cuando se deben elaborar materiales de calidad no excesivamente elevada o productos de bicocción en general. Con la molienda en húmedo, las materias primas se molturan dispersas en una suspensión de sólidos en agua, llamada la barbotina, de modo de permitir una reducción ulterior de las partículas naturales. Por otra parte, el uso de productos químicos desflocu32

Molienda

lantes, que permiten reducir la cantidad de agua en las barbotinas, con las consiguientes ventajas económicas, facilita la obtención de partículas con diámetros inclusos inferiores al micrón, y que casi siempre pasan completamente las 63 μm. Sin embargo, la selección de la tecnología de molienda depende solo en parte del grado de finura necesario de las partículas para obtener un determinado producto; asimismo, también se deben tener en cuenta otros factores. La molienda en seco se adopta, en efecto, para mezclas compuestas, como mucho, de dos o tres arcillas parecidas entre sí, tanto con respecto a su constitución mineralógica como a sus características físicas. Los residuos limosos, arenosos o aquellos más gruesos contenidos en las arcillas, deben situarse en intervalos de valores muy estrechos. Por consiguiente, la molienda en seco puede utilizarse para la producción del bizcocho para una siguiente segunda cocción y para la producción de revestimientos cerámicos (mayólica), mientras no son numerosas sus aplicaciones para la producción de material de pavimento tipo gres o material para la fabricación de monococción porosa: también en este caso es preferible emplear procesos de molienda en húmedo. La molienda en húmedo se utiliza en los casos de mezclas naturales de arcillas y materiales duros, es decir, con características tan diferentes en sus dimensiones de no poder ser adecuadamente refinadas con los sistemas de molienda en seco más eficaces; la preparación de las pastas por vía húmeda se utiliza, además, sobre todo en los casos de composiciones cerámicas constituidas de varios componentes que se distinguen entre sí por sus características físicas en cuanto a dureza, peso específico y dimensión de las partículas. La preparación por vía húmeda se utiliza, además, cuando las arcillas contienen impurezas contaminantes, que deben ser eliminadas de la pasta; en este caso se usa preferiblemente el desleído, seguido del tamizado de la barbotina con mallas apropiadas. Por último, se prefiere la vía húmeda para la elaboración de materiales gresificados o, normalmente, con ciclos de cocción muy rápidos, ya que el procedimiento en húmedo permite ejecutar correcciones más fácilmente sobre las composiciones, con lo que, por medio de la atomización, se obtienen polvos con una buena fluidez, idóneos para una perfecta carga del molde (figura 3). De lo expuesto anteriormente, se puede deducir fácilmente que desde el punto de vista puramente tecnológico no existe ninguna cuestión de competitividad o dualismo entre la vía seca y la húmeda, sino que deben ser considerados planteamientos alternativos. Si las materias primas se analizan adecuadamente, teniendo en cuenta debidamente las características técnicas de los productos que se quieren obtener, existe simplemente una selección obligatoria, sin alternativas. Maquinaria utilizada habitualmente en las instalaciones de molienda Instalaciones de molienda en seco a) Molienda de arcilla En la fabricación de baldosas cerámicas se suelen utilizar arcillas con una humedad máxima del 4-5%, que puede llegar al 10% en molinos calentados con aire caliente generado a propósito, que efectúan, por lo tanto, un proceso de secado-molienda. 33


FACTORES QUE CONDICIONAN LA SELECCIÓN DE LOS DIFERENTES PROCESOS (MOLIENDA EN SECO O EN HÚMEDO) - CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL PRODUCTO ACABADO - TIPO DE MATERIA PRIMA - PROPORCIONES DE LOS COMPONENTES COMPLEMENTARIOS - CARACTERÍSTICAS MORFOLÓGICAS DE LAS MATERIAS PRIMAS DISPONIBLES - COSTE DEL PRODUCTO ACABADO - INVERSIÓN GLOBAL

Figura 3. Molienda en seco y/o en húmedo.

La trituración primaria reduce el material desde una dimensión máxima de partida de unos 20 cm a un tamaño final de 6 cm como máximo. Normalmente la operación se realiza en desmenuzadoras dotadas de aspas o rodillos dentados. La sucesiva reducción de tamaño (trituración secundaria de las arcillas) se asegura por molinos de impacto de corazas oscilantes; el material se reduce así hasta una dimensión de granulado con unas dimensiones máximas de 5 mm. La verdadera molienda se lleva a cabo en molinos centrífugos de discos (con clavijas), con martillos fijos o móviles y, sobre todo, con molinos pendulares, en función de la finura de partícula requerida. b) Molienda de chamota u otros materiales duros Se utilizan materiales con una humedad máxima de 1.0-1.5%. La trituración primaria se realiza con trituradoras de mandíbulas, partiendo de unas dimensiones de 15-20 cm y la reducción del material todo uno hasta partículas de una dimensión máxima de 4-6 cm. La granulación a continuación se lleva a cabo con molinos de impacto hasta dimensiones máximas de 0.5-1.0 cm. La molturación final se realiza normalmente en molinos de anillo rotatorio para una granulometría media, o en molinos pendulares, para finuras superiores. Preparación de la pasta (molienda en seco): maquinaria De lo anterior se desprende que para poder definir la maquinaria necesaria para el proceso de molienda y, más genéricamente, para la preparación del polvo de prensa para las baldosas cerámicas, hay que considerar tres aspectos fundamentales: 1) la naturaleza del material a molturar, es decir, el tipo de compuesto (p. ej. arcilla, arena, chamota, etc.) y sus características físicas correspondientes (dimensiones, humedad, dureza y tenacidad); 2) la granulometría final a obtener; 3) la tecnología adoptada para la transformación del producto molturado en un semielaborado idóneo para la operación de prensado: humectación y eventual regranulación (o, mejor, aglomeración). De lo anterior queda claro que una sola máquina no es capaz de cumplir todas las 34

Molienda

funciones requeridas, sino que son necesarias instalaciones articuladas en función de las situaciones específicas. Las principales máquinas utilizadas en el sector de la molienda en seco son las siguientes: Pretrituradoras DESMENUZADORAS CON ASPAS Trituradoras TRITURADORAS DE MANDÍBULAS MOLINO DE IMPACTO CON CORAZAS OSCILANTES MOLINO DE MARTILLOS Molinos refinadores MOLINO DE DISCOS (CON CLAVIJAS) MOLINO DE ANILLO ROTATORIO MOLINO PENDULAR MOLINO VERTICAL DE RODILLOS Como ya hemos indicado, las acciones desarrolladas durante la molienda son: a) compresión sencilla; b) percusión; c) impacto; d) abrasión; e) corte. Todas las máquinas utilizadas en los procesos de molienda se basan en una o más de las acciones enumeradas. La figura 4 presenta los intervalos granulométricos de los semielaborados obtenidos en el caso de la molienda en seco, siempre en comparación con el granulado que se obtiene en el caso del polvo atomizado. La regulación del grado de molienda en el caso de la molienda en seco es una función del sistema de clasificación (por viento para los molinos pendulares y los verticales de rodillos, por malla para los de discos). Por otra parte, el rendimiento de la máquina disminuye en el tiempo a causa del desgaste de los elementos de moliendo, y es más rápido cuanto mayor es la productividad requerida de la máquina, la cual (con excepción del molino vertical de rodillos) está relacionada generalmente con la velocidad de rotación de los elementos giratorios. Instalaciones de molienda en húmedo Se utilizan materias primas con una humedad máxima de 16%, que se desmenuzan: - para las arcillas: hasta un tamaño de grano máximo de 6-10 cm; - para los materiales duros: hasta un tamaño de grano máximo de 0.3 cm. Las arcillas pueden ser puestas en suspensión con sistemas de dispersión por agitación de alta velocidad y molinos de tambor discontinuos y continuos. 35


TAMAÑO DE PARTÍCULAS TAMAÑO DE PARTÍCULAS (µm) Y PRESENCIA RELATIVA (%)

CONFIGURACIÓN DE LA PLANTA

1a. MOLINO DE DISCOS 1b. MOLINO DE DISCOS + HUMECTACIÓN 2a. LAMINADOR VERTICAL 2b. LAMINADOR VERTICAL + GRANULACIÓN 3a. MOLINO DE TAMBOR 3b. MOLINO DE TAMBOR + ATOMIZACIÓN

Figura 4. Granulometrías de los semielaborados en el caso de la molienda en seco y en húmedo.

Las materias primas duras, en cambio, normalmente se molturan en molinos de tambor discontinuos y continuos. El grado de molienda de las materias primas varía enormemente en función de los tipos de producto a obtener. Teoría de la molienda en húmedo Existen varias teorías de la molienda, que pretenden describir el funcionamiento de las máquinas de acuerdo con leyes que pueden expresarse mediante fórmulas matemáticas; las más importantes son la ley de Kick y, sobre todo, la de Rittinger: a) Ley de Kick. El trabajo requerido para molturar una determinada cantidad de material es constante a igualdad de la relación de reducción de las dimensiones, independientemente de la dimensión original. Por otra parte, este trabajo es proporcional al logaritmo de la relación entre el diámetro inicial y final del material. La ley puede expresarse mediante la fórmula: W = κk lg (D/d) siendo: W = trabajo requerido κk = constante que depende del tipo de material D = dimensión media de las partículas antes de la molienda d = dimensión media de las partículas después de la molienda Esto significa que la cantidad de energía requerida para desmenuzar un determinado peso de material, por ejemplo de unas dimensiones de 1 cm3 hasta el tamaño de 0.5 cm3, es igual a la energía necesaria para desmenuzar el mismo peso de material desde unas dimensiones de 0.5 cm3 hasta 0.25 cm3, etc. 36

Molienda

b) Ley de Rittinger. Se basa en la hipótesis que el trabajo dedicado a reducir las dimensiones de las partículas es proporcional a la nueva superficie producida. La ley se puede expresar con la fórmula: W = κr (1/d - 1/D) siendo: W = trabajo requerido κr = una constante que depende de la forma de las partículas y el trabajo por unidad de superficie d = lado medio de las partículas del material después de la molienda D = lado medio de las partículas del material antes de la molienda En otras palabras, la cantidad de energía requerida para desmenuzar un determinado peso de material depende de las dimensiones iniciales y finales del producto molturado. Por ejemplo, se podría estimar que, si se dedican 2.5 horas para pasar de 1 mm a 100 µm (reducción de 10 a 1), en otras 2.5 horas se pasaría de 100 µm a casi 53 µm (reducción de 2 a 1), ya que la variación de la superficie en los dos estados es la misma. Sin embargo, hay que observar que en la práctica, la energía que se debe aportar a la máquina para que realice la trituración requerida siempre es superior al valor calculable con las leyes anteriores, y esto por el hecho que el trabajo total a realizar comprende: 1) el trabajo para superar la cohesión entre las partículas que componen el terrón a triturar. 2) el trabajo de deformación (deformaciones plásticas y elásticas). 3) el trabajo absorbido por rozamiento entre los elementos de molienda. 4) el trabajo absorbido por las vibraciones. 5) el trabajo disperso como calor. En los últimos tiempos, se ha elaborado también otra teoría, la de Bond, que observa que el trabajo necesario para reducir un material de una dimensión d0 inicial a una dimensión d1 final se da por la diferencia entre las cantidades totales de energía necesarias para pasar de una dimensión teórica infinita a las dimensiones d0 y d1 respectivamente. Esta valoración da lugar a la individuación de un índice de trabajabilidad (Work Index), del cual se presenta un ejemplo de los valores obtenidos de forma semiexperimental: Arcilla calcinada Vidrio Arcilla cruda Pirita Dolomita Caliza Feldespato

1.43 3.08 8.16 8.90 11.31 11.61 11.67

Cuarcita Espodumena Nefelina sienita Arena silícea Magnesita Basalto Mica

12.67 13.70 14.90 16.46 16.50 20.41 134.50

Estos valores demuestran claramente que la capacidad de molturación de un material no depende únicamente de su dureza o resistencia a la abrasión. 37


Teoría de la molienda discontinua en húmedo por medio de los molinos Alsing Hemos visto anteriormente que la molienda en húmedo tiene como objetivo, aparte naturalmente de reducir a dimensiones de unas pocas micras las materias primas que componen las pastas, la perfecta homogeneización y dispersión por toda la barbotina de los varios componentes. Para la molienda en húmedo se utiliza casi exclusivamente el molino Alsing (figura 5). La molienda con este tipo de molino es discontinua, es decir, todo el ciclo de trabajo se divide en tres fases: 1) Carga de las materias primas, del agua y de los aditivos reológicos (generalmente desfloculantes). 2) Molienda verdadera. 3) Descarga de la barbotina obtenida. Para una correcta molienda y un buen funcionamiento del molino, es necesario seguir algunas reglas o conceptos básicos. A continuación se describen los más importantes: a) Velocidad del molino Un molino de diámetro D metros, girando a “n” revoluciones por segundo, posee una velocidad periférica: v = (π/60) D n = metros/seg.

Figura 5. Molino discontinuo tipo Alsing

38

Molienda

La velocidad del molino comunica a un medio de molienda de masa “m”, adherente al tambor, una fuerza centrífuga que levanta el medio “m” a un ángulo α sobre la horizontal, tal que la componente de la fuerza de gravedad es igual y contraria a la fuerza centrífuga fc = m v2 (D/2) = mgseno α A partir de esta igualdad se deduce que el ángulo de levantamiento es independiente de la masa “m” del medio de molienda, y depende solo de la velocidad del molino. Una vez superado el ángulo de levantamiento α, los medios de molienda adherentes al tambor se separan de este porque la fuerza de gravedad prevalece sobre la fuerza centrífuga y vuelven a caer, describiendo un arco de parábola. El ángulo ß al cual se elevan los medios de molienda por encima del ángulo de levantamiento α, se conoce como el "ángulo de cascada”. Los estratos de medios de molienda no adherentes al tambor, sino situados a una distancia inferior de ello, tendrán una velocidad periférica menor que aquella del estrato más externo; por lo tanto, estos se levantarán menos y estarán envueltos por los estratos más externos como se puede apreciar en la figura 6. El movimiento conjunto de los medios de molienda en un molino resulta compuesto, por consiguiente, de una caída en “cascada” y de una rodadura recíproca: de estos dos movimientos deriva la acción de molienda. El ángulo de levantamiento α se puede expresar también en función del número n de revoluciones/segundo, siendo: v = (π/60) D n metros/seg. la aceleración centrípeta será expresada por la fórmula: ac = 0.0055 D n2 m/seg2 a partir del cual seno α = (ac/9) = 0.000561 D n2 Si la aceleración ac es muy inferior a g, la carga se desplaza poco por encima de la horizonte y los medios tienden a deslizar atrás sobre el revestimiento; la acción molturadora es escasa y el desgaste de los medios de molienda y del revestimiento es importante (figura 7). Se ha comprobado que las mejores condiciones de molienda se obtienen cuando el ángulo está comprendido entre 45° y 60°, ya que entonces la carga recae en “cascada y los medios de molienda ruedan unos sobre otros, desarrollando la máxima acción de molienda; por otra parte, el desgaste de los medios y del revestimiento es mínimo. Si la aceleración ac es aproximadamente igual a g, los medios más cercanos al revestimiento se quedan adheridos (centrifugación parcial), mientras los medios más internos vuelven a caer contra el revestimiento por trayectorias parabólicas. La acción de molienda puede ser todavía grande, pero el desgaste de los medios y del revestimiento es muy intenso. Está claro que los medios más cercanos al revestimiento siguen “orbitando” sin nunca volver a caer, porque su fuerza centrífuga es igual y contraria a la fuerza de gravedad. La velocidad periférica por la cual se empieza a tener una parcial centrifugación de los medios adherentes al revestimiento se llama la velocidad crítica (vc). 39


Figura 6.

rev

Figura 7.

40

Molienda

Cuando la aceleración ac es suficientemente mayor que g, sucede que también para los estratos más internos de los medios la fuerza centrífuga prevalece sobre la gravedad, por lo que todos los estratos quedan adheridos al revestimiento (centrifugación total). Naturalmente, en estas condiciones la acción de molturación es nula. De lo anterior se desprende por lo tanto que, al aumentar progresivamente la velocidad de un molino, la eficacia molturadora aumenta en un primer momento, para luego disminuir, a causa de la centrifugación. Existe entonces un valor óptimo de velocidad del molino, para el cual el tiempo de molienda resulta mínimo (figura 8). Sin embargo, las condiciones ideales de funcionamiento del molino no corresponden al tiempo de molienda mínimo, sino a la velocidad a la cual la energía disipada por el rozamiento y por el impacto de los medios de molienda sea mínima y la energía aportada para la molturación del producto sea máxima. Esto sucede cuando la carga del molino cae en “cascada” con un ángulo entre 45° y 60°. El sonido del movimiento de la carga en el molino puede ser un indicio para establecer si el molino gira a la velocidad apropiada, como los operadores bien saben. Tiempo de molienda

Velocidad del molino

Figura 8.

La figura 9 presenta los valores críticos y los valores apropiados de la velocidad en función del diámetro interno del molino. Todos los molinos que giran de acuerdo con los datos del gráfico anterior desarrollan una aceleración centrípeta constante = 50 ÷ 75% de la aceleración de gravedad “g”. Sin embargo, se ha comprobado que no es conveniente dar a los molinos de gran diámetro la misma aceleración dada a los molinos de pequeño diámetro; los molinos de gran diámetro tienen un rendimiento mayor, por lo tanto, se puede reducir un poco la aceleración centrípeta en beneficio de la duración del revestimiento y de los medios de molienda (sometidos a una mayor solicitación que en el caso de los molinos de pequeño diámetro). De esta forma, se suelen hacer girar los molinos, en vez de utilizar una aceleración centrípeta constante, a una velocidad periférica constante o, como máximo, variable dentro de unos límites estrechos, por ejemplo: 41


metros minʼ

Rev minʼ 130

180

120

170

110

160

100

150

90

140

2 Vk = 75% Vc

80

130

70

120

60

110

3 Vk = 50% Vc _ 4 nc = 42,3/√ D

50

100

40

90

30

80

20

70

10

60 0,5

1,0 1,5 2,0 Diámetro útil del molino en metros

2,5

_ 1 Vc = 133 √D m/min

5 nk = 75% nc 6 nk = 50% nc

metros

Figura 9.

a) para medios de baja y media densidad (2.4 - 2.7 g/cm3) Vk = 95 ÷ 125 m/min es decir: nk = vk/πD = (30 ÷ 40)/D rev/min b) para medios de alta densidad

(3.4 - 3.5 g/cm3) Vk = 85 ÷ 95 m/min es decir: nk = vk/πD = (27 ÷ 30)/D rev/min

La figura 10 presenta estos valores. Obviamente, las reglas anteriores no deben tomarse de forma rígida, sino poseen un valor indicativo; en último análisis, más que en la velocidad del molino, haría falta fijarse en el ángulo de cascada (que debería estar siempre aproximadamente a 45°). Asimismo, el ángulo de cascada no depende únicamente de la velocidad periférica, sino también del tipo de producto (sólido o líquido) y, en el caso de la molienda de suspensiones líquidas, de la densidad y viscosidad del producto. b) Medios de molienda La rotación del molino no provoca solamente una rodadura total de “cascada” de los 42

Molienda Rev minʼ

metros minʼ

130

130

120

120

110

110

100

100

90

90

80

80

70

70

60

60

50

50

40

40

30

30

20

20

10

10 0,5

1,0 1,5 2,0 Diámetro útil del molino en metros

Vk = 125 m/min

Vk = 96 m/min Vk = 85 m/min _ 1 nk = 42,3/√D rev min _ 2 nk = 40/√ D rev min _ 3 nk = 30/√ D rev min _ 4 nk = 27/√ D rev min A Porcelana-esteatita (densidad 2.4+2.75 g/cm3) B Alúmina sinterizada (densidad 3.4 g/cm3

2,5

Figura 10.

medios, sino provoca también toda una serie de rotaciones recíprocas entre los mismos. Estas rotaciones son particularmente eficaces para los fines de la molienda cuando los medios de molienda son bolas esféricas o cilíndricas. Mucho menos eficaces son, en cambio, los guijarros de sílice, dada su forma irregular que no permite una rodadura continua y uniforme (figura 11). Rodadura y fricción entre bolas de morfología diferente La característica más importante de los medios de molienda es su peso específico (conocido habitualmente como densidad), que permite su clasificación en: a) medios de baja densidad (peso específico = 2.4 – 2.5 g/cm3); ejemplo: porcelana normal o sílice; b) medios de densidad media (peso específico = 2.6 – 2.7 g/cm3); ejemplo: esteatita, porcelana de alto contenido de alúmina y similares; c) medios de alta densidad (peso específico = 3.4 – 3.5 g/cm3); ejemplo: alúmina sinterizada, alubit®. Cuanto más alto es el peso específico, mayor es, para los medios de molienda de igual volumen, la energía cinética alcanzada durante la rotación y las caídas, lo cual significa una mayor acción molturadora. Por otra parte, en la molienda en húmedo, a causa del empuje hidrostático, la fuerza de gravedad es proporcional a la diferencia pc - ps entre peso 43


Figura 11.

específico de los medios (pc) y peso específico del producto (ps). A medida que aumenta esta diferencia, incrementa la acción de molienda; en la figura 12 se muestra la influencia del peso específico de los medios de molienda sobre el tiempo de molienda. c) Carga de los medios de molienda (bolas) La carga de bolas influye de manera importante en el tiempo de molienda; si se aumenta progresivamente la carga de bolas en el molino, en un primer momento el tiempo de molienda disminuye, alcanza un mínimo cuando el nivel de las bolas es aproximadamente a mitad del molino, y luego vuelve otra vez a aumentar. De forma recíproca, la potencia absorbida aumenta primero, alcanza un máximo con el nivel de las esferas hasta la mitad del molino, y luego disminuye (figura 13). De acuerdo con el P.E.I., el tiempo mínimo de molienda corresponde a una carga de bolas de aproximadamente el 60% del volumen del molino. En la práctica, se aconseja una carga de 50 a 55% de bolas, es decir, de introducir un volumen aparente de bolas igual al 50-55% del volumen del molino.

100

% de residuo con 10000 mallas/cm2

90 1. Porcelana normal (densidad = 2.4) Residuo = 0 después de 24 horas 2. Esteatita (densidad = 2.6-2.7) Residuo = 0 después de 20 horas 3. Porcelana de alto contenido de alúmina (densidad = 2.7-2.76) Residuo = 0 después de 16 horas

80 70 60 50 40 30 20 10

2

4

6 8 10 12 Tiempo de molienda en horas

14

16

Figura 12. Influencia del peso específico de los medios de molienda sobre el tiempo de molienda.

44

Molienda

Tiempo de molienda Potencia absorbida Lleno

Vacío

Nivel de las bolas como % del diámetro del molino.

Figura 13. Tiempo de molienda y potencia absorbida en función del llenado del molino.

El nivel de las bolas correspondiente es respectivamente del 50-54% del diámetro del molino, de acuerdo con la tabla 1 y la figura 14. Nota nº 1 El ángulo entre las dos tangentes en los puntos de contacto de las bolas con las partículas se conoce como el ángulo de toma; esto depende de los diámetros S y p de las bolas y de las partículas (figura 15). El cálculo demuestra que el valor óptimo del ángulo de toma es igual a aproximadamente 17°, es decir, el diámetro de las bolas debe ser 90 veces el diámetro medio de las partículas; por ejemplo, para las partículas con un diámetro medio inicial de 0.7 mm, las bolas deberían tener aproximadamente 60 mm de diámetro. Sin embargo, después de un breve tiempo de molienda estas ya no deberían ser eficaces. Se aconseja, por tanto, de tener un cierto surtido de bolas: las grandes sirven para molturar las partículas más grandes, las pequeñas para refinar la molienda. En todo caso, las bolas no deberían tener un diámetro superior a 60-70 mm. El volumen real de la carga de bolas que llena todo el molino está sobre el 60% del volumen de este, el restante 40% está constituido por los huecos entre las bolas. Nota nº 2 Estos datos se refieren a un apilamiento de bolas de diferente diámetro que es intermedio entre el apilamiento cúbico (apilamiento de mínima densidad) volumen real = (π/6) 100 = 52.4%, y el apilamiento tetraédrico (apilamiento de máxima densidad) volumen real = √ (2π /6) 100 = 74% (para bolas todas del mismo diámetro). 45


Tabla 1.

55% del Volumen 50% del Volumen

50-54% del Diámetro del Molino

a) Volumen aparente de las bolas = 55% b) Volumen libre del molino = 44%

a)

b) 54% D

c) Volumen real de las bolas = 33% d) Volumen de huecos entre las bolas = 22%

Figura 14. Esquematización del llenado del molino

46

Molienda

Figura 15.

Por lo tanto, para una carga de bolas que ocupa el 50% del volumen del molino, el volumen real de las bolas es aproximadamente 50 × 0.6 = 30% y el volumen de los huecos entre las bolas aproximadamente 50 × 0.4 = 20% del volumen del molino. Esquemáticamente: Volumen aparente Volumen real Volumen de huecos Volumen libre 50% 30% 20% 50% 55% 33% 22% 45%

Vo de lum las en bo apa las re n

Volumen total de producto

eal nr me olas u l Vo las b de

Volumen real de las bolas;

% del volumen del molino

Volumen de huecos

Volumen de producto encima de las bolas

Volumen libre

te

El volumen aparente, el volumen real de las bolas y el nivel de las esferas se relacionan entre sí de acuerdo con la figura 16.

% del diámetro del molino alcanzado por el nivel de las bolas

Figura 16.

47


Conocido el volumen de carga ocupado por las bolas es fácil calcular el peso por unidad de volumen, es decir la llamada relación de carga. Relación de carga = Vol. real % × peso específico (g/cm3) Para una carga del 50 al 55% del volumen del molino de acuerdo con el peso específico de las bolas se obtienen las siguientes relaciones de carga: Bolas de

Peso específico g/cm3

Volumen real %

Relación de carga kg/m3

Porcelana de baja densidad



2,4



30-33



720-800

Porcelana de alta densidad



2,7



30-33



810-900

Alúmina de alta densidad



3,4



30-33



1080-1120

Figura 17.

Estas relaciones de carga no se respetan siempre; a menudo se encuentran molinos cargados con relaciones mucho más bajas, p. ej. una relación igual a 500 kg/m3 según la conocida regla: carga de esferas en kg/m3 = volumen del molino en litros/2. Esta relación está claramente demasiado baja, porque incluso en el caso de la porcelana de baja densidad, conduce al siguiente volumen real de bolas: 500/2.4 = 208 litros/m3 = 21% Esto significa un volumen aparente igual a aproximadamente 35% (contra 50%) y un nivel igual a aproximadamente 37% del diámetro del molino (13% por debajo de la línea central). Esta relación (que resulta aún más desfavorable para las bolas de media y alta densidad) conduce a tiempos de molienda más largos y un mayor desgaste, tanto de las bolas como del revestimiento. Las dimensiones y el intervalo de las bolas deben seleccionarse en función de los siguientes factores: a) Dimensión del molino: los molinos de pequeño volumen deben ser cargados con un surtido de bolas más pequeñas que los molinos de mayores dimensiones. En general, se emplea un surtido de tres medidas de esferas, repartidas de la siguiente forma: 45 - 50% de esferas de diámetro inferior; 25 - 30% de esferas de diámetro intermedio; 25 - 30% de esferas de diámetro superior. b) Granulometría de la sustancia a molturar y de la sustancia molturada: una sustancia a molturar constituida por partículas grandes requiere bolas de mayor diámetro; si esta debe ser molturada finamente, hacen falta bolas de pequeño diámetro ya que de este 48

Molienda

modo aumentan los puntos de contacto, así como la superficie total de las mismas. La tabla 2 presenta estos datos para bolas de diferente diámetro. c) Peso específico de la sustancia a molturar (en líquido): en la molienda en húmedo, si el peso específico del producto es grande (p. ej. superior a 2.5 g/cm3), se debe usar bolas de alta densidad; entonces la diferencia 3.4 – 2.5 = 0.9 es del mismo orden, p. ej. que aquel entre la bola de peso específico 2.4 y una sustancia de peso específico = 1.5. d) Carga de producto Para la carga del producto a introducir en el molino tampoco hay reglas generales, sino más bien indicaciones de principio. El producto a molturar (en húmedo o en seco) debe ser al menos suficiente para cubrir las bolas completamente. Cantidades menores se molturarían en un tiempo demasiado breve, con peligro de sobrecalentamiento; además habría un fuerte consumo de bolas y revestimiento. El límite inferior de la carga de producto se obtiene, por tanto, a partir del volumen de huecos entre las bolas; por ejemplo, para una carga de bolas = 50% del volumen del molino, el producto debería tener al menos 20% del volumen del molino, es decir (20/100) 1000 = 200 litros por m3. Por otra parte, es aconsejable tener un cierto exceso de producto, de modo que haga de “almohada” para las bolas que caen en cascada. Naturalmente, cuanto mayor el exceso de producto, más se prolongará el tiempo de molienda. La figura 18 presenta la curva del tiempo de molienda en función de la carga de producto P expresado como porcentaje del volumen del molino. El límite superior de la carga de producto se obtiene a partir del espacio libre mínimo que se puede dejar en el molino; este espacio representa acerca del 25% del volumen del tambor, por lo que el límite superior es aproximadamente 20 + 25 = 45% del volumen del molino. Naturalmente, con un llenado tan alto del molino, el tiempo de molienda resulta más largo y el rendimiento de la molienda (kg de producto molturado en una hora) disminuye. Sin embargo, en ciertos casos no interesa tanto el máximo rendimiento de la molienda, sino el hecho que el molino tenga que girar durante un determinado período de tiempo, porque lo requiere el producto o porque durante ciertas horas no se dispone del personal que pueda vaciar y recargar el molino, y por lo tanto se aprovecha principalmente el volumen útil disponible. Diámetro de las bolas en mm Superficie de las bolas en cm

2

Volumen de las bolas en cm3

20

30

40

50

60

12,56

28,27

50,26

78,54

113,10

4,19

14,10

33,50

65,25

113,00

Número de bolas por dm (1)

143,10

42,57

19,91

9,19

5,31

Número de contactos por dm3 (2)

858,70

255,42

107,46

55,15

31,85

Superficie de bolas en m2 por m3

179,73

120,34

90,01

72,20

60,05

3

1) Calculado para un volumen real = 60% del volumen aparente, que representa un factor de carga práctica, debido a la media entre el mejor y el peor empaquetado posible. 2) Calculado para el apilamiento tetraédrico (con 6 contactos por bola).

Tabla 2.

49

Tiempo de molienda


Carga de producto (% de volumen del molino)

Figura 18.

e) Revestimiento y medios de molienda En la actualidad se utilizan diferentes tipos de materiales para el revestimiento y para los medios de molienda. La tabla a continuación presenta los acoplamientos (revestimiento-medios de molienda) utilizados habitualmente para los molinos de pastas y esmaltes. MOLINOS DE PASTA Revestimiento - Sílice - Alúmina - Caucho - Caucho

Medios de molienda - Sílice - Alúmina - Sílice - Alúmina

MOLINOS DE ESMALTE Revestimiento - Porcelana - Alúmina

Medios de molienda - Porcelana - Alúmina

Los materiales utilizados generalmente presentan estos pesos específicos: SÍLICE: 2.65 kg/l PORCELANA: 2.75 kg/l ALÚMINA: 3.57 kg/l f) Conclusiones Llegado a este punto, es quizás conveniente resumir brevemente los conceptos expuestos hasta ahora. Los principales factores que influyen en la molienda son: - la velocidad del molino; 50

Molienda

- la carga de las bolas (relación de carga, absorción, tipo); - la carga del material (relación de carga, tipo, granulometría inicial y final). La utilización racional de un molino significa regular los factores indicados anteriormente para reducir al mínimo la energía consumida por el desgaste de los medios de molienda y del revestimiento, y la energía disipada en forma de calor a causa de las fuerzas de rozamiento. Estas condiciones óptimas se establecen cuando: - La velocidad es tal de producir una rodadura en cascada de las bolas; de forma orientativa, la velocidad periférica debería ser de: 95-125 m/min para bolas de baja densidad; 75-85 m/min para bolas de alta densidad. La carga de bolas debería llegar hasta la mitad del molino o un poco por encima (5055% del volumen, es decir 50-54% del diámetro). Esto comporta las siguientes relaciones de carga: 700-800 kg/m3 de bolas de baja densidad (2.4); 800-900 kg/m3 de bolas de media densidad (2.7); 1000-1100 kg/m3 de bolas de alta densidad (3.4). - El surtido de bolas debe seleccionarse en función de la granulometría inicial y final del producto, teniendo en cuenta también las dimensiones del molino. De forma orientativa, la carga debería estar compuesta de: 45-50% de bolas de diámetro inferior (20-30 mm); 25-30% de bolas de diámetro intermedio (40-50 mm); 20-25% de bolas de diámetro superior (50-60 mm). - La carga de producto debería llenar como mínimo los huecos entre las bolas (20-22% del volumen del molino): es sin duda mejor introducir un exceso de producto hasta un máximo del 25% con respecto al volumen del molino. Cálculo práctico de carga de los molinos discontinuos en húmedo Para el cálculo exacto de la carga de las materias primas de un molino es importante conocer algunos datos, en parte extraíbles del manual de instrucción del molino y en parte de los ensayos de laboratorio realizados previamente. Estos datos son: 1. Capacidad útil del molino: es el espacio a disposición de las materias primas, del agua y de los medios de molienda; este espacio se expresa en litros. 2. Densidad de la barbotina que se va a preparar en el molino; se expresa en g/l. 3. Porcentaje de material sólido presente en la barbotina; se expresa en un porcentaje.

51


Para la carga se utiliza la siguiente fórmula: kg de material seco = 0.55 (0.67) × Vu × d × y/100 siendo: Vu = d = y = 0.55 =

volumen útil del molino densidad de la barbotina material seco en la barbotina coeficiente de llenado de los molinos revestidos de sílice y con medios de molienda de sílice 0.67 = coeficiente de llenado de los molinos revestidos de alúmina y con medios de molienda de alúmina

Cálculo de la carga de un molino discontinuo (ejemplo) El molino a cargar y la barbotina que se va a preparar presentan las siguientes características: - tipo de molino = 30,000 l - revestimiento de sílice - medios de molienda de sílice - volumen útil 24,000 l - densidad de la barbotina 1.6 kg/l - material seco en la barbotina 64% (agua = 36%) kg material seco = 0.55 × 24,000 × 1.6 × 64 / 100 = 13,500 La composición de la pasta es: Arcilla A 10% Arcilla B 23% China clay 12% Feldespato C 17% Feldespato D 18% Arena feld. 20% Por tanto, las proporciones de cada materia prima seca pueden obtenerse a partir de la relación: 100: 13,500 = % de pasta: × peso Ya que raramente las materias primas acopiadas en la fábrica están secas, será necesario determinar su contenido de humedad y tenerlo en cuenta en la dosificación, mediante la relación: 100: % de material seco en la materia prima = Y: × peso Efectuado este cálculo, se obtiene la suma de los pesos de las materias primas individuales, los cuales, en función del contenido de humedad de las mismas, también supe52

Molienda

rará considerablemente el peso teórico calculado como capacidad del molino: en efecto, cargando las materias primas húmedas también se carga agua, y esto habrá que tenerse en cuenta en el cómputo del agua de molienda. Esta, por lo tanto, se podrá determinar a partir de la expresión: 36 (% de H2O): 64 (% de materias primas) = Z (litros=kg teóricos a cargar): 13,500 Por consiguiente: Z - (Ytot Peso total materias húmedas - Xtot Peso total materias secas) = litros de H2O = kg

Los aditivos reológicos, desfloculantes, se suelen aditivar junto con el agua, en la proporción conveniente, calculada a partir de los estudios de laboratorio como hemos visto en el primer tomo; la cantidad, en todo caso, representa un pequeño porcentaje (0.2 - 0.4%) con relación al peso total de las materias primas secas. Molienda continúa en húmedo En estos últimos tiempos, cada vez con más frecuencia, se están implantando instalaciones de molienda continua en húmedo. Para ello se utilizan molinos tubulares donde el material (materias primas que constituyen la composición de la pasta y el agua) se alimenta continuamente por un lado del molino, mientras que por la parte opuesta sale la barbotina. Las instalaciones de la molienda continua en húmedo La primera sección de las instalaciones de molienda está constituida por un sistema de pesaje y dosificación continuo gestionado por un procesador. Cada materia prima de la composición está contenida en un silo dotado de un extractor capaz de regular, en función de una señal, la cantidad de material a descargar sobre la cinta de pesaje, la cual a su vez mide la diferencia entre el caudal efectivo y el valor de consigna, transmitiéndola al procesador, el cual, en caso de anomalía, interviene modificando los caudales para mantener inalteradas las relaciones recíprocas de los componentes y la formulación de la pasta. Las materias primas dosificadas de esta forma confluyen en una cinta transportadora que las lleva a un silo de precarga del molino, sujeto a un ciclo de llenado regulado por un control de nivel. La descarga del silo se desarrolla en continuo, con un extractor, sobre una cinta de pesaje, que contrasta el caudal del silo con el valor de consigna de entrada al molino y corrige eventuales desviaciones regulando la velocidad (figura 19). El alimentador de husillo al molino está precedido de un dispositivo de premezclado de las materias primas y del desfloculante con la suspensión acuosa que contiene los residuos recirculados del tamizado. En la descarga del molino se coloca un primer tamiz con malla de algunos mm de luz, 53


ESQUEMA DE FLUJO DE LA SECCIÓN DE MOLIENDA

Figura 19.

encargado de parar eventuales cuerpos sólidos gruesos (p. ej. pequeños guijarros), así como una batería de tamices de cernido de la barbotina. El residuo del tamizado se transporta por medio del agua predosificada destinada al molino, mientras que la barbotina se envía a una balsa colectora (de agitación), desde la cual puede ser bombeada directamente al atomizador o destinada al proceso de coloración. Generalmente, al silo de precarga y, a continuación, al molino se envían todas las materias primas, arcillosas y no, que constituyen la composición de la pasta. Sin embargo, en algunos casos se puede incorporar el desleído de una parte de la arcilla (generalmente la fracción más húmeda y de mayor plasticidad) y eventualmente las bajas crudas incoloras en una desleidora por agitación. Las posibles configuraciones de instalación relacionadas con esta selección (figura 19) son esencialmente: - configuración con by-pass del molino de parte de una fracción de los componentes arcillosos y alimentación del molino con una mezcla enriquecida de componentes duros con respecto a la formulación de la pasta, que conserva un cierto porcentaje de materias primas arcillosas con una función suspensionante; - configuración con desleído preliminar de las materias primas arcillosas (y eventualmente de bajas crudas) a destinar a continuación al molino, previo mezclado de la barbo54

Molienda

tina obtenida de esta forma con los otros componentes de la composición. Estas soluciones se demuestran particularmente interesantes, sobre todo en los casos donde la pasta se constituye en gran medida de una fracción relevante de arcillas muy plásticas con una importante humedad (superior al 15÷20%), las cuales manifiestan una escasa tendencia a mezclarse con los otros componentes de la pasta y pueden causar fenómenos de agregación que reducen la eficacia de la molienda. La tecnología de la molienda continua La continua investigación en el campo de los equipos de control ha permitido la puesta a punto de sistemas precisos y muy fiables en el tiempo para el pesaje y la dosificación de los varios componentes de la pasta cerámica (materias primas, desfloculantes, agua). Estos sistemas, controlados y dirigidos por microprocesadores, han permitido, en las instalaciones de preparación de la pasta, la introducción del molino continuo. Se ha podido asegurar, de este modo, la constancia de las características del producto, la “barbotina”, en cuanto a composición, contenido de agua, densidad, viscosidad y, no menos importante, residuo de molienda. Las razones que han llevado la industria cerámica a adoptar el proceso continuo, ya conocido desde hace años en la industria minera, son de naturaleza doble: tecnológica y técnico-gestional. Desde el punto de vista tecnológico, las ventajas más inmediatas con relación a la calidad del producto son: - mayor constancia de las características de la barbotina, gracias a una gestión automatizada de los caudales de los diferentes materiales alimentados al molino (componentes de la pasta, agua y desfloculante), mucho más fiable que los procedimientos manuales gestionados por el operador; - mayor eficacia en la acción de los medios de molienda, gracias a la optimización del surtido dimensional de los medios en las diferentes cámaras y a una relación en peso entre los medios de molienda y carga de al menos (2.5:1) (para un molino de 3 cámaras de sílice - sílice – alúmina), frente a valores máximos de (1:1) para los molinos discontinuos con medios de alúmina de alta densidad; - tiempos de molienda drásticamente reducidos, por los motivos anteriores: para las pastas de gres porcelánico, que contienen una fracción de materiales duros resistentes a la reducción granulométrica, se registran tiempos de permanencia medios de la barbotina en el molino de 2 a 3÷4 h (según la naturaleza de alúmina o de sílice de los medios empleados para la fase de refinación) frente a tiempos superiores a las 10 h habituales para los molinos discontinuos (hasta 25÷30 h para los molinos con medios de sílice); - mejores características reológicas de la barbotina, que facilitan también su tamizado en el caso de aumentar la densidad y reducir en un 2÷3% el contenido de agua de la barbotina, ya que esta última puede ser tamizada directamente a la descarga del molino, sin interrumpir el estado de agitación y sin que los fenómenos de tixotropía intervengan a obstaculizar la operación; por otra parte, la temperatura de descarga de la barbotina, como promedio 20÷30 °C superior a la de los molinos discontinuos, contribuye a mante55


ner la viscosidad dentro de los límites tolerados (unos 3 °E) y asegura una buena fluidez de la suspensión. Desde el punto de vista técnico-gestional, las mayores ventajas son: - reducción en aproximadamente 15% de la energía térmica requerida para el secado por pulverización, gracias a una reducción de 2% del contenido de agua y al mayor contenido térmico de la barbotina (aproximadamente 20 °C), lo que se traducen en un ahorro, respectivamente en el calor latente y en el calor sensible en juego en el proceso; - aumento hasta 70% de la productividad específica de las máquinas por unidad de volumen, gracias a los tiempos de molienda más cortos; - reducción del personal a causa de la gestión automatizada del proceso; - reducción hasta el 50% de los estorbos específicos de la sección por unidad de producción, favorecida por el efecto de escala que permite contener el número de equipos auxiliares a igualdad de volumen productivo. Descripción y dimensionado de los molinos continuos La máquina (figura 20) está constituida fundamentalmente por: - Una estructura cilíndrica con fondos rígidamente anclados con pernos y dotados de bujes para el soporte de todo el molino y de bocas concéntricas a los bujes para la alimentación y descarga del material. El cilindro es de chapa de acero especial de gran espesor, soldada con precisión y controlada por radiografías y ultrasonidos. Los fondos están construidos en fusión de arrabio de alta resistencia, elaborados con gran precisión sobre las pestañas de unión con el cilindro y sobre los apéndices de encaje de los cojines. - Una serie de zócalos, construidos en perfiles de acero y chapas de gran espesor, anclados rígidamente y parcialmente asentados en los cimientos de cemento. Los soportes del molino están dotados de cojines del tipo con doble corona de rodillos con cuba para soportar mejor las cargas de rodadura. - Un grupo de motorización, constituido por uno o dos motores en corriente continua que, mediante una serie de reducciones, asegura la movimentación del cilindro que puede realizarse por una serie de reducciones, tanto mediante una serie de reducciones con engranajes como por correas. Se realizan de la siguiente forma: a) arranque del molino particularmente suave y gradual con baja absorción de corriente; b) velocidad de rotación variable dentro de un amplio intervalo y, por lo tanto, con la posibilidad de encontrar el valor más adecuado para la molienda de los varios tipos de composición; c) desaceleraciones y paradas graduales con posicionamiento del molino en la zona deseada. - Una coraza interna del cilindro realizada con caucho especial, resistente al desgaste con perfiles diseñados a propósito para maximizar la eficacia de la molienda. - Una serie de instalaciones de lubricación forzada con aceite o grasa dispuesta para la lubricación de todos los elementos de movimiento.

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Molienda

Figura 20. Molino continuo.

Descripción del molino El molino continuo está constituido, como hemos indicado, por una estructura cilíndrica en chapa de acero con trampillas para la inspección, el mantenimiento y la alimentación de los medios de molienda, con fondos dotados de bocas para la alimentación y la descarga en continuo del material, un grupo de motorización, una serie de instalaciones para la lubricación con aceite y grasa para los elementos de movimiento, y un cuadro eléctrico con PLC. El revestimiento interior de caucho especial antidesgaste está acoplado normalmente a los perfiles de levantamiento (lifters) convenientemente diseñados para optimizar la molienda y aumentar el efecto dinámico de los medios de molienda sobre el material. El molino está subdividido en dos o tres cámaras a través de particiones dotadas de aberturas ajustables para la regulación del flujo axial de la barbotina y su tiempo de permanencia en las diferentes zonas. La subdivisión en cámaras también permite trabajar con los intervalos dimensionales y los materiales de los medios de molienda más adecuados para las diferentes fases de la molienda: - medios pesados, de varias dimensiones, para la fase de mezclado del material heterogéneo en proximidad a la alimentación; - medios pesados, de varias dimensiones, para la fase de trituración o reducción granulométrica primaria del material grueso más duro; esta fase no requiere necesariamente medios esféricos de elevada densidad (aunque estos ofrecerían, indudablemente, mejores prestaciones); - medios esféricos o redondeados (para asegurar la rodadura que potencia la refinación del material por las acciones de abrasión y corte) de pequeñas dimensiones (para asegurar un número elevado de puntos de contacto entre los medios) y posiblemente de elevada densidad (para mantener una elevada entrada dinámica y, por consiguiente, una enérgica acción de impacto) durante la fase de refinación de la pasta cerámica. En realidad, en el molino no existe una clasificación tan definida: la fase de trituración primaria del material y la de mezclado, ya parcialmente encaminada en el conjunto de 57


los dispositivos de alimentación, se producen al mismo tiempo en la primera cámara y siguen, en menor medida, en las cámaras siguientes. A diferencia de la elaboración de las pastas para la monococción, tanto porosa como gresificada, donde se emplean a menudo molinos únicamente de dos cámaras, en la producción del gres porcelánico, hasta hoy, se emplean casi exclusivamente molinos de tres cámaras. Generalmente, la tercera cámara está destinada a la refinación extrema de la pasta con el uso de medios de molienda de dimensiones reducidas. En efecto, normalmente las primeras dos cámaras contienen medios de densidad media (d≅2.6 g/cm³), constituido por guijarros más o menos redondos de sílice de varias dimensiones (desde 30 a 100 mm), mientras que la tercera a menudo contiene medios esféricos de elevada densidad (d≅3.5 g/cm³) de alúmina sinterizada, de reducidas dimensiones (1”÷1½”), que desarrollan una elevada eficacia en el proceso de refinación y aseguran una elevadas productividad. El coste relacionado con el desgaste de los medios de molienda en un molino continuo de 3 cámaras de sílice-sílice-alúmina suele ser inferior a lo que se observa en un molino discontinuo con un par de molienda (carga y revestimiento) de alúmina. A consecuencia de la optimización del proceso de molienda realizada a través de una oportuna distribución del surtido de los guijarros de sílice en el molino, se pueden alcanzar las granulometrías de composición deseadas en tiempos compatibles con las exigencias productivas, sin recurrir a caros medios de alúmina sinterizada. Los molinos continuos más extendidos en las empresas que fabrican el gres porcelánico se basan sustancialmente en dos tipologías, que responden a exigencias gestionales y productivas muy diferentes: - Molinos de capacidad muy elevada, capaces de asegurar una gran productividad y de realizar ingentes economías de escala en el coste de los equipos auxiliares y en los costes de funcionamiento. Un ejemplo de este tipo son los molinos de capacidad efectiva interna de 150,000 litros, capaces de asegurar una productividad media de al menos 14.5 t/h de composición seca para gres porcelánico. - Molinos de capacidad reducida, más flexibles y fácilmente adaptables a las secciones de molienda existentes y ya operativas. Un ejemplo de este tipo son los molinos de capacidad efectiva interna de unos 35-40,000 litros, capaces de asegurar una productividad media de al menos 3.8 t/h de composición seco para gres porcelánico. Considerando unas bajas medias en crudo del 5%, una pérdida por calcinación total del 5% sobre la pasta y un peso de las baldosas de 20 kg/m², las productividades indicadas para estos tipos de molino dan lugar, respectivamente, a unas realidades productivas de unos 15,700 m²/d y de unos 4,100 m²/d. Para implantar dispositivos alternativos, que permitan una autoclasificación de los medios de molienda y la tipología de molienda, se han realizado incluso molinos continuos de tipo cilíndrico, con revestimiento de clasificación helicoidal o con diferentes diámetros en función de la velocidad de paso que se desea imponer al material. El principio de funcionamiento del tambor cilíndrico con revestimiento helicoidal de clasificación se basa en el hecho que los medios de molienda de grandes dimensiones, inmersos en un líquido, por efecto de la fuerza de gravedad y de la acción centrífuga, tienden a quedar sobre la periferia de la masa que rueda al interior del molino. 58

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Figura 21. Diseño esquemático de un molino continuo con tambor cilíndrico y revestimiento de clasificación helicoidal.

El principio de funcionamiento del tambor cónico se basa, en cambio, en el hecho que los medios de molienda de grandes dimensiones, inmersos en un líquido, por el efecto de la fuerza de gravedad y la acción centrífuga, tienden a quedar sobre la periferia de la masa que rueda al interior del molino.

Figura 22. Diseño esquemático de un molino continuo con sección cónica.

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DIMENSIONADO DEL MOLINO Productividad del molino a) Dimensionado El dimensionado y la productividad de los molinos continuos son funciones de un coeficiente “Κs" que depende del tipo de composición a molturar y que se define experimentalmente en su momento. Este coeficiente se puede considerar inversamente proporcional al tiempo de molienda de la pasta en cuestión en un molino discontinuo tipo. A partir de lo anterior se deduce que las fórmulas para la Productividad por Hora (P.H.) y la dimensión (volumen útil Vu) del molino son las siguientes: P.H. = Vu × d × s × Κs / TP siendo: P.H. = producción por hora d = densidad de la barbotina s = % de material seco en la barbotina Κs = coeficiente TP = tiempo de molienda en un molino discontinuo "tipo", a partir del cual se obtiene matemáticamente que: P.H. × TP Vu = ____________ d × s × Κs b) Tiempo de molienda TM El tiempo empleado por la pasta para alcanzar el residuo requerido coincide lógicamente con el tiempo de permanencia del material en el molino. Este tiempo viene dado por: Vu × d × s × Κr TM = _______________ P.H. donde TM = tiempo de permanencia en el molino expresado en horas Vu = volumen útil d = densidad de la barbotina Κr = coeficiente de llenado P.H. = producción por hora Como ya hemos visto para los molinos Alsing, también para los molinos continuos existen algunos principios y reglas de buen funcionamiento, como:

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Molienda

a) Velocidad de rotación Para determinar el número apropiado de revoluciones al que debe trabajar un molino continuo, son de aplicación las mismas reglas y fórmulas indicadas previamente para los molinos discontinuos. b) Perfil del revestimiento Las descripciones anteriores del proceso de molienda se refieren a molinos con un revestimiento esencialmente liso, de modo que no hay ninguna fuerza adicional de levantamiento entre el revestimiento y la carga de molienda. El punto donde la carga de molienda se separa de la envoltura, cuestión que influirá en la eficacia de la molienda, también puede modificarse cambiando el perfil del revestimiento. Generalmente, en los molinos continuos se montan perfiles de caucho que favorecen el levantamiento de la carga de molienda. La distancia entre los elementos de levantamiento es constante en todos los revestimientos. c) Diferentes tipos de revestimientos La descripción de los revestimientos se basa en los siguientes tres factores: material de revestimiento, perfil del revestimiento y sistema de montaje. Los materiales de revestimiento más habituales son: - acero fundido y acero laminado de alta calidad; - caucho; - piedra (p. ej. pórfido utilizado en la industria del cemento); - una combinación de madera y acero; - porcelana. Generalmente hablando, los materiales predominantes son el caucho y el acero que se complementan. Ninguno de estos materiales puede ser considerado como el más adecuado para todas las aplicaciones. Cuando se moltura una materia prima con grandes

Figura 23. Esquematización del interior de un molino continuo (en concreto se aprecia el diafragma de las dos cámaras); a la derecha se observan los perfiles de los levantadores de la barbotina llamados “lifters”. 61


elementos de carga de molienda, se suelen preferir los revestimientos de acero. Los revestimientos de caucho tienen un campo de aplicación muy amplio cuando se diseñan adecuadamente y son hoy los revestimientos más utilizados. El caucho será como regla el mejor material para una temperatura de trabajo hasta 80 ÷ 90 °C. Por otra parte, la coloración de la barbotina es otro factor determinante en la selección del material de revestimiento. Los revestimientos de caucho son preferibles cuando se moltura el material cerámico; en efecto, también pequeñísimas cantidades de granos de hierro pueden causar una coloración después de la cocción. Los revestimientos de piedra recubiertos de caucho y los primeros molinos de dosificación revestidos de caucho tuvieron perfiles completamente lisos. Para dar a la carga de molienda suficiente energía cinética, los molinos de superficie lisa deben girar a un mayor número de revoluciones por minuto que los molinos con un revestimiento perfilado. Un alto desgaste es la consecuencia del material que roza contra la superficie del revestimiento liso. Un aumento gradual del levantamiento de la carga de molienda también puede obtenerse mediante un número medio de revoluciones por minuto, eligiendo entre los diferentes perfiles de revestimiento. d) Medios de molienda Recordemos que las pastas cerámicas se dividen en dos grandes categorías: de cocción blanca y de cocción coloreada. Las pastas “blancas” no deben ser contaminadas por sustancias colorantes, mientras que no existe este problema para las pastas coloreadas. De aquí nace una clasificación del material de los medios de molienda, cuyo peso específico y resistencia a la abrasión deben ser lo más elevado posible. Esto nos encamina hacia dos posibles soluciones: 1) Pastas blancas: medios de molienda de alúmina o sílice. 2) Pastas coloreadas: medios de molienda de sílice (o hierro). Para las pastas coloreadas se podría utilizar también medios de molienda de hierro, que asegurarían un altísimo rendimiento en la molienda. Ensayos experimentales han confirmado que solo las fracciones de hierro inferiores a 100 micras no crean problemas de contaminación, por lo que el uso de este material solo es posible cuando se cuenta con equipos adecuados para eliminar las partículas ferrosas más gruesas. Por lo que se refiere a los revestimientos, se prefiere la solución de caucho con perfiles diferentes por motivos de resistencia a la abrasión y amortiguación del rumor en la molienda.

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Molienda

Parámetros y controles de producción en la sección de la molienda continua y discontinua a) Granulometría (residuo) Esto es de importancia fundamental, ya que representa el último parámetro para la verificación de la eficacia del proceso. La granulometría de una pasta cerámica influye drásticamente en el comportamiento durante la cocción: - superficie específica y reactividad; - curvas de contracción-gresificación; - deformaciones; - absorción de agua; - corazón negro; - defectos debidos a contaminaciones. Generalmente, se determina tamizando sobre mallas de referencia una muestra de barbotina correspondiente a una cantidad de material seco conocido, registrando el valor acumulativo del residuo seco sobre los tamices. Un solo tamiz no es suficiente para establecer la granulometría de una pasta. A menudo se eligen como referencia los residuos porcentuales sobre dos tamices de luz neta de 63 µm (malla 230, 10000 mallas/cm²) y 45 µm (malla 320, 16000 mallas/cm²). Sin embargo, si no cambian las características de las materias primas o las condiciones de operación de molienda, el residuo porcentual a 63 µm constituye un válido parámetro de control de la operación.

b) Densidad y contenido de agua % Las variaciones de densidad y contenido de agua repercuten en: - productividad del molino; - viscosidad; - granulometría; - decantación en la balsa; - consumos del atomizador. El contenido de agua de la barbotina puede mantenerse bajo control midiendo periódicamente la densidad de la barbotina con un recipiente de volumen conocido (p. ej. picnómetro) y está relacionado con: - naturaleza de la pasta; 63


- cantidad de desfloculante empleada; - características del agua. Tipología de producto Monococción porosa roja Monococción porosa blanca Monococción gresificada roja Monococción gresificada blanca Bicocción rápida Gres porcelánico

Molinos discontinuos 35÷37 34÷35 38÷40 33÷35 35÷38 33÷35

Molinos continuos 33÷35 32÷34 36÷38 31÷33 33÷36 31÷32

Contenido de agua (%), Frecuencia de control: cada turno/cada molino.

c) Viscosidad (y tixotropía) Una viscosidad demasiado baja puede causar: - sedimentación de la barbotina; - excesiva cantidad de agua; - excesiva finura del atomizado; En cambio, una viscosidad excesiva da lugar a: - incremento del tiempo de molienda; - dificultades en la descarga del molino; - dificultades en el tamizado; - atomizado excesivamente grueso. La naturaleza de la pasta, la granulometría de las partículas (en particular de las arcillosas), la densidad, la temperatura y el pH influyen sensiblemente en la viscosidad. Los valores óptimos de viscosidad son: 2.5÷3 °E (250÷400 cP). Frecuencia de control: 1÷2 veces/turno; cada molino. d) Temperatura Influye en la viscosidad de la barbotina y a menudo mejora las características reológicas. Cuando es excesiva puede causar: - fuertes fenómenos tixotrópicos; - daños en los revestimientos de caucho. Las temperaturas óptimas son 50÷60 °C para los molinos discontinuos, 70÷80 °C para los molinos continuos. Frecuencia de control: 1÷2 veces/día cada molino. Definiciones y unidades de medida A pesar de haber descrito ampliamente el comportamiento reológico de las suspensiones de sólidos en un líquido en el capítulo correspondiente del primer tomo, parece conveniente volver a señalar algunos parámetros de amplio uso práctico en la sección de molienda.

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Molienda

- VISCOSIDAD = Resistencia de un fluido al movimiento F/S = η (Vmáx - Vmín / x) F S vmáx-vmín x η

= fuerza aplicada al líquido (N) = superficie de aplicación (m2) = variación de velocidad (m/s) = espesor del líquido (m) = viscosidad absoluta (N s/m2 = Pa s)

Nota: la viscosidad disminuye con el aumento de la temperatura. - PESO ESPECÍFICO (DENSIDAD) = Peso (masa) de la unidad de volumen (gramos/litro) Ejemplos: agua aceite de oliva barbotina viscosidad mPa s 120° 100 300 densidad g/l 10004° 918 1700 Unidades prácticas de medida de la viscosidad °Engler Corresponden a la relación entre los tiempos de evacuación de 100 cc de la barbotina con respecto al agua desde un embudo normalizado. Es el control estándar de las barbotinas de pasta. Ejemplo: tiempo de evacuación de 100 cc de barbotina = 12 seg. tiempo de evacuación de 100 cc de agua = 5 seg. viscosidad de la barbotina: 12/5 = 2.4 °E Segundos Copa Ford Corresponden al tiempo de vaciado de la copa Ford de 100 cc con boquilla de ∅ 4 mm. Se utiliza principalmente para los esmaltes y engobes. Ejemplo: viscosidad de la barbotina = 25 seg. copa Ford °Gallenkamp Corresponden a los grados de rotación de vuelta de un cilindro inmerso en la barbotina girado en 360° por torsión del hilo metálico de soporte. A menudo se utiliza para las barbotinas de colado (sanitarios). Ejemplo: viscosidad de la barbotina = 320 °G cpoise (Brookfield) Es una medida de viscosidad efectuada con un viscosímetro rotacional de velocidad fija. Ejemplo: viscosidad de la barbotina = 300 cP 1 centipoise (cP) = 1 milipascal segundo (mPa s) 65


ANEXO El molino continuo en húmedo y la industria del gres porcelánico En la fabricación del gres porcelánico, las instalaciones de molienda continua parecían evidenciar inicialmente una cierta rigidez a causa de la dificultad de flexibilizar el proceso de coloración de la barbotina. Actualmente, la mayor parte de las empresas dotadas de un molino continuo con tambor emplean la máquina para producir una barbotina base incolora, que se envía, previo tamizado, a una balsa de agitación. La coloración se produce por adición de líquidos colorantes concentrados en la misma balsa, o por dosificación de estos colorantes en la barbotina por medio de dispositivos situados en la red de alimentación de la balsa o, menos frecuentemente, en la tubería de presión a la entrada del atomizador. Con la difusión de los dosificadores automáticos, estos sistemas ahora son muy versátiles, imponiéndose también en esta tipología productiva. La coloración de la barbotina base se efectúa aditivando líquidos cromóforos concentrados a la composición base con los dispositivos apropiados (dosificadores másicos y volumétricos), ubicados en la red de alimentación de la balsa de servicio del atomizador y, de este modo, permiten al microprocesador generar una señal proporcional a la densidad, señal que puede visualizarse de manera automática, tanto localmente en el instrumento, como en el sistema de control de la dosificación. Por lo tanto, el sistema de medida trabaja independientemente de la temperatura, presión, viscosidad, conductibilidad y perfil del fluido. Nota: Los colores “condensados” son, por definición, barbotinas caracterizadas por una concentración máxima de pigmento colorante. La utilización de estos semielaborados permite incluso minimizar las dimensiones de la sección de preparación de los concentrados mismos, proporcionando al mismo tiempo la máxima capacidad productiva, optimizando el grado de molienda del pigmento y obteniendo una óptima capacidad de almacenamiento del mismo. Teniendo en cuenta la fuerte concentración de pigmento en la formulación del concentrado, su densidad resulta muy elevada, por lo que se necesita un adecuado control reológico de las suspensiones cromóforas para evitar fenómenos de sedimentación. De todas formas, hay empresas que elaboran pastas blancas o superblancas directamente en el molino continuo. Estas pastas poseen características reológicas diferentes con respecto a las pastas base por su mayor contenido de materiales complementarios no arcillosos, lo que se suele compensar mediante el uso de materias primas arcillosas particularmente plásticas (p. ej. de contenido montmorillonítico), las cuales influyen en la viscosidad de las barbotinas y su tendencia a la tixotropía. Por otra parte, el alto contenido de componentes tenaces, resistentes a la molienda, puede incrementar los tiempos de proceso, reduciendo sensiblemente el potencial productivo de la sección dedicada a la preparación de la pasta. Por lo tanto, ya que se trata de una máquina continua, aunque se presta a condiciones de régimen definidas y constantes, el molino es capaz de asegurar una cierta versatilidad productiva. 66

Molienda

Parámetros tecnológicos y gestionales La fluidificación de la barbotina puede ocurrir por medio de aditivos sólidos como los polifosfatos de sodio, introducidos en porcentajes de 0.3÷0.4% con respecto a la pasta seca, o bien, para las pastas que lo permiten, a través de mezclas líquidas, generalmente a base de sustancias orgánicas y silicatos de sodio, introducidos en porcentajes ligeramente superiores (aproximadamente 0.4÷0.5%). Las mezclas líquidas pueden ser adaptadas de modo específico a la composición y tienen una acción más rápida, gracias a la facilidad con la que se dispersan en el medio acuoso; por otra parte, los dispositivos de dosificación son, generalmente, más fiables. El contenido de agua de las barbotinas varía generalmente del 31 al 34%, teniendo en cuenta que: - a igualdad del desfloculante empleado, un mayor contenido de arcillas en la pasta tiende a aumentar la cantidad de agua necesaria para el desleído del material; - un elevado grado de plasticidad de los componentes arcillosos de la pasta (p. ej. arcillas montmorilloníticas) provoca un aumento de la viscosidad, la cual debe ser controlada, incrementando el contenido de agua o de fluidificador (en este sentido, en las pastas blancas, generalmente constituidas por un mayor porcentaje de componentes duros complementarios, pero también por una fracción arcillosa de mayor plasticidad, se desarrollan los dos efectos opuestos debidos a la plasticidad de las arcillas y a su proporción en la pasta); - el uso del agua de reciclado que ha sufrido tratamientos químico-físicos de clarificación y floculación y, por consiguiente, se ha enriquecido de sustancias iónicas floculantes, puede contrarrestar la acción del fluidificador e incrementar el contenido de agua requerido; - el uso de una mayor proporción de desfloculante permite reducir el contenido de agua y, por lo tanto, el consumo de energía térmica para el secado por pulverización, aunque aumenta sensiblemente los costes de la pasta; - la consecución de un elevado grado de refinación de la pasta da lugar a una constante disipación de energía mecánica en calor, de modo que la barbotina sale del molino a alta temperatura (a menudo superior a los 70 °C), que favorece el mantenimiento de una baja viscosidad. La densidad de las barbotinas varía de 1690 a 1740 g/l a temperatura ambiente (a la temperatura de descarga del molino se miden densidades sensiblemente inferiores): los valores más bajos se observan, generalmente, para las pastas base incoloras, los más elevados para las blancas. Los valores de viscosidad más frecuentes en la práctica son 2.5÷3 °E, aunque a menudo se observan barbotinas con valores diferentes que, sin embargo, permiten una fácil tamizado. En efecto, la fluidez de la suspensión depende también de su límite de fluencia y su tixotropía. En todo caso, una buena fluidez permite un tamizado preciso con una apertura de malla fina (luz neta de 130÷160 µm), indispensable para asegurar la calidad de la pasta y evitar desagradables inconvenientes (agujeros, pinchados, etc.) que se manifiestan en cocido. Al control efectuado en la producción, naturalmente, se acompañan las determinacio67


nes granulométricas de laboratorio, las cuales, en la mayoría de los casos, consisten en el análisis del residuo sobre tamiz. Las referencias adoptadas normalmente para el gres porcelánico son: - 0.7÷1% de residuo sobre tamiz de luz neta de 63 µm; - 2.5÷4% de residuo sobre tamiz de luz neta de 45 µm. Un análisis más preciso y fiable, obtenido con el uso del granulómetro de difracción de láser, permite evaluar las curvas acumulativas y los diámetros medios numéricos de las muestras. Los resultados son, típicamente: - diámetro medio numérico de las partículas: 17÷20 µm; 70÷75%. - porcentaje de partículas que pasan 20 µm: Los consumos eléctricos específicos registrados en los molinos de régimen de las empresas de fabricación de gres porcelánico se sitúan alrededor de 50÷70 kWh por tonelada de pasta seca molturada. Nota: Comparación con relación a una pasta de gres porcelánico a igualdad de la calidad de los medios de molienda empleados:

Capacidad bruta (l) Relación volumétrica Medios de molienda Revestimiento Productividad material seco (kg/h) Número de ciclos (ciclos/d) Carga de barbotina (l) Densidad de barbotina (g/l) Contenido de agua % Carga material seco (kg) Prod. diaria material seco (kg) Prod./d de volumen unitario (kg) Consumo total

Molino continuo 40000 1.053 Sílice/Sílice/Sílice Goma 3500 3500x24=84000 84000/1.053=79800

Molino discontinuo 38000 1 Sílice Sílice 1 17000 1690 34 18900 18900/1=18900 18900/1=18900

63.7 KW/h

103 KW/h(*)

(*) La elevada diferencia se debe al uso de sílice/sílice (por otra parte bastante común). Con la utilización de alúmina, los tiempos de molienda se reducen a la mitad y los consumos eléctricos se hacen similares. Relación de productividad a igualdad de volumen bruto y de los medios de molienda: 79800/18900 ≅ 4.2 (en todo caso siempre superior a 3).

Por consiguiente, a igualdad del volumen bruto de los molinos y medios de molienda se necesitan al menos 4.2 molinos discontinuos por cada molino continuo. Del mismo modo, a igualdad del volumen bruto total de los molinos y medios de molienda, la productividad de los molinos continuos es aproximadamente 4.2 veces superior a la de los molinos discontinuos. 68

Molienda

La naturaleza de los medios de molienda influye sensiblemente en la eficiencia de la molienda: los medios de alúmina sinterizada permiten aumentar la productividad de las máquinas pero, al mismo tiempo, determinan un incremento de los costes de elaboración. Para mediar estas exigencias, teniendo en cuenta el hecho que la fase que más sufre de la eficacia de los medios es la de refinación, en la práctica resulta conveniente aprovechar la oportunidad brindada por el molino continuo, empleando los medios de alúmina sinterizada solo en la zona del molino donde se desarrolla la refinación del material. De este modo, sin perjudicar excesivamente la productividad, se obtienen economías importantes de funcionamiento sobre la reintegración de los medios de molienda.

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Secado

Capítulo II SECADO POR PULVERIZACIÓN DE LAS BARBOTINAS CERÁMICAS

El proceso tecnológico de secado por atomizador (spray dryer), aplicado desde hace más de un siglo en la industria alimenticia y farmacéutica, se ha impuesto en la industria cerámica, reemplazando las fases de filtroprensado, secado, molienda, rehumectación y clasificación (figura 1), reduciendo al mismo tiempo la mano de obra y el mantenimiento. La barbotina obtenida por molienda de las materias primas en suspensión acuosa se seca en un proceso gestionado de manera continua y automática, que permite la obtención de un producto con un contenido de humedad controlado, con una forma y granulometría ideal para la siguiente fase de prensado. Con relación al secado de las barbotinas, se han obtenido estos resultados desde hace ya varios años con la técnica de secado por pulverización (spray drying), mediante instalaciones conocidas como atomizadores (figura 2).

Figura 1. Comparación de las fases de elaboración entre los diferentes procesos: atomización y filtroprensado. 71


Figura 2. Clasificación de los atomizadores En líneas generales, los atomizadores se pueden subdividir en dos grandes categorías, concretamente: a) Atomizadores de calor directo Son aquellos en los cuales el calor, necesario para calentar el líquido hasta la evaporación, se introduce en forma de gas de combustión o aire calentado oportunamente. En este caso, el aire caliente en contacto con las partículas líquidas dispersas provoca su evaporación por transmisión. A esta categoría de atomizadores pertenecen los utilizados en los procesos cerámicos. b) Atomizadores de calor indirecto En este caso, el calor se transmite por conducción al material a tratar. Es obvio que la evaporación del líquido se produce más rápidamente a medida que aumenta la superficie por la que dicha evaporación puede desarrollarse. El corazón del sistema está constituido por el dispositivo de pulverización que puede ser fundamentalmente de tipo “rotatorio (de turbina)” o “fijo (de tobera)”. La nebulización de la suspensión se produce respectivamente a expensas de la energía cinética (en el primer caso), o por la presión comunicada al fluido (en el segundo caso). Existen, por tanto, diferentes tipos de atomizadores, concretamente en función del sistema adoptado para la nebulización de la suspensión, además del recorrido de los flujos calientes (alto o bajo). 72

Secado por pulverización de las barbotinas cerámicas

En la figura 3 se presenta una configuración fundamental del secadero por pulverización que contempla precisamente la diversidad indicada anteriormente:

Figura 3. Diferentes configuraciones de secado por pulverización. - Tipo equicorriente descendente, nebulización con toberas - Tipo equicorriente descendente, nebulización con turbinas - Tipo contracorriente, nebulización con toberas descendente, aire ascendente - Tipo contracorrientes mixtas, nebulización con toberas, aire descendente

En el sector cerámico, para la nebulización de la suspensión se emplea generalmente el sistema con “tobera” llamado centrífugo por presión, donde las condiciones de flujo bajo presión provocan, a través de insertos en forma de caracol, también un movimiento rotatorio de las partículas a la salida de la tobera. Asimismo, se utilizan también dispositivos conocidos como lanzas que comportan en todo caso siempre la nebulización de la barbotina. En los sistemas, respectivamente con “tobera” y con “turbina”, la calidad de la nebulización depende, además de la concentración de sólidos, viscosidad, tensión superficial de la barbotina y temperatura, también del equilibrio de numerosos factores como la presión, volumen de la torre, dimensiones de la tobera en el primer caso, y las características de la turbina y su velocidad en el segundo caso. El sistema de nebulización con toberas presenta la ventaja de obtener una tolerancia granulométrica muy elevada, por lo que, una vez fijado el caudal y las características de la suspensión alimentada, resulta relativamente fácil alcanzar un óptimo control de todas las variables, hasta tal punto que la distribución granulométrica del polvo obtenido puede modificarse empleando simplemente toberas de características diferentes en el mismo dispositivo. 73


Para el secado de las barbotinas cerámicas se utiliza raramente el atomizador de tobera con pulverizador de aire comprimido. El sistema de discos centrífugos encuentra en cambio su uso óptimo para el secado de productos particulados que presentan un peso específico muy alto, o cuando se requiere una granulometría de polvo muy fina. En la figura 4 se presenta una representación gráfica donde se aprecia el flujo del proceso de atomización completo, hasta la depuración de los humos procedentes del atomizador.

Figura 4. Esquema general de la planta de atomización.

Descripción general del atomizador con toberas Esquema de funcionamiento La planta para la preparación del polvo cerámico mediante la atomización y el secado de la barbotina con aire caliente produce, a través de un proceso continuo y completamente automático, polvos de granulometría y humedad controlada a utilizar en el proceso de conformación en el estado semiseco, para la fabricación de baldosas. La instalación de secado se constituye esencialmente, como hemos visto, de una cámara de forma y volumen calculado para generar, en su interior, el intercambio de calor entre la barbotina pulverizada finamente y el aire caliente y los humos de combustión procedentes de un generador apropiado. Entre los diferentes tipos de atomizador, en la industria cerámica se ha afirmado aquel de corrientes mixtas, con aire descendiente y la nebulización de la barbotina orientada hacia arriba. Esta tipología permite aumentar el tiempo de permanencia de las partículas dentro de la cámara de secado, donde se encuentran primero con una contracorriente de aire caliente en luego una equicorriente, con alto rendimiento de intercambio térmico (figura 5). 74


Figura 5. Esquematización del proceso de atomización. Vista general de la planta.

El polvo más fino presente dentro de la cámara del atomizador se separa en un primer momento por los ciclones y luego por una unidad depuradora, con la salida de los humos finalmente por la chimenea. Ciclo de atomización La figura 6 presenta un esquema de la torre de secado, relativa a un atomizador con dispositivo de nebulización con toberas, donde se puede observar la localización de todos los dispositivos apropiados para el funcionamiento de la misma. 1. Bombas de alimentación de la barbotina 2. Filtros 3. Anillo portatoberas 4. Torre de secado 5. Válvula de descarga del polvo 6. Ciclones separadores 7. Presurización

8. Quemador 9. Conducto de aire caliente 10. Distribuidor anular de aire caliente 11. Ventilador centrífugo 12. Unidad depuradora en húmedo 13. Chimenea

El cuerpo principal del secadero es cilíndrico; en la fase inicial, los volúmenes de aire caliente se introducen desde lo alto, donde se distribuyen tangencialmente y el intercambio térmico se produce en contracorriente con la barbotina atomizada y proyectada hacia arriba desde abajo a través de las toberas situadas sobre una corona concéntrica con la cámara. Durante la caída del polvo hacia la parte cónica inferior de la torre de secado se produce la fase final de secado en equicorriente. La energía cinética se aporta a través de una bomba de impulsión de pistones (que trabaja a 20÷30 atmósfera), la cual impone a la barbotina una velocidad de salida por la co75


rona distribuidora de unos 30 m/seg., tal de vencer la baja viscosidad (aproximadamente 3° Engler) del fluido, para “deshacerlo” en diminutas gotas y dirigirlo hacia arriba. La pulverización con forma cónica sale en espiral de acuerdo con el movimiento rotativo impulsado por los elementos interiores, las toberas, los caracoles o espirales de diferentes formas y dimensiones. De manera simplificada, el ciclo de funcionamiento del atomizador puede describirse de la siguiente forma (figura 6): la barbotina se bombea, a presión constante por la bomba (1), a través de los filtros (2), al anillo distribuidor (3) situado dentro de la torre de secado (4). El chorro de barbotina, finamente nebulizado, se invierte en la torre de secado mediante un remolino de aire caliente generado por el quemador en vena de aire (7) con gas natural o GPL (o por un quemador de combustión directa con combustible líquido). El aire se transporta hacia la parte superior de la torre por el conducto de acero aislado térmicamente (9), donde se pone en rotación mediante el distribuidor anular (10). El polvo seco se descarga, por la válvula de detención (5), en una cinta transportadora. El

13

9

10

8

12 11

4 3

7

6

5

1 2

Figura 6. Diseño esquemático de la torre de secado y de los dispositivos complementarios.

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residuo de polvo fino que queda en suspensión en el aire aspirado por el ventilador principal (12) se separa en parte por los ciclones (6) y en parte por la unidad de depuración en húmedo de acción centrífuga (11). El aire expulsado se transporta a continuación a la chimenea (13). Descripción de los principales dispositivos del atomizador Bomba de alimentación de la barbotina (1) La bomba tiene la función de trasegar la barbotina, bajo una determinada presión, hacia los dispositivos previstos para la nebulización. Está accionada por pistones oleodinámicos, alimentados por un pequeño sistema hidráulico correspondiente. Los pistones son de alúmina, un material resistente a los fluidos abrasivos. La presión de funcionamiento puede modificarse a través de una simple regulación de las válvulas. Generalmente, la presión de trabajo es del orden de 22-28 bar, en función de las características de la barbotina y del tipo de tobera utilizado para la nebulización. Filtros de la barbotina (2) En las líneas de alimentación de la barbotina, normalmente se montan 2 filtros que sirven para retener posibles impurezas o cuerpos extraños eventualmente presentes en la barbotina. Estos, si llegan a los dispositivos de nebulización, podrían provocar la oclusión de las toberas. Los filtros están constituidos por un recipiente cilíndrico que, a su vez, contiene un cilindro oportunamente perforado que sirve de soporte para la malla de filtración. Las operaciones de lavado de los filtros se efectúan automáticamente y de modo alternativo para los dos filtros (si se dispone de filtros automáticos). Anillo distribuidor (3) Está constituido por un anillo completamente de acero inoxidable y dotado de empalmes para el montaje de las toberas de pulverización. Está unido a la tubería de la barbotina mediante un tubo flexible de caucho entelado. La figura 7 presenta un esquema representativo de una corona portatoberas de acero inoxidable, con los conductos de alimentación correspondientes, además del dispositivo para la extracción de la corona misma, mientras la figura 8 presenta un detalle de la corona portatoberas. Existe también la posibilidad de nebulizar la suspensión de la barbotina con unas lanzas apropiadas (figura 9). Éstas están dispuestas en el perímetro de la torre, orientadas hacia el centro. Sobre las lanzas se pueden montar una o más toberas nebulizadoras. La figura 10 presenta el esquema de dos atomizadores dotados respectivamente para la nebulización de la barbotina de toberas puestas en la corona o en lanzas individuales. a) con toberas en la corona; b) con lanzas.

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Figura 7. Representación esquemática de la corona y del dispositivo de extracción.

Figura 8. Detalle de la corona portatoberas

Toberas de nebulización Las toberas empleadas generalmente son del tipo llamado “caracol”, donde un dispositivo en espiral imparte al fluido, bajo la acción de la presión aguas arriba, el movimiento rotatorio necesario para la dispersión del chorro con el impacto del aire externo. En la figura 11 se presentan los diferentes elementos que constituyen una tobera. Además de las espirales, otro elemento fundamental en la construcción de la tobera son las pastillas perforadas. En el recuadro de la figura 11 se detallan los tipos de altura de las mismas y el diámetro de las pastillas perforadas. 78


Figura 9. Detalle de una nebulizadora con lanzas

Figura 10. Diseños esquemáticos de las secciones y plantas de dos atomizadores: a) con toberas nebulizadoras, b) con lanzas

Otros componentes fundamentales de la tobera, además de las espirales y las plaquetas ya señaladas, son: 1. Cabezal 13. Plaqueta sin perforación 14. Distribuidor 15. Recipiente con ataque 79


Figura 11. Representación de los diferentes componentes de una tobera.

Las plaquetas con perforación pueden ser de tungsteno o diamantadas perforadas con luz de paso calibrada. Las plaquetas perforadas más utilizadas tienen generalmente un orificio con un diámetro de unos 2.5 mm. En la parte interior de las toberas se colocan en cambio las “espirales”. Éstas sirven para imprimir un movimiento rotatorio al flujo de barbotina y, por lo tanto, a abrir y cerrar los abanicos de barbotina nebulizada. Los tipos más utilizados presentan una altura variable que puede oscilar entre 8 y 15 mm. El número y tipo de toberas a usar se establecen en función de la tipología y cantidad de polvo atomizado a producir. 80


Torre de secado (4) Constituye la verdadera torre de evaporación (figura 12). Se compone de un cilindro troncocónico y una parte superior de cierre que contiene el distribuidor anular de aire caliente. Las paredes interiores de la torre son de chapa de acero inoxidable, mientras que las externas están realizadas en chapa protectora de aluminio brillante. Entre las dos chapas se encuentra material aislante. Un conducto de salida de aire caliente une la torre con los ciclones separadores. En este conducto se encuentra instalado un termopar que señala la temperatura del aire, el cual, manteniendo constante la temperatura de acuerdo con el valor establecido, permite tener bajo control el nivel de humedad residual del polvo atomizado. Tubos de aire expulsado Realizados de acero inoxidable, unen la torre de secado con los ciclones separadores. En el conducto se encuentra instalado un termopar que señala la temperatura del aire de salida y, por lo tanto, la humedad del polvo, ya que existe una relación entre la temperatura de los humos expulsados y esta humedad residual. Válvula de descarga del polvo (5) Esta válvula, del tipo de contrapeso con enfriamiento, se encarga del enfriamiento y la descarga del polvo atomizado. A través de una serie de aspilleras de abertura ajustable fluye el aire a temperatura ambiente, el cual, al encontrar el material atomizado que se descarga, provoca la reducción de su temperatura. También existe otro tipo de sistema de enfriamiento, conocido como de tipo ampliado (figura 13). Este dispositivo permite al aire externo, que entra en depresión, de encontrar más veces el granulado caliente que desciende. Este intercambio se produce utilizando la geometría de las superficies de este dispositivo, que sustituye al cono tradicional. Reduciendo

Figura 12. Representación del interior de la torre.

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Figura 13. Esquematización del enfriador de polvo de tipo ampliado.

ulteriormente la temperatura del granulado, se reducen los problemas de condensación que generalmente se presentan en relación con los elevadores, tamices, silos de recogida. Ciclones separadores (6) Se construyen de acero inoxidable y están dotados de válvulas de contrapeso para la descarga del polvo y trampillas de inspección. Constituyen la primera fase de eliminación del polvo del aire expulsado de la torre (figura 14). Funcionan siempre por aspiración y se sitúan siempre delante del ventilador principal para proteger este último de la agresión del polvo. Antes de la separación del polvo en los ciclones, el aire presenta una concentración de polvo del orden de 2-4000 mg/Nm3, a la salida en cambio de 400 mg/Nm3. Instalación de alimentación del combustible La instalación de alimentación del combustible puede variar en función del tipo de combustible empleado: gaseoso o líquido, y este último, en función de la densidad y viscosidad, en ligero y denso. Las instalaciones de combustibles líquidos ligeros (p. ej. gasóleo) no necesitan calentamiento para que dichos combustibles pueden ser nebulizados adecuadamente por la tobera del quemador, ya que su baja viscosidad permite la pulverización simplemente por presión. En cambio, las instalaciones de combustibles líquidos pesados requieren un precalentamiento de las toberas y de los dispositivos interiores del quemador. En el caso de líquidos muy densos, es necesario también calentar el conducto de bombeo y la cisterna de almacenamiento. Tipos de quemadores (7) Los diferentes sistemas de combustión adoptados en los atomizadores son los siguientes: - Quemador Flu-fire (combustible de gas) con instalación de cogeneración. 82


Figura 14. Esquematización de los ciclones separadores para la eliminación del polvo fino.

- Quemador en vena de aire (combustible de gas). - Quemador Weishaupt de combustión directa (combustible líquido). Los quemadores del tipo en vena de aire son adecuados para los combustibles gaseosos y con aire soplado para los combustibles líquidos. En ambos casos, la regulación de la llama se produce a través de un sistema que modula la cantidad de combustible en función del valor de temperatura a obtener. En la figura 15 se puede observar la representación esquemática de un quemador en vena de aire. Este prevé un exceso de aire de combustión igual al 150% del aire estequiométrico. En cambio, los quemadores FLU-FIRE no poseen un ventilador propio para el aire comburente. La combustión del gas se produce por tanto con el aire de proceso, que debe contener una cantidad mínima de oxígeno. La figura 16 presenta un dibujo esquemático de este quemador. Estos quemadores son adecuados para integrar las instalaciones de cogeneración y, en función de sus características, pueden funcionar como sistemas de postcombustión en las instalaciones de cogeneración provistas también de generadores tipo (figura 17). Distribuidor de aire caliente (8) El distribuidor de aire caliente, situado en la parte superior de la torre de evaporación, está compuesto por una entrada periférica tangencial y un sistema de conductos en espiral que obligan al aire a desplazarse hacia una correspondiente serie de aberturas dispuestas en la dirección del centro (figura 18). 83


Figura 15. Modelo esquemático de un quemador en vena de aire.

Figura 16. Modelo esquemático de un quemador de tipo FLU-FIRE.

El movimiento del aire resultante confiere al mismo un remolino que facilita el intercambio térmico con el material (figura 19). Ventilador principal (9) El ventilador principal, de tipo centrífugo, constituye la parte en aspiración del sistema de circulación del aire de secado. La parte de la instalación que lo precede se encuentra por lo tanto en depresión. 84


Figura 17. Quemador FLU-FIRE asociado a la planta de cogeneración.

Figura 18. Diseño esquemático del distribuidor de aire caliente.

Figura 19. Esquematización de los torbellinos de aire caliente que se forman en el distribuidor.

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La chimenea (10) La chimenea constituye la parte final del sistema de circulación del aire y conecta el sistema con el exterior. Unidad depuradora de polvo La unidad de depuración en húmedo esta situada después del ventilador principal y constituye otra fase más de eliminación de polvo para las partículas más finas. Condiciones de trabajo del atomizador (temperaturas y presiones) En la figura 20 se representan de forma esquemática las principales condiciones de trabajo de temperatura y presión. - La barbotina, que puede presentar una temperatura de 20-70 °C, se bombea con una presión variable de 20-30 bar hacia los dispositivos de nebulización. - La presión P1 en la torre de secado es del orden de - 0.5/-1.5 mbar. - La temperatura de entrada de los humos calientes se sitúa entre 550-650 °C. - Normalmente, la temperatura del semielaborado seco oscila entre 40-70 °C. - La temperatura del aire dirigido hacia los ciclones (T1) se sitúa entre 80-120 °C.

Figura 20. Esquematización de las condiciones de trabajo del atomizador.

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- La temperatura de los humos de salida por la chimenea puede ser del orden de 6080 °C en el caso de la presencia de una unidad depuradora, 80-120 °C sin unidad depuradora. - La presión de los mismos es del orden de +10/+15 mbar - La depresión del aire al interior del ciclón es del orden de -10/-20 mbar. Todos los parámetros indicados anteriormente deben considerarse indicativos, ya que las situaciones varían en función de cada caso. Dinámica de la formación del “gránulo secado” En el momento mismo en que la barbotina se fracciona en gotas, éstas se fragmentan, proyectándose hacia arriba, llevadas por las turbulencias de las corrientes calientes descendientes y se conducen por trayectorias completas de colisiones, agregaciones, otras parcializaciones e impactos con las paredes. Con la ayuda de un modelo de cálculo fluidodinámico computacional se ha podido estudiar las modalidades de funcionamiento del atomizador, indagando la trayectoria de las partículas, su tiempo de permanencia en la cámara de secado, el desarrollo de la temperatura y el contenido de humedad del área de proceso y de las gotas de barbotina (véase la figura 21). Como en todos los fenómenos de “interfase”, son importantes, entre otras magnitudes, las relaciones entre las masas (volúmenes) y las superficies. En este caso, el fenómeno de la evaporación es directamente proporcional a la superficie de intercambio (además que a la temperatura, tensión superficial y otros parámetros), es decir, a la superficie de la gota. La dimensión de las gotas, de la cual depende la dimensión de las partículas sólidas

Figura 21. Modelo de distribución de la trayectoria de las partículas al interior del atomizador.

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finales, determina la superficie específica en contacto con los fluidos calientes y, por lo tanto, la relación de secado. Al mismo tiempo, la dimensión de las gotas, la dirección del flujo nebulizado y su velocidad determinan el tipo y la dimensión de la cámara de secado. En general, en la producción cerámica, las dimensiones de las gotas van desde unas pocas micras a 900-1000 micras con una clásica distribución estadística centrada sobre las 300-400 micras. En el tiempo medio de vida de las gotas (5-6 seg.), igual al tiempo de contacto entre las dos fases, el enérgico intercambio térmico en la interfase del líquido con el aire a más de 500 °C (los valores máximos de temperatura alcanzan 650 °C) proporciona la evaporación del agua de la gotita y la densificación consiguiente de las partes sólidas suspendidas en ella. La dimensión y la forma de secado dependen obviamente de la naturaleza de la fase sólida. Hay que señalar que el caso examinado se refiere a una pasta cerámica donde la fracción de inertes con respecto a las partes arcillosas es muy elevada. En función de las dimensiones de las gotas, los gránulos generados presentan por lo tanto varias situaciones que se pueden describir de forma esquemática como sigue (figura 22): a) Para medidas hasta 70 micras de diámetro, el secado es absoluto y las partículas más finas en forma de polvo son capturadas por el flujo de salida, del cual tendrán que ser separadas y recogidas. La fracción más pequeña también está constituida por partículas individuales de residuo de la molienda. b) Para medidas de 70-400 micras, el secado se realiza de acuerdo con los valores medios de la humedad total y se genera un gránulo ya caracterizado por la forma esferoidal con una cavidad más o menos pronunciada, que cae abajo en la zona cónica de enfriamiento, para ser recogido por el atomizador. c) Por encima de 400 micras, el secado es tal de mantener el grano con una humedad

Figura 22. Posible distribución granulométrica de una pasta atomizada y aspecto morfológico de los granos para las diferentes dimensiones.

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superior a la media global; esto se debe al reducido tiempo de permanencia del mismo en la cámara de secado, en función del propio volumen. Este gránulo grande se identifica casi totalmente con la forma típica ya representada y presenta además una fuerte tendencia a la aglomeración y a la inclusión de partículas, ambas debidas a la elevada humedad residual (figura 23).

Figura 23. Aspecto de una partícula individual y ejemplo de partículas aglomeradas.

Mecanismo de formación del grano Generalmente, la génesis de la típica forma de esfera-hueca de los granos deriva de fenómenos complejos y específicos que merecen la pena examinar a fondo. De hecho, se ha verificado que, una vez iniciado el proceso de secado, la partícula mantiene la misma trayectoria sin rotaciones, presentando, de este modo, una frente anterior de avance en la dirección del movimiento. Sobre este lado se produce el primer intercambio con los volúmenes calientes, la primera evaporación superficial violenta y el consiguiente endurecimiento de la película externa del grano en formación, con la contracción de la gota por el acercamiento de las partículas sólidas suspendidas en ella (figura 24). La figura 25 presenta, fotograma por fotograma, la secuencia de formación del grano, desde el momento de la expulsión de la gota de la tobera de nebulización. En este punto, el parámetro que determina la forma final es el tiempo de intercambio térmico entre las diferentes fases. Si el tiempo no es suficiente, el vapor que se forma en el interior, al no poder salir de la película ya endurecida demasiado uniformemente, fractura el grano que, bajo la observación microscópica, aparece con forma de cáscara de huevo rota, estratificada y de gran espesor. Si el tiempo es suficientemente largo, el vapor que se está formando en el interior puede salir del cuerpo de la gota a través de la parte posterior de la misma, que está más fría y con la película externa todavía en formación (por lo tanto de espesor inferior) y menos compacta. Es de este modo que la pared posterior se repliega sobre el interior, colapsándose, y el grano asume la característica forma redondeada perforada con una cavidad abierta manteniendo una humedad residual. Obviamente no todos los gránulos asumen la típica forma esférica, ya que se pueden 89


Figura 24. Dinámica de la formación de la partícula-hueca.

hallar, también, en un pequeño porcentaje, aglomerados y otras partículas más finas. De todas formas, es la fracción esférica que asegura los mejores resultados en términos de uniformidad y composición media, además de óptimos valores de fluidez. Es interesante observar que la distribución granulométrica del polvo seco con respecto al volumen de las gotas atomizadas por las toberas corresponde a un factor de reducción de aproximadamente 1/3. Partiendo de una barbotina con peso de litro de 1.6-1.7 kg, simplificando, la evaporación total del agua deja un sólido con un peso aparente de aproximadamente 1 kg/l, por los huecos interiores en los gránulos y entre los mismos, que responde precisamente a la contracción que las gotas sufren al secarse. Mientras acaba aquí el recorrido de las partes sólidas contenidas en la gota inicial de la barbotina, la fracción líquida que se ha transformado en vapor acuoso se aspira desde abajo, mezclándose con el aire introducido, enfriándose y cediendo el calor necesario para la evaporación. Después del paso por los ciclones y separadores en húmedo, los llamados “humos” salen por la chimenea con una temperatura y humedad controlada, arrastrando partículas sólidas residuales compatibles con los valores establecidos por la normativa ambiental vigente. La figura presenta el esquema de la transformación de las fases en cuestión (figura 26). El polvo final, mezclado con el material fino recuperado de los ciclones y tamizado, se introduce en los silos de almacenamiento. Después de un tiempo de permanencia tal de permitir la distribución uniforme de los valores de humedad y temperatura entre los gránulos, el polvo está listo para su alimentación a la prensa.

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Figura 25. BARBOTINA fase fluida líquida T 35/60° - P 20+30 bar sólido 65% líquido 35 %

HUMOS CALIENTES fase fluida aeriforme T 500/650°C aire seco CO, CO2

ATOMIZADOR

POLVO fase sólida T 40/65 °C sólido 95% líquido 5%

HUMOS FRÍOS fase fluida aeriforme T 90/115 °C aire, vapor, humos, polvo en suspensión

Figura 26. Esquematización de las características de los materiales y humos (fases) de entrada y salida del atomizador. 91


Características del polvo atomizado Morfología del grano y granulometría del polvo Como ya hemos tenido ocasión de comentar, el grano atomizado se presenta con una forma más o menos esferoidal, con una cavidad interior más o menos pronunciada; el grano contiene la humedad residual necesaria para el prensado y, generalmente, esta se encuentra dentro de dicha cavidad. En la figura 27 se puede comparar la morfología de los granos de un semielaborado atomizado con la de un polvo molturado en seco. En el caso del atomizado se aprecia un conjunto de granos esferoidales de diferentes dimensiones; en el otro, un aglomerado compuesto por partículas en forma de aguja y aciculares. Es fácil prever para los dos semielaborados una diferente carga de los moldes; el primer caso debe considerarse ciertamente más favorable. Dimensiones Las dimensiones de los granos que en su conjunto constituyen el polvo atomizado se sitúan entre 100 y 600 micras, con una distribución estadística muy pronunciada en el intervalo entre 300 y 180 micras. Sin embargo, la mayor concentración de partículas se encuentra generalmente en el intervalo granulométrico entre 300 y 250 micras (figura 22). Los tres factores: - morfología del grano; - contenido de humedad residual; - distribución granulométrica de las partículas: son muy importantes a la hora de definir la “aptitud a la fluencia” del polvo mismo, característica que reviste un papel fundamental en el proceso de prensado, ya que condiciona su carga en los moldes. En líneas generales, la granulometría del polvo atomizado de diferentes pastas como la monococción gresificada (clara y roja), monococción porosa y gres porcelánico, se

Figura 27. Comparación entre la morfología de los granos de un semielaborado atomizado y la de un polvo molturado en seco.

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puede considerar similar. En efecto, la distribución granulométrica de los semielaborados depende de las características físicas de la barbotina (viscosidad y densidad) y no tanto de la composición de la pasta. En este sentido, la tabla 1 detalla la distribución granulométrica del atomizado de diferentes pastas con relación a las producciones industriales.

GRANULOMETRÍA mallas/cm2 superior a

µm

inferior a Disperso Total Diám. medio aprox. Distribución granulométrica de varios polvos atomizados (pastas diferentes). Nota: los atomizados clasificados con números diferentes corresponden a un gran porcentaje de semielaborados industriales: 1 monococción gresificada blanca, 2 monococción gresificada roja, 3 monococción porosa roja y 4 gres porcelánico.

Tabla 1. Distribución granulométrica de varios polvos atomizados (pastas diferentes).

Aptitud a la fluencia del polvo La aptitud a la fluencia del polvo atomizado reviste un papel fundamental en el proceso de conformación, ya que es uno de los factores determinantes en la eficacia de la carga de los moldes. Conceptualmente, la medida de la fluencia del polvo implica diferentes factores como: dimensión de las partículas, distribución granulométrica, peso específico, forma, adherencia recíproca, grado de empaquetado. Sin embargo, en la práctica, la medida de la fluencia puede realizarse midiendo el tiempo empleado por el polvo para fluir desde un recipiente en forma de embudo. En el caso del polvo cerámico, el instrumento propuesto por AICE se compone de un embudo de volumen conocido (figura 28). Se llena el embudo completamente al ras con el polvo y se mide entonces el tiempo necesario para su vaciado, controlando a continuación también el peso. La medida permite conocer y evaluar las siguientes magnitudes: - fluidez relativa al volumen (expresada en cm3/s); se obtiene dividiendo el valor del 93


alimentador clasificador

embudo de medición

temporizador

fotocélula

balanza

Figura 28. Diseño esquemático del dispositivo propuesto para la medida de la fluencia del polvo.

volumen del embudo por el tiempo de vaciado; - densidad aparente (expresada en g/cm3); se determina a partir de la relación del peso de polvo relativo al volumen ocupado (volumen del embudo); - ángulo de caída (expresado en grados); se mide el ángulo del cono formado por el polvo salido del embudo. Los ensayos efectuados sobre el atomizado de composiciones diferentes, procedentes de diferentes fabricantes, han evidenciado valores de fluidez/volumen y fluidez/masa muy similares. Se ha verificado, en cambio, que el factor que más influye en la fluencia es la humedad residual del atomizado, en el sentido que esta disminuye al aumentar la humedad del polvo (tabla 2). Se han comprobado valores de fluencia ligeramente diferentes en el caso de mezclas diseñadas en el laboratorio al mezclar fracciones granulométricas muy diferentes (tabla 3). Al analizar los datos de esta tabla, podemos extraer las siguientes conclusiones: la Humedad del polvo Fluidez rel. al VOLUMEN cm3/s Fluidez rel. a la MASA g/s Densidad aparente g/cm3 Ángulo de caída º Tabla 2. Medidas de fluencia de los polvos atomizados que presentan diferentes valores de humedad residual. 94


Tabla 3. Medidas de fluencia de un atomizado y de algunas mezclas de granos preparadas artificialmente (diferentes distribuciones granulométricas). 95


mezcla constituida por una preponderancia de la fracción “media” presenta una fluencia superior con respecto a las otras mezclas clasificadas “grande” y “fina.” Variaciones de las características físicas del polvo atomizado El polvo atomizado debe presentar determinadas características de humedad y granulometría para ser empleado con resultados satisfactorios en las sucesivas fases de elaboración. En líneas generales, la granulometría del polvo atomizado de las diferentes pastas, como de monococción gresificada, monococción porosa, gres porcelánico, puede considerarse similar, como ya hemos visto. La humedad residual del atomizado puede variar del 4 al 7% en función de las características de plasticidad de la pasta. Es posible intervenir, en cierta medida, sobre algunas variables relacionadas con las condiciones de trabajo del atomizador, así como algunos parámetros de la barbotina, por ejemplo, para modificar y optimizar la granulometría, humedad residual, producción del atomizador, cantidad de polvo que va a la chimenea y temperatura del atomizado. En la figura 29 se puede observar la incidencia de las variables (causa) sobre los parámetros característicos del proceso de atomización (efecto). El cuadro presenta claramente unos comportamientos que deben ser interpretados como tendencias y, por lo tanto, no en términos absolutos, en cuanto que las variables de causa-efecto se enumeran por separado, mientras en la producción estas variables interaccionan de manera sinérgica. En la práctica industrial se suelen realizar múltiples maniobras al mismo tiempo y, por consiguiente, el resultado final es un valor sinérgico entre los diferentes comportamientos. Relaciones que regulan las condiciones de trabajo de los atomizadores A continuación se describen las relaciones de carácter teórico más significativas que regulan las condiciones de trabajo de los atomizadores. Los diagramas representados en las figuras 30 y 31 han sido obtenidos con la nebulización de agua; sin embargo, los resultados pueden considerarse similares también en el caso de la pulverización de la barbotina. En este último caso se podrán hallar ángulos de pulverización similares y caudales volumétricos inferiores. Relaciones que regulan los caudales El caudal volumétrico de la barbotina es proporcional a su densidad. Caudal volumétrico ∝

96

1 √densidad


Figura 29. Variables que controlan y condicionan el proceso de atomización. Comparación entre la barbotina y el agua Torreta 15-7; espiral 13-6 p= 20 bar

Caudal

Barbotina agua

Diámetro tobera

Figura 30. Variación del caudal en el caso de uso de toberas de diámetro diferente.

Ángulo cono

Comparación producción con barbotina Torreta 15-7; p= 20 bar

espiral 10-4 espiral 13-6

Diámetro tobera

Figura 31. Variación del ángulo del cono en el caso de uso de toberas de diámetro diferente. 97


ba.

Por otra parte, el caudal volumétrico o másico es proporcional a la presión de la bomCaudal volumétrico ∝ √ presión bomba

El caudal aumenta al aumentar la luz libre en la espiral. La figura 32 presenta en la ordenada los valores de la variación de los caudales en el caso del uso de una espiral con alturas diferentes, relacionados con la adopción de toberas con diámetros diferentes (abscisa). Relaciones que regulan la granulometría En el caso del uso de presiones más altas, se puede obtener una granulometría inferior. Mayor presión barbotina ⇒ granulometría menor En el caso de una viscosidad más elevada, se puede obtener una granulometría superior. Mayor viscosidad ⇒ granulometría mayor Para una temperatura del aire superior se puede obtener una granulometría inferior. Temperatura del aire más alta ⇒ granulometría menor Consumo energético La contención del coste energético en la fase de secado de una barbotina por atomización depende de diferentes factores, de tipo ingenieril y tecnológico. Entre los más importantes podemos destacar: - Tipo de atomizador y su dimensión. - Continuidad de la elaboración. - Estado de la máquina y de algunos dispositivos fundamentales como los quemadores, ventiladores, sistemas de aislamiento… - Optimización de las condiciones generales de trabajo. - Características tecnológicas de la barbotina (densidad, viscosidad, velocidad de secado de las gotas…). La optimización de los consumos energéticos de un atomizador y, por lo tanto, del consumo específico mínimo relativo (kcal/kg) además de la capacidad productiva del mismo, expresada en kg/h, depende esencialmente de dos factores: - porcentaje de sólidos contenido en la barbotina; - temperatura de entrada del aire caliente. Esquematización del balance térmico de un atomizador En la figura 32 se presenta un esquema del balance térmico y de material del secadero por pulverización. 98


aire de dilución

calor utilizado para la evaporación del agua

aire de combustión generación de aire caliente combustible

pérdida de calor por la pared

calor introducido

pérdida de calor con el aire expulsado

pérdida de calor con el atomizado aire de dilución aire de combustión

aire de secado generación de aire caliente

combustible

aire expulsado

materia prima seca agua aire seco

barbotina

atomizado

aire falso de la salida del atomizado

Figura 32. Balance térmico (de energía y material)

Cabe destacar que el calor utilizado efectivamente para la evaporación del agua no es mucho más que la mitad del calor total introducido; la parte restante se dispersa en el ambiente, principalmente por las paredes y con el aire expulsado, pero también, aunque en una pequeña parte, en el producto secado. El consumo específico de combustible en el secadero por pulverización depende de los parámetros de operación (en particular de la temperatura de secado), del tipo de material a secar, en particular como ya mencionado, del contenido de agua de la barbotina, y, por lo tanto, de la cantidad de agua a evaporar y eliminar, y de las características constructivas del secadero. Como se puede observar en la tabla 4, para el secadero por pulverización, como promedio, se puede asumir un consumo específico térmico óptimo de unos 450 kcal/kg. 99


Parámetros fundamentales y ejemplos para evaluar el consumo energético y la capacidad productiva de un atomizador Cálculo del consumo térmico Los parámetros y los datos a considerar para evaluar el consumo térmico se detallan en la tabla a continuación (tabla 4). Por lo tanto, el consumo específico medio de energía térmica es el siguiente: Ge,A · Q qA= ————— = 438.5 kcal/kg Gp

ATM

Gp

Kg/h

Producción por hora de polvo de prensa

Ub

1/kg

Humedad de la barbotina

0.35

Up

1/kg

Humedad del polvo de prensa

---

Q

Kcal/l

Consumo específico medio de energía térmica por litro de agua evaporada

1000

Ge

1/h

Caudal por hora de agua a evaporar

Ge,A

Q

Kcal/kg

Consumo específico medio de energía térmica por kg de polvo de prensa

Tabla 4.

100

10000

qA


Método práctico para calcular la capacidad de evaporación de un atomizador La capacidad de evaporación es el parámetro característico del atomizador que con más inmediatez permite verificar la eficacia y el grado de rendimiento de la máquina, con respecto a su potencial. En la tabla se indica una serie de fórmulas que permiten establecer el valor del agua evaporada por el atomizador (tabla 5). H2O ev. = Pf X Y Ui% – Uf% Y = —————— 100 – Ui% H2O ev. Pf = ————— Y Descripción de los símbolos: Ui% Agua contenida en la barbotina Uf% Agua contenida en el producto atomizado Pf Producto final atomizado, incluida la humedad residual H2O ev. Agua evaporada Y Coeficiente para calcular el agua evaporada

Cálculo del dimensionado y producción del atomizador Muy a menudo se presenta la necesidad de conocer los datos reales de la productividad requerida del atomizador, para dimensionar la máquina en función de la necesidad efectiva de la instalación, así como para verificar su producción durante el funcionamiento normal. Examinaremos dos ejemplos que permiten solucionar algunos casos de dimensionado. 1 - Conociendo la producción por hora del polvo húmedo, establecer la cantidad de agua evaporada del atomizador. a) Datos conocidos = 6800 kg/h Qp - cantidad de polvo húmedo Up - humedad del polvo = 6% H2O - agua en la barbotina de la balsa = 38%

101


Tabla 5. Tabla para calcular la capacidad de evaporación de un ATM y la cantidad de producto atomizado.

b) Cálculo: - Determinación de la cantidad de polvo seco producido (Qs): Qs = 6800 × 94/100 = 6392 kg/h Siendo 94 dado a partir del (100-%) de agua contenida en el polvo atomizado. Asimismo resulta que la cantidad de agua contenida en el polvo húmedo y, por lo tanto, no evaporada por el atomizador es: 6800 - 6392 = 408 l de H2O/h - Determinación de la cantidad de agua contenida en una barbotina con 38% de agua compuesta de 6392 kg de material seco 38: 62 = × : 6392 × = 3917 l de H2O/h 102


siendo: 38 = % de agua en la barbotina 62 = % de material seco contenido en la barbotina - Determinación de la cantidad de agua evaporada efectivamente por el atomizador. 3917 - 408 = 3509 l de H2O/h Nota: Este cálculo también sirve para establecer la capacidad de evaporación requerida por el atomizador a incorporar en una planta con una capacidad determinada. 2)- Conociendo la capacidad de evaporación del atomizador, establecer la cantidad de polvo atomizado húmedo producido. a) Datos conocidos = 3500 l/h - capacidad de evaporación del atomizador - humedad del polvo atomizado = 6% - agua en la barbotina = 38% b) Cálculo - Determinación del porcentaje aparente de material seco y de agua de la barbotina. 62 : 94 / 100 = 65.95% (material seco) Siendo 94 dado a partir del (100-%) de agua contenida en el polvo atomizado. - Determinación de la producción por hora de polvo atomizado con el 6% de humedad

siendo: 34.043 65.95 3500

34.043 : 65.95 = 3500: × × = 6798 kg/h = % de agua a evaporar = % aparente de material seco en la barbotina = capacidad de evaporación del atomizador en l/h de agua

Ahorro energético Se puede obtener un ahorro energético en la fase de atomización mediante la modificación de las condiciones de trabajo de la máquina y los parámetros tecnológicos de la barbotina. En particular, las variables que pueden contribuir a un ahorro energético importante son: a) temperatura del aire caliente de entrada; b) diferencia de temperatura entre el aire de entrada y la temperatura del producto de salida; c) reciclado del aire; d) aumento del porcentaje de material sólido. 103


a) Temperatura del aire caliente de entrada El aumento de la temperatura del aire de entrada disminuye el contenido de energía térmica necesario para el secado de la barbotina, sin embargo sin modificar el caudal del aire de entrada. Si, por otro lado, se mantiene constante la temperatura del aire expulsado del atomizador, cuanto más pequeño es el caudal del aire caliente, menor será la pérdida energética por la chimenea, con el aumento consiguiente del rendimiento térmico. En la figura 33 a continuación se aprecia la variación del consumo específico con el aumento de la temperatura del aire caliente de entrada.

Consumo energético (kcal/kg de agua evaporada)

b) Diferencia de temperatura entre el aire de entrada y temperatura del aire de salida Cuanto mayor es la diferencia entre la temperatura del aire de entrada con respecto a la de salida, menor será el consumo energético con respecto a la unidad de producto. Esta diferencia de temperatura puede obtenerse aumentando la temperatura del aire de entrada o disminuyendo la de salida.

Temperatura de entrada (ºC)

Figura 33. Variación del consumo específico de un atomizador relacionado con la temperatura del aire. 104


c) Reciclado de aire En la mayoría de los casos, el aire de salida del atomizador se emite a la atmósfera. Esto significa sin duda una pérdida de energía, especialmente si la temperatura de los humos es alta (superior a 120 °C). El reciclado de una parte del aire de salida (del 10 al 50%) podría comportar una clara reducción del consumo energético. La inmisión de porcentajes más altos, superiores al 50%, llevaría en cambio a un estado higrométrico del aire tal que influiría en la velocidad de secado de las “gotas” nebulizadas. En los casos más interesantes se ha obtenido hasta un 20% de ahorro energético utilizando la técnica de la recirculación del aire que presentaba una temperatura de 120 °C. d) Aumento del porcentaje de material sólido El aumento del porcentaje de material sólido en una barbotina conduce a una disminución importante de los consumos energéticos; sin embargo, esta vía no es siempre practicable en cuanto que el aumento inusual del porcentaje de sólidos puede llevar a valores de viscosidad que impiden la descarga de la barbotina del molino. En todo caso, se puede recuperar siempre el material atomizado perdido en las varias fases de elaboración (por ejemplo en la fase de tamizado o prensado), o el polvo fino separado por los ciclones. Este material que, generalmente, en una producción normal puede alcanzar valores que oscilan entre 3-5%, puede incorporarse en la balsa de agitación, obviando así el problema de la descarga del molino. De todas formas, es importante comprobar que la incorporación de esta otra parte sólida no produzca variaciones excesivas en la viscosidad y tixotropía de la barbotina, creando problemas en la fase de atomización. En el caso del enriquecimiento con polvo atomizado o polvos separados por los ciclones en la balsa de barbotina del atomizador, se pueden obtener valores de ahorro energético del orden de 3 y 7%. Recuperación de energía Asimismo, a raíz de la incentivación legislativa, donde el dimensionado y la importancia de la planta de atomización lo permitan, es posible integrar la planta misma en un sistema de cogeneración. Dicho sistema usa el exceso de calor producido por un generador eléctrico (humos de turbina o de motor de combustión) como aire caliente para el atomizador. A continuación, se puede utilizar la energía eléctrica para usos interiores o, si se genera en exceso, para su reincorporación en la red pública. Por otra parte, es evidente que en el caso que un sistema de cogeneración proporcionara una corriente de aire caliente, a través de un adecuado sistema de recuperación, se tendría, a igualdad de temperatura y caudal del aire necesario, una considerable disminución del consumo de combustible correspondiente al contenido calorífico.

105


106

Prensado

Capítulo III PRENSADO

Introducción El prensado es la fase de producción donde se conforman los productos cerámicos mediante la compactación del polvo granulado semiseco. Durante el prensado se realizan tres operaciones fundamentales: - conformación de la baldosa: en el sentido de dar al producto semielaborado una geometría propia, bien definida; - compactación del polvo: en el sentido de conferir a la pieza unas determinadas características mecánicas; - densificación del polvo: en el sentido de limitar los huecos en el cuerpo prensado. Con respecto a los demás sistemas de conformación como la extrusión, colado, etc., el prensado presenta notables ventajas: - alta productividad; - elevada repetibilidad de los parámetros dimensionales; - facilidad de secado de las piezas; - contención de la contracción de secado y en cocido. Sistemas de prensado El material a someter a prensado se humecta de manera uniforme para conferir plasticidad al sistema y facilitar así la cohesión entre las diferentes partículas que componen el conjunto. En función del porcentaje de agua, la conformación puede realizarse en diferentes condiciones: - Prensado en estado plástico: en este caso, la mezcla presenta un porcentaje de agua residual del 20÷25%. Para la conformación de las piezas (p. ej. tejas extruidas), se utilizan moldes metálicos con superficies muy pulidas. En este caso concreto, la masa plástica se introduce en los moldes en forma de lámina, con un espesor más o menos elevado, en función de las medidas de la pieza final. - Prensado en “estado semiseco”: en este caso, los polvos presentan una humedad residual del orden de 10÷15%. - Prensado en estado seco y/o semiseco: en este caso, la humedad del polvo puede oscilar del 3 al 7%. El material semielaborado se utiliza generalmente en forma de polvos incoherentes, que presentan una morfología y dimensión de “grano” diferente. En todo caso, las partículas deben presentar una buena fluencia. 107


Esta característica depende esencialmente de la forma del “grano” y, por lo tanto, del tipo de preparación, es decir: - molienda en seco seguida de la oportuna granulación; - atomización de una suspensión cerámica (barbotina). A la acción de compactación y densificación del polvo favorece obviamente, además de la carga máxima aplicada por la prensa, la plasticidad intrínseca de la pasta y la humedad y distribución granulométrica del polvo. La acción de prensado puede realizarse con tres tipos fundamentales de prensa, en función del principio mecánico de aplicación de la energía: - prensas mecánicas; - prensas hidráulicas; - prensas isostáticas. Prensado en estado semiseco Diferentes tipos de prensa En la producción industrial de baldosas con prensado del polvo en estado semiseco, se emplean prensas completamente automatizadas. Como referencia “histórica” podemos señalar que, además de las prensas hidráulicas, en la producción industrial, se utilizaron hace tiempo prensas de funcionamiento mecánico conocidas como prensas de rodillera y prensas de fricción. Prensa de rodillera Esta prensa es esencialmente de tipo mecánico y cuenta con un sistema de control de la traviesa móvil constituido por dos bielas unidas entre sí, en modo de reproducir la articulación de la rodilla. Con este tipo de prensa, el prensado se desarrolla con una velocidad progresivamente decreciente de bajada del punzón, a medida que aumenta la presión (figura 1). Prensa de fricción Las prensas mecánicas del tipo de fricción desarrollan su acción de manera veloz y violenta, a través de una acción dinámica (impacto) instantánea. La bajada y la subida del árbol, que transmite el movimiento a la traviesa móvil, están controladas por dos discos verticales colocados lateralmente al volante encajado sobre el tornillo (figura 2). A estos discos se da un movimiento rotatorio por el eje motor horizontal que los conecta. El contacto con el volante tiene lugar primero con un disco y después con el otro, de forma que lo mismo gira respectivamente en un sentido o en el opuesto; por consiguiente, la parte final del tornillo desciende o se levanta. La prensa de fricción es 108

Prensado

Figura 1. Diseño esquemático de una prensa de rodillera.

Figura 2. Diseño esquemático de una prensa de fricción.

una máquina de elevada producción (incluso 30 ciclos por minuto), lo que representa también una óptima relación de capacidad productiva, con relación a la potencia eléctrica instalada. Es una máquina de concepción mecánica sencilla, de fácil mantenimiento. El límite de esta máquina estaba en la dificultad de asegurar un prensado uniforme y constante en el tiempo. Por esta razón, hoy ha sido abandonada completamente y ha sido reemplazada por sistemas de prensado hidráulicos más fiables. 109


Prensa hidráulica La prensa hidráulica funciona de acuerdo con un principio oleodinámico que utiliza la acción de un fluido bajo una presión aplicada dentro de un cilindro. El principio de funcionamiento de la prensa hidráulica se basa en el incremento de presión que se obtiene cuando la presión aplicada por una sutil columna de fluido está comunicada con un cilindro provisto de un pistón de sección mucho más grande. En este último pistón se obtiene una fuerza total cuyo valor aumenta, con respecto a la fuerza aplicada en el cilindro sutil, a medida que incrementa la sección del cilindro grande con respecto a la del cilindro pequeño. En las prensas de reciente construcción, se utilizan aceitas con particulares características de viscosidad como fluido de presión. Un sistema central hidráulico tiene la función de proveer el aceite bajo presión, el cual, una vez introducido en el cilindro de trabajo, se encarga de ejercer sobre el material la fuerza de compresión del acumulador y del multiplicador. El sistema central hidráulico está constituido por dos circuitos independientes, uno de alta presión, destinado a servir los elementos de empuje, y otro de baja presión, para los servicios auxiliares. En el cuerpo superior de la prensa se encuentra instalado un grupo cilíndrico de efecto simple o doble para transmitir al carro los desplazamientos verticales y para aplicar, en el momento adecuado, la fuerza de alta presión sobre los punzones. En síntesis, la acción de prensado se lleva a cabo mediante la transformación de la presión hidráulica en fuerza de deformación, de acuerdo con la siguiente fórmula: F=S×P siendo: F = fuerza de deformación (en kg) S = superficie (en cm2) P = presión del aceite (en kg/cm2) Las características fundamentales de la prensa hidráulica son: - uniformidad de distribución de la fuerza de compresión; - absoluta repetitividad en el tiempo de los ciclos de prensado. Las particularidades indicadas convierten la prensa hidráulica en especialmente apropiada para su uso en la industria con un alto grado de automatización y, por lo que se refiere a las exigencias técnicas de los productos acabados, para el prensado de productos que presentan elevados valores de contracción en cocido. Requisitos de una prensa moderna Los requisitos principales que debe poseer una prensa moderna para la cerámica son: - fiabilidad; - productividad; 110

Prensado

- automatización; - flexibilidad; - precisión en las fases individuales del ciclo de trabajo; - máximo ahorro energético; - versatilidad. Con este último término se entiende la posibilidad de elegir entre un ciclo de trabajo con máximo ahorro energético y un ciclo de máxima velocidad. Para una descripción sintética de la “prensa” articulada en sus componentes esenciales, referimos al lector, naturalmente, a los manuales técnicos de cada máquina: cabe destacar, en todo caso, que una máquina para el prensado en seco está constituida por la prensa misma, además de los dispositivos complementarios, igualmente importantes para el prensado, como: - dispositivos para la carga del polvo; - carga de la prensa; - moldes; - dispositivos de despulverización y recogida de polvo.

Figura 3. Diseño esquemático de una prensa hidráulica de primera generación.

Diferentes tipologías de prensa El mercado de la producción de baldosas cerámicas requiere, sustancialmente, tres diferentes gamas de máquinas: 1. Prensas para pequeños formatos y para piezas especiales. Son máquinas que funcionan a bajo tonelaje (<500 toneladas), equipadas con controles muy sofisticados, con movimentación de la traviesa, del carro de alimentación, etc., más articulada. Los moldes son complejos y la extracción de la pieza conformada puede ocurrir, eventualmente, con movimientos de la matriz. La fuerza de prensado puede aplicarse 111


Figura 4. Prensa hidráulica de nueva generación (serie 2000).

también sobre el eje horizontal, con molde cerrado, así como la carga. Generalmente, las potencias instaladas son pequeñas (20 o 30 kW). 2. Prensas para piezas de dimensiones corrientes, es decir, para el prensado de formatos, hasta hoy de aproximadamente 40 × 40 cm, para la monococción de pavimentos o revestimientos; estas cubren la mayor parte del mercado y trabajan con valores máximos de unas 600 a 4000 toneladas; estas máquinas se caracterizan por una elevada productividad (hasta 18-20 ciclos de prensado completo por minuto) y flexibilidad, para responder a la creciente variabilidad de los lotes de producción, que prevé también cambios de formato más veces a la semana. Por este motivo, deben permitir la realización de las operaciones de cambio de molde, adaptación del carro o sistema de alimentación y regulación de la maquina con la máxima sencillez y velocidad. En estas prensas, la carga del polvo mediante el carro con parrilla tradicional se considera ya anticuada y puede ser reemplazada por parrillas flotantes, soportadas directamente por insertos antifricción en la matriz del molde. De este modo, el carro y la pequeña tolva de carga son siempre los mismos; así, con el cambio de formato, es suficiente reemplazar la parrilla (figuras 5 y 6). 3. Prensas para formatos medio-grandes. En la gama de estos tipos de baldosas, o para la conformación de piezas de tamaño más grande (por ejemplo 30 × 60, 60 × 60 o superior), o baldosas decoradas en prensa y no destinadas al esmaltado, debe ser posible realizar el prensado en ciclos más ralentizados sin penalizaciones energéticas. Por este motivo, también se han desarrollado prensas idóneas de productividad inferior, siendo la producción de baldosas de tamaño medio-grande de este tipo cada vez más relevante. El sistema oleodinámico está dotado de una regulación 112

Prensado

Figura 5. Sistema de carga tradicional.

Figura 6. Sistema de carga con parrilla flotante.

con válvulas proporcionales o servoválvulas, y ya no más con sistemas de circuito conectado/desconectado, como en los anteriores modelos. Esto también contribuye a poder trabajar y efectuar variaciones de consigna mediante sistemas electrónicos especiales de reseteado, manteniendo un control de la máquina en régimen de calidad, con los oportunos procedimientos de salvaguardia y cautela. Normalmente, la estructura es portante, con columnas, y/o soldada. En la gama de 600 a 1500 toneladas existen estructuras con columnas, generalmente columnas precargadas (para contrarrestar el alargamiento normal de la estructura en el momento de la carga máxima), o realizadas con chapa de anillo, mediante anillos unidos por soldadura o con barra fileteada. 113


4. Prensas para formatos grandes. Estas máquinas (figura 7) aplican cargas entre 4000 y >7000 toneladas (cargas específicas medias sobre el material entre 400 y 650 kg/ cm2 en función de la superficie sobre la que se aplica la presión; se usan solo presiones superiores para pastas muy magras o en granulados muy densos), y se caracterizan por grandes luces y, obviamente, por sus correspondientes accesorios (carros, moldes…) especiales. Sirven para realizar ya no baldosas, sino láminas cerámicas de gran formato (p. ej. 120 × 180 cm), para cuya fabricación no se exige en primer lugar la velocidad, sino la fiabilidad. Los sistemas de alimentación son muy particulares para asegurar una buena homogeneidad de distribución del polvo; los moldes están organizados por piezas, para permitir su movimentación con las habituales carretillas elevadoras en condiciones de perturbación de línea aceptables. Los ciclos de producción bajan hasta valores incluso inferiores a los 10 por minuto. Dispositivos de la máquina Extractor Los extractores de nuevo tipo con astas han contribuido en gran medida a incrementar la flexibilidad de la máquina: en efecto, se ha pasado desde los tradicionales, con astas, instalados bajo la prensa a los montados sobre el banco, directamente debajo del molde, obteniendo una mayor precisión de movimiento, debida a las astas más cortas; el sistema oleodinámico proporcional, junto con la multiplicación de los elementos elevadores, que han pasado de uno a al menos dos, mejora el desarrollo de la operación de extracción. Para obtener la máxima flexibilidad de producción se han realizado luego extractores integrados en el molde mismo, para que fuera posible la regulación del molde al exterior de la prensa, reduciendo así el tiempo de parada de la línea.

Figura 7. Prensa hidráulica para grandes formatos PH 7200.

114

Prensado

Estructura de la máquina La figura 8 presenta los componentes esenciales de la prensa. 1. Estructura portante 2. Traviesa móvil 3. Traviesa fija con cilindro oleodinámico 4. Pistón oleodinámico 5. Filtrado del aire del molde 6. Extractor tradicional (como alternativa al extractor SMU) 7. Multiplicador 8. Extractor oleodinámico SMU (como alternativa al extractor tradicional) 9. Soporte carro 10. Carro 11. Tolva 14. Motorreductor carro 15. Parada mecánica, protecciones 16. Capas de aspiración 17. Amortiguador con muelle 18. Cableado oleodinámico 19. Recogida escapes 20 Placa elementos lógicos 21.1 Placa acumuladores 21.2 Grupo de frenado 22. Control extractor y carro 27. Sistema central oleodinámico 28. Bomba de motor enfriamiento 29. Protecciones 30. Cableado eléctrico 31. Automatismo microprocesador 32. Cabina eléctrica 33. Control posición traviesa

Figura 8. Elementos esenciales que constituyen una prensa hidráulica.

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Diferentes tipos de moldes utilizados para la conformación de las piezas. Los moldes tradicionales utilizados para la conformación de las baldosas se distinguen, en función de las características de funcionamiento, en diferentes tipologías, como moldes de punzón entrante y moldes de espejo. Moldes de punzón entrante Es la solución tecnológica más extendida. Durante el prensado, los punzones superiores, sujetos en la traviesa móvil de la prensa, penetran dentro de los alvéolos correspondientes de la matriz, que se encuentra fijada rígidamente en la parte inferior del molde, mientras que la extracción del producto se debe al levantamiento de los punzones inferiores. La figura 9 presenta un ejemplo de una parte del molde (tipo punzón entrante), donde se aprecian los diferentes componentes, plaquetas y punzones.

Figura 9. Esquema de un molde de punzón entrante: 1) punzón superior, 2) punzón inferior, 3) caja del molde.

Moldes de espejo En este caso en cambio, los punzones superiores se apoyan sobre la matriz, la cual, a su vez, es móvil con respecto al molde, estando unida a la parte inferior con sistemas elásticos (figura 10). Los moldes de espejo se caracterizan, por lo tanto, por el movimiento de traslación de la matriz debido a la fuerza aplicada por los punzones superiores sobre la matriz misma. El molde de espejo permite salvaguardar la cara vista de la baldosa del arrastre sobre la matriz del molde, pero no permite realizar el pequeño borde espaciador. La vida útil del punzón superior y de la plaqueta resulta notablemente superior a la del molde de punzón entrante. El molde de espejo debe considerarse, sin duda, más complejo en cuanto a diseño, más caro y relativamente más difícil en el montaje, comparado con el tipo de punzón entrante. 116

Prensado

Figura 10. Esquema de un molde de espejo: 1) punzón superior, 2) punzón inferior, 3) caja del molde, 4) placa de unión, 6) empujador.

Molde de conformación superior Con el gran aumento de la demanda de posicionamiento hacia arriba de la cara vista de la baldosa, también en función de la creciente aplicación de la decoración en la prensa, se han consolidado rápidamente otros tipos de molde, que permiten, mediante una adecuada gestión mecánica de los punzones y las paredes del molde, obtener baldosas de cara vista hacia arriba con espaciador lateral. Estos moldes presentan un gran contenido tecnológico y son los únicos que permiten fabricar baldosas con espaciador, donde el lado del pequeño borde está para arriba y, por lo tanto, no tiene contacto con la matriz en la fase de extracción (figura 10a) Este tipo de molde permite la resolución de muchos problemas tecnológicos y estéticos, permitiendo la fabricación de productos de alta calidad como el gres porcelánico de grano grande, donde las partículas más grandes permanecen en las capas superiores.

Figura 10a. Esquema de un molde de conformación superior: 1) punzón superior, 2) punzón inferior, 3) caja del molde superior 4) caja del molde inferior, 5) empujador.

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Molde de espejo con sistemas de empuje Para los formatos particularmente grandes, que presentan problemas más marcados de dilatación en prensado, se han diseñado sistemas de prensado al ras de la matriz, con la interposición de espaciadores entre la matriz y el punzón, para facilitar la desgasificación en la fase de compactación; las realizaciones mecánicas se han optimizado y no requieren operaciones de centrado (figura 11). El desarrollo de procedimientos de decoración en prensa cada vez más sofisticados, especialmente para el gres porcelánico, ha llevado al diseño de extractores ajustables en múltiples posiciones diferentes, gestionados de forma electrónica.

TRAVIESA MÓVIL

AJUSTES REGULACIÓN LUZ EMPUJADOR

LUZ

PLACA DE ESPEJO

PUNZÓN INFERIOR

MATRIZ PLAQUETAS SOPORTE HIDRÁULICO BANCO

Figura 11. Esquema del molde de espejo con empujador.

Moldes isostáticos Para optimizar la homogeneidad de carga en toda la superficie, desde hace bastante tiempo se han desarrollado moldes, llamados isostáticos o, más propiamente, de “efecto isostático”, que han reducido notablemente la defectología de las baldosas acabadas, donde la acción de compresión se aplica mediante un punzón dotado de un dorso rígido y una parte frontal realizada con polímeros duros aunque deformables, en contacto con el polvo a prensar, separados por una cámara con un fluido no comprimible. La figura 12 representa el principio de funcionamiento de estos punzones. 118

Prensado

Figura 12. Principios de funcionamiento del molde isostático.

Figura 13. Esquema de un punzón isostático de uso industrial.

Fases de prensado A continuación, de forma general, se describen las diferentes fases de conformación, es decir: carga, prensado, expulsión para los diferentes tipos de molde. El ciclo de prensado inicia con la expulsión de la baldosa, conformada en la anterior operación de prensado mediante el levantamiento de los punzones inferiores desde el fondo de la matriz hasta el nivel del plano. En las figuras 14, 15 y 16 se observa la representación esquemática de las diferentes fases de prensado, carga, prensado, expulsión, en el caso de los moldes de punzón entrante, de espejo y de conformación superior. El avance del carro alimentador dotado de la parrilla empuja las baldosas fuera de la matriz y, después de la bajada de los punzones inferiores (primera bajada), llena completamente de polvo los alvéolos cuando el caro ha vuelto a la posición de reposo. El punzón inferior desciende a otra porción (segunda bajada) y se inicia la caída de la traviesa. La primera compresión del material no es violenta, siendo su función principal aquella de expulsar el aire presente entre las partículas de polvo (desaeración). En cambio, la segunda compresión es la de la conformación verdadera, capaz de conferir al material la compacidad deseada. Entonces, el ciclo se repite con la expulsión de la baldosa y el llenado de nuevo de los alvéolos. Ha sido posible calcular (temporizar) los tiempos de todas estas operaciones y, por lo tanto, automatizar todos los movimientos, registrando, desde 119

Tecnología cerámica aplicada Molde de espejo de tipo tradicional Carga

Prensado

Expulsión

Figura 14. Secuencia de las diferentes fases de conformación en el caso del molde con punzón entrante. Molde de punzón entrante Carga

Prensado

Expulsión

Figura 15. Secuencia de las diferentes fases de conformación en el caso del molde de espejo. Molde de conformación superior S.F.S Carga

Prensado

Expulsión

Figura 16. Secuencia de las diferentes fases de conformación en el caso del molde de conformación superior.

determinados puntos de la prensa, los impulsos eléctricos mediante los oportunos sensores de proximidad. Estos impulsos son conmutados en un sistema electrónico central que, al reconocer la operación que la prensa está ejecutando en aquel momento, establece la operación siguiente y los tiempos de ejecución, transmitiendo los impulsos al sistema hidráulico que acciona los mandos de la prensa. Principales elementos que constituyen el molde Los principales componentes del molde son: - Punzón superior. - Punzón inferior. - Caja del molde. 120

Prensado

Para un conocimiento más detallado de todos los elementos descritos anteriormente, referimos al lector a la documentación específica. De todas formas, a continuación se presenta una breve reseña de las principales características que distinguen los varios punzones que pueden utilizarse. Diferentes tipos de punzón Acero templado y pulido Estos suelen utilizarse para las aplicaciones donde se requiere un elevado grado de acabado superficial y una alta resistencia al desgaste. El pulido permite la obtención de baldosas con una superficie de alta calidad; por lo tanto, es particularmente indicado para el prensado del gres porcelánico. Revestidos de caucho moldeado Disponibles en varias durezas. Con este revestimiento no se necesita una limpieza sistemática de los punzones. La aplicación del caucho es ideal para obtener cualquier tipo de diseño superficial, superficies estructuradas, rústicos. El revestimiento superficial excluye el uso de cepillos para la limpieza de los punzones. Este revestimiento permite realizar económicamente efectos superficiales especialmente complejos. Revestidos de resina colada Como en el caso anterior, se reducen drásticamente los tiempos de limpieza. A diferencia del revestimiento de caucho, el revestimiento de resina permite obtener, mediante rectificación, superficies perfectamente planas. Punzón isostático Punzón de molde de efecto compensador que aprovecha, como ya indicado, las características de incompresibilidad del aceite presente en las canalizaciones realizadas dentro del punzón. Características del polvo cerámico apropiado para el prensado Los objetivos principales a perseguir en la fase de prensado son: a) Obtención de baldosas con dimensiones preestablecidas sin que las mismas manifiesten, ni en crudo ni en cocido, defectos que puedan atribuirse a esta fase de elaboración. Entre dichos defectos podemos señalar el problema de la laminación (exfoliación), la presencia de grietas y daños que pueden aparecer inmediatamente o en las fases posteriores del proceso de fabricación. Asimismo, cabe señalar también los defectos de descuadres, calibres, falta de planaridad en las baldosas cocidas. Todos estos problemas pueden atribuirse, junto eventualmente a otras causas, a la falta de uniformidad de la densidad aparente en los diferentes puntos de las baldosas individuales o entre diferentes baldosas. 121


La carga no uniforme del polvo en los alvéolos del molde o las eventuales variaciones de las condiciones de trabajo de la prensa son las principales causas de estos defectos. b) Contribución a la formación de una microestructura en la baldosa cruda tal de satisfacer los siguientes requisitos: - obtención de baldosas que presentan, tanto inmediatamente después del prensado como después del secado, una resistencia mecánica adecuada para asegurar la trabajabilidad en las fases siguientes; - obtención, en la textura cruda de las baldosas, la permeabilidad necesaria para favorecer la salida de los gases que se generan en algunas reacciones que se desarrollan en la fase de precalentamiento y/o cocción (combustión de sustancias orgánicas, descarbonatación, etc.); - permitir la obtención de un producto que, en cocido, cumple las características tecnológicas requeridas de la normativa (contracción en cocido, porosidad, resistencia mecánica) mediante los ciclos de cocción adoptados habitualmente.

Variables de la fase de prensado Para conseguir los objetivos indicados anteriormente en los puntos a) y b), es necesario que las características del semielaborado y las condiciones de trabajo de la prensa sean correctas y conformes a los requisitos correspondientes. Los factores que, por diferentes razones, pueden influir en la fase de prensado son: a) Características del polvo de prensa. b) Características del ciclo de prensado. a) Características del polvo de prensa Antes de analizar en detalle las características del polvo cerámico apropiadas para el prensado, además de la relación entre sus características y las de los semielaborados obtenidos después del prensado, consideramos útil reseñar algunas precisiones con respecto a: • definición de los términos; • características físicas de las partículas; • características tecnológicas del polvo. Definición de los términos Partícula: puede estar constituida de una entidad primaria o de un conjunto de partículas; en este último caso asume el nombre de “aglomerado.” Aglomerado: término general asociado a una pequeña masa de material. Este conjunto de partículas primarias se mantiene compacto por fuerzas superficiales y/o uniones entre los granos. Gránulo: término utilizado frecuentemente en la cerámica en el caso de la producción 122

Prensado

de aglomerados que se producen intencionadamente mediante la incorporación de un agente que favorezca la regranulación (en la mayoría de los casos el agua). Características físicas de las partículas Características del polvo DENSIDAD APARENTE Es el peso por unidad de volumen del polvo, incluyendo la fase sólida, la porosidad (huecos interiores) de los granos individuales y el aire entre las partículas individuales del polvo. DENSIDAD APARENTE DEL GRÁNULO Es el parámetro que define el peso por unidad de volumen, incluyendo la fase sólida y los huecos internos del grano individual. DENSIDAD VIBRADA Es el valor de la densidad aparente del polvo después de una acción de vibración controlada y, en todo caso, la más homogénea posible, siempre referida a un volumen conocido. Características del polvo - definiciones y medidas ÍNDICE DE HAUSNER Es la relación entre la densidad vibrada y la densidad aparente del polvo en cuestión. Dv I.H. = —— Da siendo: Dv = densidad vibrada (g/cm3) De = densidad aparente del polvo (g/cm3) DENSIDAD APARENTE Es la relación entre la masa y el volumen aparente.

Dens. ap. =

M

=

Vtot

M Vporos + Vsólido

DENSIDAD REAL Es la relación entre la masa (entendida como cantidad de materia) y el volumen real ocupado. 123


POROSIDAD TOTAL Dens. real. =

M Vsólido

Es la relación entre el volumen de los poros y el volumen total.

Porosidad =

Vporos Vtotal

=

Vtot – Vsól = Vtot

1-Vsól = Vtot

1-Dap Dreal

POROSIDAD ABIERTA Es la relación entre el volumen ocupado por los poros abiertos (en comunicación con el exterior) y el volumen total. POROSIDAD CERRADA Es la relación entre el volumen ocupado por los poros cerrados (sin comunicación con el exterior). El valor es despreciable. COMPACIDAD DE LA PIEZA COMPACTADA (capacidad de compactación) Es la relación entre el volumen de sólido y el volumen total.

Compactación =

Vsól = Vtotal

Msól Dsól Msól —— Dap

=

Dap Dreal

Las características y la microestructura en crudo de las baldosas prensadas dependen de los siguientes factores: • naturaleza de las partículas (forma); • dimensión de las partículas; • características de los aglomerados; • aditivos de prensado (porcentaje de agua, ligantes, plastificantes). Estas características determinan y condicionan, a su vez, las propiedades y los parámetros tecnológicos del polvo como: • densidad aparente; • fluidez; • capacidad de compactación; • ángulo de fricción del polvo. 124

Prensado

Como hemos mencionado anteriormente, una carga uniforme en el tiempo de los alvéolos del molde es el objetivo más importante de la fase de prensado. Para alcanzar este objetivo es necesario tener una buena fluidez del polvo; por otra parte, una buena fluidez del polvo permite trabajar con ciclos elevados de producción, sin perjudicar la uniformidad de las baldosas prensadas. Además de una buena fluidez, el polvo de prensa debe presentar una densidad aparente adecuada. Una densidad aparente excesivamente baja comporta, como consecuencia, volúmenes elevados de aire que deben ser expulsados durante la fase de prensado, o un espesor excesivo de polvos (espesor blando). Ambos fenómenos entrañan dificultades en la fase de prensado. - La densidad aparente de un polvo está en función del volumen de los espacios intergranulares y de la densidad del gránulo o del aglomerado. Este valor se determina mediante el pesaje del polvo contenido en un volumen conocido. - La densidad del aglomerado depende del proceso de preparación del semielaborado (molienda por vía seca, regranulación, atomización) y de la forma y distribución de las partículas que componen el aglomerado. En la figura 17 se presentan los valores de densidad aparente para diferentes semielaborados (granulado o atomizado) respectivamente para granos de dimensiones específicas. Como se puede observar en esta figura, la densidad de los gránulos de polvo atomizado es inferior a la del polvo “aglomerado”. Asimismo, se puede apreciar que la densidad de los regranulados aumenta ligeramente con su dimensión, mientras la de los gránulos atomizados disminuye. - La densidad inferior de los gránulos atomizados, característica que disminuye en función del aumento de la dimensión de los granos, debe atribuirse fundamentalmente a la existencia de cráteres huecos al interior de las partículas, espacios huecos que aumentan con el incremento de las dimensiones de las partículas mismas. Por el contrario, los aglomerados obtenidos por vía seca no presentan ninguna cavidad. Otro factor que determina la densidad del polvo, como ya hemos señalado, es el volumen de los espacios intergranulares. La porosidad intergranular depende de la forma y distribución de las partículas aglomeradas. Sin embargo, la porosidad intergranular depende de la forma y dimensión de las partículas como también de la fluidez. En la tabla 1 se presentan respectivamente los valores de densidad aparente del: - polvo atomizado; - polvo molturado en seco (tradicional); - polvo regranulado. Como se puede apreciar, la densidad aparente más alta corresponde al semielaborado regranulado.

125

DENSIDAD DEL PRODUCTO SEMIELABORADO (g/cm3)


PRODUCTO REGRANULADO

PRODUCTO ATOMIZADO

TAMAÑO DE GRANO ((µm)

Figura 17. Valores de densidad aparente para diferentes semielaborados (regranulado y atomizado) respectivamente para diferentes fracciones granulométricas.

Fluidez del polvo La fluidez del polvo es, entre otras cosas, uno de los parámetros más importantes de la fase de prensado. Los índices utilizados más frecuentemente para caracterizar esta propiedad son: - velocidad de flujo; - índice de Hausner. La velocidad de flujo se establece determinando el tiempo empleado por un determinado volumen de polvo para salir de un recipiente en forma de embudo por un orificio calibrado. El valor se expresa en cm3/seg. El índice de Hausner, como hemos visto, se basa en cambio en el aumento de la densidad que presenta un polvo después del vibrado enérgico del recipiente que contiene el polvo. A medida que aumenta la fluidez entre las partículas, incrementa la densidad que 126

Prensado

Tabla 1. Valores de densidad aparente para diferentes tipos de polvos semielaborados (atomizado, molturado en seco y regranulado) válidos para diferentes tipos de composición.

se obtiene con la vibración y, por consiguiente, incrementa el índice de Hausner. Aunque este índice es el más adecuado para la caracterización de la fluidez del polvo, esta medida generalmente no se contempla en los controles de las características del polvo. Con vistas a establecer el efecto de la humedad residual o la dimensión de los aglomerados en la fluidez del polvo, se detallan las velocidades de flujo de diferentes semielaborados, teniendo en cuenta estas variables. El efecto de la variación de la humedad sobre la fluidez del polvo atomizado se presenta en la figura 18. En esta figura se observa una disminución de la fluidez con relación al aumento de la humedad; este efecto es más pronunciado para valores de humedad residual del orden de 5-8%. Este tipo de comportamiento se observa también en los aglomerados preparados por vía seca. En cambio, la figura 19 presenta los efectos de la variación de la fluidez para polvos de diámetro específico, preparados respectivamente por atomización y granulación. En la figura 19 se aprecia que las fracciones más pequeñas en ambos casos presentan valores de fluidez muy bajos. El efecto es más evidente en el regranulado en seco donde, para fracciones inferiores a 200 micras, no se observa ningún efecto de fluencia. Los valores de fluidez aceptables se encuentran, en cambio, en el granulado en seco para los intervalos granulométricos entre 200 y 500 micras. En el caso del atomizado, los valores más elevados de fluidez se encuentran en el caso del polvo con un intervalo granulométrico entre 125 y 400 micras. Tanto en el polvo atomizado como en el granulado en seco, la presencia de un porcentaje, incluso bajo, de granos “pequeños” y, por lo tanto, a considerar de baja fluidez, conduce a una disminución apreciable de la velocidad de flujo del conjunto. Granulometría del polvo Las figuras 20 y 21 presentan gráficamente los valores de la granulometría del polvo regranulado y atomizado. En este caso concreto, la figura 20 muestra la distribución granulométrica después de la regranulación de un polvo molturado preventivamente en seco. En cambio, la figura 21 presenta la granulometría de un polvo atomizado. Para el regranulado se puede observar un porcentaje relativamente alto de granos 127

VELOCIDAD DE FLUJO (cm3/seg.)


PRODUCTO ATOMIZADO

AGUA %

Figura 18. Variación de la velocidad de flujo en función de la variación de la humedad para un polvo atomizado.

inferiores a 200 micras (fracción granulométrica de baja fluidez). En el polvo atomizado, el porcentaje de partículas inferiores a 125 micras (fracción de baja fluidez) debe considerarse bajo, del orden de 5%. Entre los dos tipos de procesos, de regranulación y atomización, se puede apreciar una fuerte diferenciación en la distribución granulométrica final.

Densidad aparente, densidad vibrada, índice de Hausner en función de las variaciones de los parámetros del polvo En la figura 22 se pueden observar, en el caso de un polvo atomizado, las variaciones de parámetros como: - la densidad aparente; - la densidad vibrada; - el índice de Hausner; 128

Prensado

VELOCIDAD DE FLUJO (cm3/s)

PRODUCTO ATOMIZADO


TAMAÑO DE GRANO (µm)

Figura 19. Variación de la fluidez para polvos de diámetro específico, preparados respectivamente por atomizado y granulación.

en función de la variación de la humedad. Se observa que al incrementar la humedad residual de los semielaborados, los valores de la densidad aparente normal y la densidad vibrada disminuyen. Esta disminución es más fuerte para la densidad aparente con respecto a la densidad vibrada. Sin embargo, los valores del índice de Hausner aumentan. En cambio, en la figura 23 se observa la influencia de la dimensión de las partículas sobre el índice de Hausner, siempre en el caso del polvo atomizado. Se aprecia que el índice de Hausner presenta la misma tendencia que la velocidad de flujo; en efecto, se hallan valores similares para las fracciones de partículas entre 200 y 500 micras, que también corresponden a los valores máximos de velocidad de flujo. La fracción de los granos inferiores a 125 micras y superiores a 400 micras presenta los valores de densidad aparente más bajos. En cambio, el alto valor de la densidad aparente para la fracción granulométrica entre 125 y 400 micras se puede justificar considerando la densidad más elevada de los granos “pequeños” y el hecho que la distribución granulométrica de esta fracción es óptima para obtener buenos valores de densificación natural (compactación). 129


GRANOS (%)


TAMAÑO DE GRANO (μm)

Figura 20. Comparación entre la distribución granulométrica de un polvo molturado en seco y regranulado.

GRANOS (%)

PRODUCTO ATOMIZADO


Figura 21. Curva granulométrica de un polvo atomizado.

130

DENSIDAD APARENTE (g/cm3) DENSIDAD DE HAUSNER DENSIDAD VIBRADA (g/cm3)

Prensado

PRODUCTO ATOMIZADO

AGUA %

Figura 22. Variación de los valores de densidad aparente vibrada e índice de Hausner en el caso de valores crecientes de humedad residual (polvo atomizado).

DENSIDAD APARENTE (g/cm3) DENSIDAD DE HAUSNER DENSIDAD VIBRADA

PRODUCTO ATOMIZADO


Figura 23. Influencia de la variación de la dimensión de los granos sobre la densidad aparente, densidad vibrada y fluidez de un polvo atomizado. 131


En la figura 24 se presenta la influencia de la variación de la dimensión de los granos, siempre sobre los parámetros tratados anteriormente, en el caso del material regranulado. El recorrido de la curva relativa al índice de Hausner es similar a aquél presentado por la curva ya indicada relativa a la velocidad de flujo; es decir, para la fracción de partículas superiores a 300 micras, el índice de Hausner se mantiene constante. Por otra parte, la figura 25 representa la relación entre el índice de Hausner y la velocidad de flujo. El gráfico muestra una buena correlación entre ambos datos. Sin duda, para los polvos que no fluyen libremente y cuya velocidad de flujo no se puede medir, el índice de Hausner es el método más idóneo para determinar la fluidez. Con vistas a determinar la incidencia de la variación de la humedad residual sobre la “fluidez” del polvo preparado por el método tradicional (molienda en seco y humectación), se ha determinado el índice de Hausner de polvos industriales que presentaron diferentes valores de humedad residual. Los resultados se presentan en la figura 26. En la misma figura también se indican los índices de Hausner para polvos atomizados con una humedad residual diferente, para poder comparar los datos. Como se puede comprobar, la humedad influye de una forma mucho más marcada en la fluidez de los polvos preparados por vía seca tradicional que en los polvos preparados por atomización. Este efecto de baja “fluencia” del grano, en el caso de los polvos molturados en seco y regranulados, debe atribuirse a la forma irregular de las partículas y al alto porcentaje de material fino. Aspectos tecnológicos relacionados con el prensado del polvo cerámico Es interesante evaluar los efectos de la presión de conformación y la humedad del polvo sobre el mecanismo de compactación del atomizado. El comportamiento del polvo durante la conformación es muy complejo y parece depender de los procesos de compactación que probablemente, a causa de su carácter compuesto, resultan muy difíciles de interpretar. En la fase de prensado el polvo, tanto en forma de atomizado como molturado en seco, presenta una cierta resistencia a esta fuerza externa. Estos datos pueden reflejarse en un diagrama que relaciona la densidad aparente en crudo con la presión de conformación expresada a escala logarítmica. Como se puede apreciar en el diagrama (figura 27), se encuentran valores uniformes de densidad aparente para órdenes de presión de conformación medio-bajos, mientras que se observa siempre un incremento de la densidad aparente en el caso de los valores altos. La densidad aparente del material prensado está relacionada generalmente de modo lineal con el logaritmo de la presión de conformación para polvos cerámicos simples. De hecho, se comprueban diferentes situaciones durante la operación de prensado en crudo, tanto en el estado seco como en presencia de lubrificantes o ligantes: se trata de procesos que afectan la reordenación de las partículas o los granos a las presiones más bajas, y procesos de deformación elástica y plástica, desplazamientos y abrasión hasta auténticas fracturas y efectos de molienda de las partículas y los granos a las presiones más 132

Prensado




DENSIDAD DE HAUSNER

Figura 24. Influencia de la variación de la dimensión de los granos sobre la densidad aparente, densidad vibrada y fluidez de un polvo molturado en seco y regranulado.

VELOCIDAD DE FLUJO (cm3/seg)

Figura 25. Relación entre el índice de Hausner y la velocidad de flujo respectivamente para un polvo atomizado y material regranulado.

133



PRODUCTO MOLTURADO EN SECO

PRODUCTO ATOMIZADO

AGUA (%)

Figura 26. Influencia de la variación de la humedad residual sobre los valores de fluidez (índice de Hausner) para polvos molturados en seco y atomizados.

altas. Esto afecta evidentemente la resistencia mecánica del material mismo, de donde deriva la analogía con la relación densidad-resistencia mecánica citada. Por lo tanto, los diagramas de resistencia del polvo pueden presentar variaciones de pendiente de un régimen de compactación a otro. En la figura 28 se presentan los modelos de compactación de diferentes semielaborados como: - semielaborado molturado en seco (V); - polvo regranulado (G); - polvo atomizado (A). Como se aprecia en la figura, el primer cambio de variación de la pendiente (tramo casi lineal) para los polvos G y A se obtiene para una densidad aparente del polvo, densificado por compactación Pt, correspondiente a una presión de conformación Pf. A esta presión, la reordenación de los granos es prácticamente completa (termina la fase I) y se inicia así la fase de fractura y/o deformación de los granos (fase II). La presión de fluencia se considera una medida de la resistencia mecánica del aglomerado. El segundo cambio evidente de tendencia (punto final de la tendencia de los tramos a crecer) se observa cuando el conjunto de los gránulos atomizados prensados alcanza valores de densidad aparente prójimos a los del gránulo (Pg), figura 28. 134

DENSIDAD EN CRUDO

Prensado

PRESIÓN DE CONFORMACIÓN

Figura 27. Relación entre la presión de conformación y la densidad en crudo (escala logarítmica)

PRODUCTO MOLTURADO EN SECO TIPO PRODUCTO REGRANULADO PRODUCTO ATOMIZADO

PRESIÓN (kg/cm2)

Figura 28. Diagrama de compactación de diferentes semielaborados – (A) polvo atomizado, (G) polvo regranulado, (V) molturado en seco.

135


En este estado, los poros externos del gránulo han sido prácticamente anulados (termina la fase II) y se inicia la reducción de la porosidad intergranular (fase III) - nuevo aplanado de los tramos. El diagrama de compactación es un método entre los más apropiados para verificar el comportamiento de un material granulado en la fase de compactación. Normalmente se realizan controles más sencillos para establecer la influencia de las características del atomizado (distribución granulométrica y contenido de humedad) sobre el comportamiento del mismo durante la fase de compactación. A continuación se presentan los resultados obtenidos a partir de los ensayos efectuados en un polvo atomizado idóneo para la fabricación de pavimento de baja porosidad. La tabla 2 presenta la distribución granulométrica del semielaborado en cuestión. El polvo atomizado se ha separado en diferentes fracciones granulométricas para determinar la incidencia de una fracción granulométrica concreta sobre el grado de compactación en la fase de prensado. La tabla 3 presenta y define la fracción granulométrica de los diferentes semielaborados preparados, junto con los valores de densidad media de los gránulos Pg y la densidad aparente del atomizado compactado por vibración Pv. De esta forma se ha determinado el aumento de la densidad aparente, construyendo la curva de compactación con las siguientes variables: - presión de conformación hasta 600 kg/cm2; - variaciones de humedad residual del 3 al 10%; - semielaborados de granulometría diferente. Estos ensayos han demostrado que el comportamiento de un aglomerado (durante la fase de compactación) y el valor de la densidad aparente resultante dependen esencialmente del contenido de humedad del mismo, de la presión de conformación y de la granulometría (figuras 29 y 30) y, de una forma mucho menos relevante, de la variación de la fracción granulométrica media (figura 31) de los gránulos.

Tabla 2. Distribución granulométrica del atomizado utilizado en los ensayos.

136

Prensado

(I)

Tabla 3. Densidad del gránulo (Pg) y densidad aparente del atomizado semicompactado por vibración para diferentes semielaborados atomizados de granulometría más uniforme.

Con relación a la mecánica de la compactación del polvo, por lo tanto se pueden hacer las siguientes consideraciones de tipo general: 1. El aumento de la densidad aparente del polvo atomizado en la fase de compactación debe considerarse en línea con los modelos propuestos, estudiados y puestos a punto en el caso de los aglomerados de naturaleza no plástica. 2. La resistencia a la fluencia del material atomizado (presión de fluencia) Pf disminuye de manera lineal con la reducción de la dimensión media de las partículas y el aumento de la humedad (figura 31). 3. La presión de unión (Pj) del aglomerado se reduce en la medida en que se incrementa (de forma exponencial) el contenido de humedad. En cambio, la dimensión de las

DENSIDAD APARENTE (g/cm3)

PRESIÓN

AGUA (%)

Figura 29. Variación de la densidad aparente (d) en función de la fuerza de prensado y la humedad del semielaborado.

137


DENSIDAD APARENTE (g/cm3)

intervalo de 125-200 µm (F) intervalo de 300-400 µm (M) intervalo de 500-750 µm (G)

PRESIÓN (kg/cm2)

Figura 30. Variación de la densidad aparente en función de la fuerza de prensado y la granulometría del semielaborado.

PRESIÓN DE CONFORMACIÓN (kg/cm2)


2

4

6

8

AGUA %

Figura 31. Variación de la presión de fluencia (Pf) de un semielaborado en función de su granulometría (fracción granulométrica) y la humedad porcentual de agua.

138

Prensado

partículas no ejerce ningún efecto apreciable sobre esta propiedad en el caso de la humedad tipo del polvo (figura 32). 4. El comportamiento del aglomerado atomizado en la fase de compactación y la densidad aparente de la baldosa dependen esencialmente de la humedad residual del polvo (figuras 29 y 33), mientras que la dimensión de los granos no ejerce ninguna influencia importante, siempre en el caso de las presiones de prensado medio-bajas (figura 30).



2

4

6

8

10

AGUA %

Figura 32. Variación de la presión de compactación (Pj) de un semielaborado en función de su granulometría (fracción granulométrica) y porcentaje de agua.

Figura 33. Relación entre la humedad residual y la resistencia mecánica en verde.

139


Relación entre la densidad aparente del material prensado y los valores de la carga de rotura en crudo (aspectos prácticos) En la figura 27 ya hemos visto cómo la densidad aparente del material prensado generalmente está relacionada de modo lineal con el logaritmo de la presión de conformación. Aparte de estas consideraciones de tipo teórico, parece importante también señalar en este punto algunos datos obtenidos a partir de experiencias efectuadas a nivel semiindustrial en el caso del prensado de polvos atomizados, idóneos para obtener un producto de tipo monococción gresificada. Los gráficos indicados en la figura 33 detallan los valores de densidad aparente del producto en cuestión, relacionados con las diferentes presiones de conformación en el caso del prensado de polvos con humedades residuales diferentes. Como se puede apreciar, la fuerza de prensado y el diferente contenido de humedad residual del polvo actúan de manera sinérgica sobre los valores de densidad aparente de los materiales prensados, permitiendo la obtención de valores de densidad uniforme (densidad aparente) respectivamente de una y otra variable. Los gráficos representados en las figuras 34 y 35 presentan, en cambio, los valores de la carga de rotura en verde y después del secado, siempre para los materiales prensados en las condiciones diferentes y utilizando polvos atomizados con diferentes humedades. En este caso, se observa claramente cómo el aumento de la fuerza de prensado y la humedad residual del polvo conducen a un incremento de las cargas de rotura, tanto en verde como en seco. Este comportamiento se puede justificar por un acercamiento de las partículas y, por lo tanto, de una fuerte disminución de los huecos entre las partículas y un incremento de los contactos entre los granos, que favorecen la formación de uniones y puentes entre las partículas mismas. Dicho acercamiento, que comporta la formación de una textura más compacta y, por lo tanto, con valores de densidad más altos, se favorece por el aumento de la fuerza de prensado y por la humedad residual. Esta última, en efecto, además de mejorar la plasticidad del polvo, favorece la fluencia de las partículas mismas. Efecto de la presión de conformación sobre la cocción del polvo cerámico (aspectos prácticos) En las figuras presentadas anteriormente hemos observado la relación existente entre las fuerzas de prensado y la densidad aparente. Aparte de estas consideraciones, aunque importantes para entender la complejidad del problema, nos parece útil presentar aquí otros datos, obtenidos a partir de experiencias de laboratorio y semiindustriales, que conciernen precisamente las relaciones entre las características de los semielaborados, las condiciones de trabajo de la prensa y las características de los productos acabados. Entre estas variables podemos señalar: - la fuerza de prensado; - la densidad aparente en crudo; - la humedad residual del polvo; - las condiciones de trabajo de la prensa; - las características del producto en cocido (contracción y porosidad). 140

Prensado Residuo 3,7%

Residuo 3,7% Presión

Densidad Humedad

Presión (kg / cm2)

Humedad (%)

Figura 34. Residuo 3,7%

Residuo 3,7%

Humedad

Humedad

Presión (kg / cm2)

Presión (kg / cm2)

Figura 35.

Las consideraciones y los datos indicados se refieren a pastas de naturaleza gresificable, donde resulta más evidente la relación entre los parámetros mencionados anteriormente. En la figura 36 se representan los diagramas de gresificación obtenidos en el caso de la cocción a diferentes temperaturas de materiales que presentan valores de densidad aparente diferentes. Como se puede apreciar, el aumento de la densidad aparente conduce a una disminución de la contracción y de la absorción de agua para la misma temperatura de cocción. Otras conclusiones que se pueden extraer son: a) La disminución de la contracción para las muestras que presentan valores de densidad aparente más elevados debe atribuirse a un porcentaje de poros más bajo en el material crudo. b) La variación más contenida de la contracción y la porosidad para temperaturas próximas a la temperatura de gresificación favorece la estabilidad dimensional del producto. 141


La figura 37 muestra aún más claramente la relación existente entre la densidad aparente en crudo y la contracción lineal en cocido. La variación del valor de la densidad aparente no depende solo de la fuerza de prensado. Una variación de humedad del orden de 1.5% equivale a una variación de la densidad aparente en seco de 0.03 g/cm3. Otro factor que influye en la variación de la densidad aparente del prensado es la velocidad de prensado. La figura 38 presenta precisamente esta relación. Valores de densidad aparente diferentes en zonas diferentes de la misma baldosa, atribuibles a una carga no homogénea o a otros factores como hemos visto anteriormente, pueden conducir a diferentes valores de contracción dentro de la misma baldosa y, por lo tanto, comportar problemas de deformación en los lados de la misma. La figura 39 presenta un ejemplo cuantitativo de la variación de la contracción en el caso de la cocción en las mismas condiciones de muestras que presentan valores de densidad aparente diferentes. Se puede apreciar que para valores de densidad aparente diferentes de 0.06 g/cm3 se comprueban diferencias de contracción del orden de aproximadamente 0.15%, lo cual, en el caso de una baldosa de 330 × 330 mm, significa una variación de un lado de 0.5 mm. La figura 40 representa un caso límite de los problemas que pueden surgir en una baldosa cuando se trata de cargas de polvo no homogéneas y, por lo tanto, de valores de densidad aparente diferentes de una zona a otra de la baldosa. Desarrollos futuros del prensado

ABSORCIÓN %

CONTRACCIÓN %

La tendencia actual (año 2001) conduce a prever una creciente afirmación de formatos muy grandes y rectangulares, con características estéticas cada vez más parecidas a las

TEMPERATURA °C

Figura 36. Curvas de gresificación para una pasta de tipo gresificable que presenta valores diferentes de densidad aparente.

142

CONTRACCIÓN %

Prensado

TEMPERATURA °C

Figura 37. Relación existente entre la densidad aparente en crudo y la contracción lineal.

5 mm/min 500 mm/min

PRESIÓN

Figura 38. Relación entre el valor de la densidad aparente y la velocidad de prensado.

143


CONTRACCIÓN %

formato de 330x330 mm d = ±0.5 mm Δ contracción = ±0.15%

Δ Dap = 0.06 g/cm3

ρ Dap (DENSIDAD APARENTE) Figura 39. Variación de la contracción en función de la variación de la densidad aparente.

piedras y a los materiales naturales. Desde el punto de vista de la maquinaria, esto llevará indudablemente a una demanda de luces mayores y tonelajes más elevados, para la realización de placas decoradas cada vez más en la fase de prensado, por medio de la mezcla de pastas granuladas coloreadas, granillas de esmalte y otras técnicas de decoración en seco. Con este propósito cabe destacar ya la presencia de una tecnología que prevé, con vistas a racionalizar el uso de la prensa, la adopción de un proceso de doble prensado, donde una primera prensa, de características tecnológicas menores, permite conformar y, eventualmente, decorar la placa a un nivel de compactación no definitiva; a continuación sigue una minilínea de decoración en seco, con luego la inserción de la segunda y definitiva prensa, que se encarga de producir el semielaborado acabado, con el justo grado de compactación. El aumento de las dimensiones y la realización de placas cada vez más parecidas a las piedras naturales también han dado lugar a la aparición de nuevas tecnologías productivas, que “imitan” en cierto sentido las utilizadas para el corte y la preparación de los materiales naturales. Desaparece, por lo tanto, la necesidad de los espaciadores y del borde redondeado o biselado, ya que las placas se colocan sin junta, y se abre paso la idea de fabricar principalmente grandes placas, atendiendo, luego, a la necesidad productiva de formatos diferentes mediante el corte en verde de las placas mismas, utilizando adecuados sistemas de transporte y corte, evitando así todas las complicadas y costosas operaciones de cambio de moldes, para proceder al cambio de los formatos producidos. Esta tecnología también tendrá un claro impacto sobre la tecnología de fabricación de los 144

Prensado

Figura 40. Defectos dimensionales debidos a la carga heterogénea de los moldes.

moldes que, en el formato placa, tendrá que asegurar una larga duración. Se prevén otras mejoras para los sistemas de alimentación del polvo al molde, mientras que se han optimizado los circuitos oleodinámicos para confinar solamente la alta presión en el circuito principal, evitando de cargar excesivamente los componentes más delicados: esto, con vistas a reducir la necesidad de efectuar intervenciones para el mantenimiento extraordinario, que representa el aspecto más perjudicial para el rendimiento de las líneas de producción.

145


ANEXO Características físico-mecánicas en crudo de las baldosas obtenidas con semielaborados de naturaleza diferente (atomizado-granulado-molturado en seco) Preparación de las materias primas La preparación de la pasta consiste en una serie de operaciones destinadas a la obtención de un material de composición homogénea, con una distribución granulométrica apropiada y relativamente fina, y con un contenido de agua apropiado para el sistema de conformación escogido (en el caso bajo estudio, el prensado se realiza con polvos que presentan una humedad de aproximadamente 4-7%). Se han utilizado: - proceso en seco que consiste en la molienda en seco de las materias primas y la regulación a continuación de la humedad a través de humectadoras adecuadas; - proceso en húmedo que consiste en la molienda en agua de las materias primas y el secado por pulverización a continuación de la barbotina resultante. En el caso de la molienda en seco, para favorecer la aglomeración de los granos, el polvo molturado (de modo extremadamente fino) ha sido tratado con máquinas diferentes, concretamente: • humectadoras tipo; • regranuladoras. Las consideraciones y datos presentados a continuación se refieren por lo tanto a ensayos orientados a contrastar las características de los materiales formados, todos destinados a la fabricación de las mismas tipologías productivas, pero con ciclos de preparación de polvo diferentes: - ciclo con molienda en seco tradicional y regranulación con humectación tipo; - ciclo con molienda en seco y granulación; - ciclo con molienda en húmedo y secado por pulverización. Distribución granulométrica del polvo preparado con los diferentes sistemas En las figuras 41 y 42 se comparan las distribuciones granulométricas del polvo molturado en seco destinado, respectivamente, a la humectación y la granulación con las instalaciones correspondientes. Como se sabe, para el proceso en seco, la finura granulométrica de las materias primas tiene una notable influencia, en verdad no siempre positiva, en las fases posteriores del ciclo de elaboración: en efecto, al aumentar la finura mejoran en general las condiciones de cocción, a causa del mayor desarrollo de la superficie específica, pero empeoran las condiciones de prensado, puesto que una excesiva presencia de partículas finas (el llamado “impalpable”) puede introducir notables dificultades de desaeración. Estas dificultades desaparecen en el caso de la granulación, ya que este proceso comporta la aglomeración de las partículas finas. 146

Prensado

DISTRIBUCIÓN DEL TAMAÑO DE PARTÍCULA (%)

Polvo para la granuladora

Polvo para la unidad de humectación

GRANULOMETRÍA (mm)

DISTRIBUCIÓN DEL TAMAÑO DE PARTÍCULA (%)

Figura 41. Distribución granulométrica del polvo molturado en seco, destinado respectivamente a la humectación, en el proceso en seco, y a la granulación con la planta en estudio.

Granos Material atomizado

GRANULOMETRÍA (mm)

Figura 42. Distribución granulométrica del atomizado y del granulado. 147


La granulación, al igual que el secado por pulverización, conduce a la formación de aglomerados de gránulos formados a partir de las partículas obtenidas por molienda. La distribución granulométrica de estos aglomerados es, sin embargo, con la planta y en las condiciones bajo estudio, sensiblemente diferente, como se desprende de la figura 42. En esta figura se aprecia claramente que, mientras la distribución granulométrica del atomizado aparece concentrada y recogida principalmente alrededor de las fracciones centrales del intervalo (0.125-0.500 mm), la del granulado se caracteriza en cambio por incidencias igualmente importantes en todas las fracciones consideradas. Compactación y uniformidad de prensado Con vistas a evaluar la compactación realizada a través del prensado y la uniformidad de dicha compactación, se han realizado medidas penetrométricas en las baldosas prensadas y medidas de permeabilidad en las baldosas secadas. La figura 43 representa gráficamente una distribución típica de los datos penetrométricos, en función del tipo de tecnología de preparación de las materias primas; la presión de prensado es casi igual, como es también igual la posición del punzón en la prensa correspondiente. Se puede observar que: - las baldosas obtenidas a partir del atomizado presentan los valores más bajos de profundidad de la impresión (como promedio alrededor de 0.8 mm, contra una media

Penetración (mm)

Molturado en seco

Granulado

Atomizado

Figura 43. Distribución de los datos penetrométricos para las diferentes tecnologías de preparación de las materias primas.

148

Prensado

de 1.2 mm para los otros tipos de semielaborado). Por lo tanto, las primeras son más compactas; - además de una mayor compacidad en absoluto, las baldosas obtenidas a partir del polvo atomizado, presentan una mayor uniformidad de compactación, atribuible no tanto a una diferente gestión o a un control más preciso de la prensa, sino más bien a las características morfológicas y estructurales del atomizado. Estos datos constituyen una confirmación de la superior calidad del atomizado y su influencia positiva en la compactación, gracias a un óptimo llenado de los moldes como consecuencia de la forma esferoidal y de las características físicas de los gránulos. El comportamiento del granulado parece distanciarse muy poco de aquello de la molienda en seco por lo que se refiere a la magnitud y la distribución de los datos penetrométricos. Por el contrario, las medidas de permeabilidad, realizadas sobre muestras de baldosas secas, tomadas con los mismos criterios detallados anteriormente, han proporcionado un cuadro diferente del precedente bajo ciertos aspectos, como se aprecia en la figura 44. El granulado conduce a la obtención, con la igualdad sustancial de la presión efectiva de prensado, de baldosas secas caracterizadas por un campo de permeabilidad superior (es decir, de valores más reducidos del tiempo de efluencia del aire comprimido a 6 atm a través del espesor de la baldosa, a lo cual la permeabilidad es inversamente proporcional), con respecto tanto a la molienda en seco como al atomizado: las baldosas obtenidas a partir del granulado son entonces, una vez más, relativamente menos compactas que las obtenidas a partir de las materias primas atomizadas.

Tiempo de efluencia (s)

Molturado en seco

Granulado

Atomizado

Figura 44. Distribución de los datos de permeabilidad para las diferentes tecnologías de preparación de las materias primas. 149


Sin embargo, existe un aspecto importante relativo a la uniformidad de distribución de la permeabilidad y, por lo tanto, sustancialmente, a la uniformidad de la compactación: esta vez, el granulado está muy próximo al atomizado, mientras que el molturado en seco se caracteriza por diferencias muy pronunciadas de permeabilidad entre los diferentes puntos de una misma baldosa que resulta, generalmente, mucho más compacta en el centro que en los bordes. El hecho que el granulado tiende a acercarse más al atomizado es ciertamente atribuible a la forma, a la distribución granulométrica y a la consistencia de los gránulos que parecen capaces de asegurar un llenado de los moldes bastante bueno. Esto es un aspecto importante aunque, obviamente, no decisivo y definitivo de cara a los objetivos de demostración de la calidad del granulado. Resistencia mecánica en verde y en seco La resistencia a la flexión en crudo es importante no sólo como indicador del grado de compactación obtenido, sino también como parámetro de comportamiento, como requisito cualitativo de notable relevancia para las baldosas destinadas a ser transportadas y manipuladas en el estado crudo, tal y como ocurre en el caso de la monococción. En la figura 45 se presenta, para los tres materiales bajo estudio, el desarrollo de la resistencia a la flexión en crudo y en seco, en función de la presión de conformación; el diagrama presenta de modo muy claro, el comportamiento superior del atomizado, sobre todo con relación a las baldosas secas. Para valores de presión efectiva de prensado de 230-240 kg/cm2, el atomizado presenta una resistencia a la flexión del producto seco de unos 4 N/mm2, contra aproximadamente 3 N/mm2 del granulado y aproximadamente 2 N/mm2 del molturado en seco. También estos datos parecen indicar, por lo tanto, para el granulado, una calidad inferior a la del atomizado, pero decididamente superior a la del molturado en seco. Porosidad y resistencia mecánica de los productos cocidos En los gráficos de las figuras 46 y 47 se observan los valores de porosidad (expresados como porcentaje de agua absorbida) y de resistencia a la flexión para los diferentes materiales analizados. A partir de los gráficos se desprende que los valores más interesantes de porosidad corresponden a los productos obtenidos respectivamente a partir del atomizado, regranulado, y molturado en seco. Solo en el caso de una presión de conformación elevada (superior a 250 kg/cm2) para el polvo molturado en seco, se obtiene una porosidad de las baldosas parecida a aquella obtenida a partir del polvo granulado. También en el caso de la resistencia mecánica a la flexión, los valores más interesantes se obtienen, en orden para los productos obtenidos, con el polvo atomizado, regranulado y molturado en seco. 150

Prensado

PRODUCTO REGRANULADO PRODUCTO MOLTURADO EN SECO

VERDE

SECO

CARGA DE ROTURA (N/mm2)

PRODUCTO ATOMIZADO


ABSORCIÓN DE AGUA (%)

Figura 45. Desarrollo de la resistencia a la flexión en verde y en seco en función de la presión de prensado para los tres materiales en estudio.

PRODUCTO REGRANULADO PRODUCTO MOLTURADO EN SECO PRODUCTO ATOMIZADO


Figura 46. Valores de absorción de agua para los materiales obtenidos con diferentes semielaborados: atomizado, regranulado, molturado en seco. 151

CARGA DE ROTURA (N/mm2)


PRODUCTO REGRANULADO PRODUCTO MOLTURADO EN SECO PRODUCTO ATOMIZADO

umbral mínimo UNI EN 178

umbral mínimo UNI EN 178


Figura 47. Desarrollo de los valores de resistencia a la flexión (en función de la presión de conformación) para los tres materiales en estudio.

Para este último, como para la porosidad, los valores de carga de rotura por flexión se acercan a aquéllos obtenidos para los materiales regranulados sólo en el caso de una presión de conformación superior a 250 kg/cm2.

152


Capítulo IV SECADO

De acuerdo con su utilización en el primer tomo, hablando del papel del agua y su eliminación en un sistema cerámico, el término “secar” significa eliminar el agua contenida en un sólido por evaporación, es decir, por conversión del agua del estado líquido al estado de vapor. Los líquidos tienen una mayor o menor tendencia a asumir el estado gaseoso, de acuerdo con sus características físico-químicas. Desde un líquido, a causa de la energía cinética, se separan continuamente moléculas al estado de vapor, mientras que al mismo tiempo se condensan moléculas de vapor. El número de moléculas que abandona el líquido depende de la temperatura; el número que condensa depende del número de moléculas en el estado de vapor que chocan con la superficie durante un determinado tiempo y, por lo tanto, del número de moléculas contenidas en un determinado espacio y de su velocidad, en otras palabras, de la presión aplicada por el vapor. De una forma mucho menor, en cambio, se separa la llamada agua de cristalización, zeolítica o estructural, presente en algunos minerales (tipo montmorillonita, etc.). El agua, como todas las sustancias líquidas (y también las sólidas, aunque en menor grado), posee una cierta tendencia a pasar al estado de vapor, con la absorción de energía. La emisión de vapor no continúa indefinidamente, sino que en un algún momento cesa, cuando el vapor alcanza la saturación: es decir, se establece un equilibrio entre el número de moléculas que evaporan y el número de moléculas de vapor que condensan en el líquido: este equilibrio corresponde a una determinada presión, conocida como tensión de vapor saturado. La tensión de vapor aumenta con la temperatura. Cuando, al aumentar la temperatura, la tensión de vapor iguala la presión atmosférica, se produce la ebullición; es decir, el vapor ya no se desprende solamente de la superficie del líquido, sino también de su interior en forma de burbujas. La temperatura de ebullición disminuye con la presión y cada sustancia, a una determinada temperatura, tiene su tensión de vapor. En concreto el agua, figura 1, a 100 °C tiene una presión del vapor saturado de 1 atm. Las energías en juego, teniendo en cuenta la absorbida por la transformación de fase líquido-vapor, a menudo se infravaloran. Podemos considerar el secado esencialmente como un proceso que se desarrolla condicionado por tres factores: - el “poder secante” del ambiente, humedad relativa, velocidad del aire…; - las fuerzas que actúan a nivel capilar; - las variaciones dimensionales debidas a la cesión de humedad. Por lo tanto, el proceso de secado entraña la transferencia de calor desde el ambiente al cuerpo cerámico a secar, así como la transferencia simultánea de vapor de agua en la dirección opuesta. El calor (energía) necesario para la primera transferencia puede ser recibido por la pieza por convección, radiación o conducción y, normalmente, coinciden 153

atm o 105 Pa

Tensión de vapor mm de Hg


Temperatura °C

Figura 1. Presión del vapor saturado del agua a diferentes temperaturas.

los tres procesos. Considerando el efecto de secado más común, la convección, con aire caliente, es posible suponer que se desarrollan, de manera consecutiva, las siguientes fases: • transferencia de calor del aire a la pieza; • transformación del agua de líquida en vapor; • separación del vapor desde la superficie de la pieza; • transporte de agua en el estado líquido desde el interior de la pieza a la superficie. Cuando la velocidad de evaporación en la superficie supera la capacidad de transferencia capilar desde el interior de la pieza, se inicia otra fase de secado en el desarrollo del cual el frente de evaporación se desplaza hacia el interior de la pieza misma. Todo esto se representa habitualmente por la clásica descripción de un proceso de secado por convección de materiales porosos e higroscópicos, de acuerdo con una curva con al menos tres fases, gobernadas por diferentes gradientes de velocidad de secado, a diferentes niveles de profundidad de espesor. Secaderos convencionales de cerámica, con aire caliente Por consiguiente, la fase que determina la velocidad de secado es la difusión interna, capilar, del agua. Al principio del secado (entrada en el secadero), su temperatura interior es baja y la difusión es muy lenta, por lo que hace falta contener la velocidad de evaporación para evitar la compactación de la capa superficial; con este fin, en los secaderos convencionales, el 154

Secado

material de entrada se pone en contacto con aire caliente pero relativamente húmedo. El calentamiento se produce por convección hasta la interfase con el semielaborado, y por conducción dentro de este último, el cual generalmente presenta valores muy bajos de conductibilidad térmica. La velocidad de calentamiento se regula por la temperatura del aire y su velocidad (caudal). Para un material dado de porosidad definida, el tiempo necesario para la obtención de un calentamiento uniforme hasta temperaturas que permitan una correcta cinética de difusión depende esencialmente del espesor. Además del espesor, obviamente, en el ciclo de secado influye la humedad del material. Mientras los productos extruidos o colados, a causa de su humedad elevada, presentan, en el desarrollo del secado, fases de secado de contracción constante, de contracción en disminución y ausencia de contracción, las baldosas prensadas presentan solo una fracción de la segunda fase y toda la tercera fase; por lo tanto, manifiestan una contracción decididamente más limitada y los riesgos de tensionado por la contracción no homogénea son limitados. En los últimos tiempos, precisamente gracias a esta limitada sensibilidad del material, debido al bajo contenido de agua, se han desarrollado máquinas térmicas de elevados gradientes de calentamiento hasta temperaturas muy altas, para contrarrestar el proceso natural de contracción, que podría llevar a fracturas, con la tendencia opuesta del material a dilatar por el elevado calentamiento, manteniendo así la baldosa en una especie de equilibrio dinámico que permite desarrollar ciclos de secado realmente muy rápidos (algunos minutos). Valoraciones de tipo tecnológico En todo caso se debe considerar que: - para tener una difusión hacia la interfase es necesario un gradiente de humedad; - la velocidad de difusión aumenta con el gradiente; por lo tanto, partiendo de un valor inicial homogéneo de humedad del semielaborado y reduciendo su humedad superficial se favorece la cinética del transporte (existe un límite máximo tecnológico, ligado al agrietamiento de la pieza en el caso de un secado violento, salvo con los planteamientos indicados anteriormente); - la velocidad de difusión se potencia por la permeabilidad del producto verde, que depende de las propiedades químico-físicas de la pasta (composición, distribución granulométrica, proporción y granulometría de los desgrasantes), pero también del proceso de conformación y de los parámetros de operación; - el caudal de agua disminuye con el aumento del recorrido de migración; por lo tanto, los grandes espesores limitan la velocidad de secado; - la viscosidad del agua reduce la cinética de transporte, aumentando la resistencia al movimiento. Para reducir la viscosidad y favorecer la difusión se recurre al calentamiento del agua (convencionalmente el calentamiento afecta a todo el semielaborado). Evaporación superficial: la cinética de proceso que en realidad comprende dos procesos elementales. 155


Evaporación interfacial (fenómeno de equilibrio líquido-vapor). Eliminación del vapor (transporte difusivo por gradiente de concentración) que es una función de la temperatura (o mejor de la tensión de vapor del agua) y de las condiciones termo-higrométricas ambientales (en la interfase y en el seno de la fase gaseosa), por lo tanto, de mecanismos de eliminación del vapor. En los procesos convencionales el aire caliente desarrolla diferentes funciones: Fluido termovector para el calentamiento del cuerpo y la evaporación; Arrastre y eliminación del vapor: por consiguiente, la velocidad de evaporación y separación del vapor aumentan con la temperatura del aire y su velocidad y para bajos valores de su contenido de vapor. La calidad de secado se mantiene cuando los dos procesos (difusión y evaporación) poseen una cinética que permite que la cantidad de agua evaporada en la unidad de tiempo se reemplace por una idéntica cantidad de agua que llega desde el interior (caudal de evaporación = caudal de difusión); en las normales condiciones de proceso, la fase más lenta, que controla la cinética en su conjunto, es la difusión interior. Para un material dado (con una geometría, permeabilidad y humedad determinada), el único parámetro ajustable para favorecer la difusión es la viscosidad del agua por medio de su calentamiento. Velocidad de secado = caudal de agua que atraviesa la unidad de superficie de la pieza [kg/(m2h)]. A partir de esta consideración nace la relación directa entre la temperatura y la presión o tensión de vapor. El vapor en estas condiciones se llama “vapor saturado”; si la presión es inferior a la de equilibrio, el vapor es “insaturado” o “no saturado”. En el caso de los vapores saturados, la presión es solo una función de la temperatura. Para desplazar el equilibrio tenemos que aportar al sistema una cierta cantidad de energía térmica, igual al “calor latente” de la sustancia a evaporar. Este calor es característico para cada sustancia y se define como “la cantidad de calor requerida para transformar la misma unidad de peso.” Para la condensación del vapor, el calor latente se manifiesta como energía calorífica. El calor latente de evaporación es una magnitud notable, si se considera que para la evaporación de 1 kg de agua teóricamente hace falta 605 kcal una vez que se haya llevado el agua a 100 °C. Es evidente que la evaporación del agua disminuye con el aumento del estado de saturación del espacio sobre el agua misma. En la cerámica, el problema de la evaporación está relacionado estrechamente con el hecho que el agua a evaporar está mezclada íntimamente con la parte sólida que la retiene con cierta fuerza, que obstaculiza su evaporación. Se puede imaginar que el agua constituye una especie de retículo, formado por muchos capilares que rodean la parte sólida. El problema, del punto de vista cerámico, consiste en transportar esta agua desde el interior de la pieza, por los capilares, a la superficie donde puede evaporar libremente. Para resolver esto, por lo tanto, se deben tener en cuenta dos fenómenos: la difusión y la evaporación y, por consiguiente, la velocidad de evaporación y la velocidad de difusión. 156

Secado

El problema del secado en la cerámica se puede considerar en gran parte resuelto cuando la velocidad de evaporación no supera la de difusión del agua desde el interior hasta la superficie de la masa, y el agua puede difundir y evaporarse a una velocidad suficientemente elevada para ser económicamente conveniente, sin peligro de causar daños en el material a secar. En la práctica, la transferencia del agua contenida en la pieza, hasta la superficie donde se puede evaporar libremente se produce por el retículo de huecos entre las partículas que se comunican con ella: el agua a evaporar está ligada estrechamente a las partículas sólidas que la retienen con cierta fuerza que obstaculiza su migración. Por consiguiente, el desarrollo del proceso está controlado por la VELOCIDAD de DIFUSIÓN del agua en la pieza y por la VELOCIDAD de EVAPORACIÓN a continuación. • EVAPORACIÓN SUPERFICIAL, que se produce en condiciones de equilibrio termodinámico con el ambiente alrededor, con la aportación del agua en el estado líquido desde las zonas más interiores por medio de capilares en una cantidad igual a la que se evapora. • EVAPORACIÓN EN CONDICIONES PLÁSTICAS, que se produce en los capilares y en los intersticios en correspondencia con la interfase líquido-vapor y en condiciones de equilibrio, al mismo tiempo a la eliminación del vapor por difusión, a través de los capilares mismos, hacia la superficie. El proceso se desarrolla en condiciones dinámicas, con la transferencia desde la interfase hacia zonas cada vez más interiores. • EVAPORACIÓN INTERIOR SIN DESPLAZAMIENTO, que se produce de manera parecida a la anterior, del que se distingue por el hecho que la humedad resulta insuficiente para permitir el desplazamiento y la reordenación de las partículas arcillosas y, por tanto, la eliminación del agua genera una porosidad intersticial. Del examen de los gráficos que se encuentran en la bibliografía podemos deducir que: - la estabilidad volumétrica resultante de la fase de contracción por secado corresponde a una relación volumétrica lleno/huecos igual a aproximadamente 75/25; - el agua de saturación de los “huecos” (agua intersticial) de un sólido cerámico que, después del secado, haya alcanzado la estabilidad volumétrica, varia del 10% al 12% del peso seco del sólido de referencia; - las variaciones dimensionales correspondientes a humedades relativas inferiores al 10÷12% son escasamente significativas; - se alcanza el equilibrio dinámico en el semielaborado cerámico cuando el grado de evaporación del agua del cuerpo corresponde al grado de difusión del agua intersticial dentro del cuerpo cerámico mismo, con relación a las variaciones dimensionales; por tanto, a cada situación corresponde una determinada velocidad de evaporación, llamada crítica, ya que por encima de la misma se produce el aumento de las tensiones diferenciales y, por lo tanto, las roturas; - la velocidad de evaporación por encima del 1° punto crítico de Bigot depende esencialmente de las condiciones ambientales, a igualdad de las temperaturas, debajo del 2° punto solo de las características químico-físicas del material cerámico. 157


La VELOCIDAD DE DIFUSIÓN depende de: - las características mineralógicas del material: influyen en la orientación de las moléculas de agua y, por lo tanto, en la posible migración de las mismas; - el tamaño y forma de las partículas: influyen en la dimensión y forma de los capilares por los que se puede desarrollar la difusión del agua; - el porcentaje de agua contenida en la pieza: al disminuir el contenido de agua, las partículas sólidas se acercan unas a otras con un movimiento hacia un centro común (fenómeno de contracción que cesa solo cuando todas se encuentran en contacto entre sí). Con el movimiento convergente, el diámetro de los huecos capilares se reduce, una parte se cierra, y aumenta por consiguiente la resistencia a la migración del agua; - la temperatura de la pieza; - la velocidad y magnitud de la contracción, que son una función de la evaporación; - la relación entre

tensión superficial del líquido a evaporar presión de vapor de la atmósfera, estado higrométrico, humedad relativa

Cuando el contenido de agua de la pieza es muy alto, la difusión se produce sin dificultad. Con su disminución las partículas sólidas se acercan unas a otras con un movimiento hacia un centro común (fenómeno de contracción) que cesa solo cuando todas se encuentran en contacto entre sí. Durante este movimiento convergente, el diámetro de los capilares disminuye, una parte de ellos se cierra y, en consecuencia, aumenta la resistencia a la difusión del agua a través de la masa. Según algunos investigadores, esta resistencia es inversamente proporcional a la cuarta potencia del diámetro de los capilares. Se ha comprobado, en todo caso, que más que el volumen, es la forma de los capilares que influye en la difusión. Dicha forma depende del tamaño y la estructura de las partículas. Finalmente, la difusión será posible solamente si se produce la evaporación en la superficie de la pieza y, ya que esta evaporación depende, como se ha indicado, de la relación entre la tensión superficial del líquido y la presión de vapor de la atmósfera que gobierna el sistema, es obvio que también la velocidad de difusión dependerá de esta relación. La VELOCIDAD DE EVAPORACIÓN depende de: - la temperatura del aire: a medida que aumenta la temperatura del aire, mayor será la cantidad de agua que este puede retener en suspensión; - la velocidad del aire; - el estado higrométrico del aire: determina para una temperatura dada, la cantidad de agua que puede ser extraída del material; - el área de la superficie expuesta al aire y su pendiente con respecto a la dirección de la corriente; - la velocidad de difusión del líquido en el material;

158

Secado

- la relación entre

tensión superficial del líquido a evaporar presión de vapor de la atmósfera

A medida que aumenta la temperatura del aire, mayor será la cantidad de agua que este puede retener en suspensión. Ya que el aire, en la mayoría de los secaderos utilizados en la cerámica, se utiliza como medio para extraer la humedad que se elimina de los mismos, resulta que: • su temperatura determina la cantidad de agua que se puede tener en suspensión; • su estado higrométrico determina, para una temperatura dada, la cantidad de agua que se puede extraer del material; • su velocidad determina la velocidad de evaporación y regula el estado higrométrico del ambiente. Es posible controlar el volumen, la temperatura y la velocidad del aire muy bien cuando se conoce también su estado higrométrico. A continuación, se presentan algunas definiciones y unidades de medida relacionadas con las características del aire utilizado en la fase de secado. Glosario •

HUMEDAD ABSOLUTA la cantidad de agua por kg de aire seco.

•

HUMEDAD RELATIVA

•

HUMEDAD PORCENTUAL

presión de vapor del aire presión de vapor de saturación

cantidad de vapor de agua contenida por kg de aire seco cantidad de vapor de agua que estaría contenida en un kg de aire seco si estuviera completamente saturado

•

TENSIÓN DE VAPOR La presión de vapor en equilibrio con el líquido.

•

TENSIÓN SUPERFICIAL La fuerza que actúa sobre la superficie de un líquido, tendente a minimizar el área de la superficie.

159


•

TEMPERATURA DEL BULBO HÚMEDO La temperatura obtenida al sumergir el bulbo en agua, cuya superficie está expuesta al aire. El calor sensible trasladado desde el aire al agua es igual al calor latente de evaporación del agua.

•

CALOR LATENTE DE EVAPORACIÓN La cantidad de energía requerida para evaporar una unidad de líquido, a presión y temperatura constante. Conocida también como entalpía de evaporación.

•

CALOR ESPECÍFICO HÚMEDO La cantidad de calor necesaria para incrementar la masa de un material un grado de temperatura, sin que ocurran cambios de tipo químico o transiciones de fase.

•

DIAGRAMA PSICOMÉTRICO O HIGROMÉTRICO Gráfico en el cual cada punto representa una condición específica de un sistema gas-vapor (p. ej. aire y vapor de agua) con respecto a la temperatura y a la humedad absoluta. Además, en el mismo diagrama, la humedad relativa, la temperatura del bulbo húmedo y el calor latente de evaporación se indican por medio de las líneas (figura 2).

De lo anterior resulta evidente que el proceso de secado está condicionado por el estado higrométrico del aire a las diferentes temperaturas y, por consiguiente, para una gestión racional del secadero, es indispensable medir, especialmente en las zonas críticas, el grado de humedad presente en el aire. Ya que la evaporación genera enfriamiento, la temperatura del sólido se reduce de manera correspondiente al estado de sequedad del aire. El dispositivo está provisto de dos termómetros iguales: uno con el bulbo al aire, que mide directamente la temperatura del aire de ambiente, y el otro con el bulbo protegido por una funda de algodón que lo mantiene constantemente mojado. Los dos termómetros señalan solamente una temperatura igual en el caso de la completa saturación del aire de ambiente (100% de humedad relativa), ya que en esta condición la evaporación del agua es nula; en cambio, la diferencia entre las dos temperaturas es máxima en el caso de completa sequedad del aire de ambiente. A partir de las medidas termométricas del bulbo seco y del bulbo húmedo se han puesto a punto los diagramas que permiten determinar los valores de humedad de las mezclas aire-vapor de agua, en condiciones de presión total constante de 1 atm (figura 2). Un secado correcto requiere: - cuidadosa evaluación de los parámetros termo-higrométricos de proceso; - correcta formulación de la pasta. Lo que se traduce en • limitación de la contracción para contener las deformaciones; • aportación al producto de la resistencia mecánica adecuada para resistir las tensiones de secado y permitir la manipulación en las siguientes fases.

160

Secado

Figura 2. Diagrama psicométrico.

161


Por lo tanto, los parámetros a tener en cuenta para la correcta formulación de las pastas son: • porcentaje de las materias primas plásticas: aumentan la cohesión de los objetos secos, pero incrementan la contracción; • naturaleza mineralógica de las arcillas: las arcillas desfloculadas en el estado natural forman en el secado un tejido compacto e impermeable. Son escasamente dispuestas a adsorber cationes, formando así estructuras más abiertas y permeables que permiten una deshidratación más rápida; • porcentaje de materias primas no plásticas: empeoran la resistencia mecánica en crudo, pero ayudan a contener la contracción (sobre todo si son de granulometría fina); • porcentaje de agua: incrementa la contracción y la plasticidad. En efecto, la finura granulométrica de las partículas arcillosas es proporcional a la higroscopicidad de la pasta; • presión de conformación: influye en la tendencia al secado, y a una mayor compresión corresponde una menor permeabilidad a la difusión del agua; • geometría de las piezas: es muy importante. En efecto, el secado se facilita por los objetos con una elevada razón superficie/volumen (aumenta la velocidad de secado a medida que se reduce el espesor). Maquinaria Los secaderos más utilizados en el sector de las baldosas cerámicas son tanto del tipo vertical como horizontal. Aunque los principios tecnológicos básicos inherentes al secado son equivalentes, la dinámica es ciertamente diferente, ya que al modificar los ciclos, varían notablemente los tiempos en los cuales las mismas tensiones (contracción, aumento de la resistencia mecánica, etc.) se desarrollan. Por lo tanto, las condiciones de trabajo de la máquina y las condiciones físicas del aire (temperatura máxima, velocidad, volumen y estado higrométrico) deben ser necesariamente diferentes para los dos tipos de secaderos. Secaderos rápidos verticales Los secaderos verticales representan la máquina ideal a incorporar en las líneas automáticas para la fabricación de baldosas, y constituyen una unidad de secado de altas prestaciones. Están dotados de sistemas orientados a la obtención de los máximos resultados tecnológicos: baja humedad residual, uniformidad de la temperatura entre las baldosas, resistencia mecánica del producto y bajos consumos (figura 3). Un secadero vertical automático se compone esencialmente de un armazón vertical, dentro del cual se mueven, arrastradas por dos cadenas, las cestas compuestas por diferentes planos de rodillos o bastidores donde se sitúan las baldosas a secar. Las baldosas se cargan automáticamente sobre los planos de las cestas mediante la rotación de los rodillos que las componen. La carga y descarga del material del plano se produce simultáneamente, sin choques entre las baldosas. 162

Secado

Figura 3. Secadero rápido vertical

El secado se realiza por un flujo de aire caliente generado por ventiladores y quemadores que, aprovechando el intercambio por convección con las baldosas, permite obtener un producto adecuado para las siguientes fases de elaboración (esmaltado, cocción, etc.), por lo tanto con: - baja humedad; - buena resistencia mecánica; - determinados valores de temperatura. A continuación se presenta el esquema de un secadero vertical y los conjuntos de dispositivos funcionales para la fase de carga y descarga del mismo (figura 4). La figura 5 presenta en cambio el esquema de un secadero vertical dotado de una unidad de preventilación y con una unidad de enfriamiento a la salida. La diferente gestión de las condiciones, por cuanto se refiere a la temperatura, volúmenes y humedad relativa de los flujos, se obtiene con tres grupos autónomos, que forman tres zonas distintas. En la primera zona (tramo ascendiente donde entra el material), el aire procedente de un ventilador y calentado por el generador de calor, entra en contacto con las baldosas con un movimiento paralelo a su superficie. De la perfecta distribución del aire se encargan parrillas, de inmisión y de aspiración, que dirigen el aire de acuerdo con los planos de cada zona del secadero. El aire, después de haber atravesado las cestas, se aspira por la canalización interna y se recircula en gran parte por medio del ventilador, mientras que 163


1. Estructura portante 2. Paneles aislantes 3. Cadena de las cestas 4. Motorización 5. Cestas 6. Mandriles

7. Sistema de lubricación 8. Plano de servicio 9. Plano de servicio superior (solo para EVA902, 903, 992) 10. Canalización interna 11. Generador de calor

12. Quemador 13. Grupo de estabilización 14. Chimenea 15. Instalación neumática 16. Instalación eléctrica 17. Cabina eléctrica 18. Teclado de control

Figura 4. Esquematización del secadero vertical y vista de conjunto de los dispositivos funcionales de la fase de carga y descarga.

una porción regulable se expulsa por el ventilador de la chimenea y se reintegra con el aire exterior. En la segunda zona, tramo descendiente de las baldosas, hay un circuito análogo al precedente, pero completamente independiente de ello, en cuanto realizado con el segundo ventilador, un quemador y un registro propio de aspiración de aire externo. Otro ventilador gestiona el funcionamiento de la zona de estabilización, en la parte final del ciclo de secado. Esta se ha desarrollado continuamente, para satisfacer la exigencia cada vez mayor de obtener temperaturas uniformes de las baldosas. Para alcanzar este objetivo es necesario exponer las baldosas a flujos de aire, oportunamente dirigidos, a temperatura constante; esto se obtiene, mezclando el aire caliente procedente de la segunda zona, con aire frío procedente del exterior en una proporción dosificada por una válvula de modulación apropiada. Este proceso permite obtener las condiciones ideales para las aplicaciones siguientes (esmaltado, sales solubles, rectificación, etc.). El ciclo de secado se orienta normalmente a exponer enseguida las baldosas a temperaturas elevadas, compatibles con su capacidad de soportar la rápida eliminación inicial 164

Secado

SEGUNDA ZONA

PRIMERA ZONA

ZONA DE ENFRIAMIENTO

ZONA DE ESTABILIZACIÓN

Figura 5. Esquema de la circulación del aire con unidad de enfriamiento.

del agua, de modo de poder programar, en la segunda zona, una temperatura más baja y, por lo tanto, más cercana a la final. Se obtienen así la máxima eficacia en la estabilización y elevados valores de resistencia mecánica. Las instalaciones han sido diseñadas para poder realizar un ciclo compatible con los productos delicados, con la posibilidad de crear, mediante la regulación de un registro, una zona inicial de calentamiento con bajos volúmenes de aire, que permite un calentamiento inicial del material más gradual. Para obtener una temperatura muy baja de las baldosas de salida (inferior a 65 ºC), se puede dotar la instalación de dos ventiladores axiales que introducen aire a temperatura ambiente en la zona inferior del secadero. En función de las condiciones de secado y del ambiente es posible alcanzar temperaturas del material seco de 40-50 ºC. La carga y descarga de las baldosas se desarrollan sin golpes y con la máxima versatilidad; en el caso de un cambio de formato, esto se asegura por una rodillera de entrada y salida, por el posicionamiento exacto en la cesta de las baldosas que ya llegan en 165


cuadratura, por la motorización doble de los rodillos que evita el deslizamiento y por el codificador que controla su rotación. La movimentación de las cestas por un accionamiento de frecuencia variable (variadores de frecuencia) en el motor del sistema de cadenas, asegura la máxima precisión y constituye un válido control electrónico contra las sobrecargas de tracción; por otra parte, un sistema de guías en todo el recorrido de la cesta asegura siempre su posicionamiento correcto. Las cestas son sustentadas por brazos especiales que, sujetos a la cadena, aseguran su movimentación sin roces y, por lo tanto, con baja potencia absorbida. El elevado espesor del material aislante de los paneles termoaislantes reduce al mínimo la dispersión térmica. A continuación, se presentan algunos gráficos que representan claramente las potencialidades de estos secaderos (figura 6 y tabla 1). Secaderos horizontales A partir de la práctica operativa de los primeros secaderos rápidos se han podido deducir algunos conceptos fundamentales en el caso del secado de baldosas conformadas con una humedad residual muy baja (4-7%).

Tiempo de secado (min)

1. La ventilación: debe ser cuanto más posible con un flujo paralelo a las caras del producto, dando lugar a un calentamiento y extracción de vapor homogéneo de la pieza. 2. La temperatura del aire de secado: desempeña un papel fundamental en la velocidad de evaporación.

Velocidad de la prensa (ciclos/min)

Figura 6. Relación entre capacidad productiva del secadero y tiempo de secado.

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Secado

Tabla 1. Tiempos de secado con relación al formato y al espesor de las baldosas.

3. La velocidad de evaporación del agua: por el contrario, es la menos influenciada por la velocidad del aire y su humedad relativa (excepto para valores extremos de las dos magnitudes, y con referencia a una temperatura de la pieza estabilizada). Todo esto se puede obtener mediante el desplazamiento de las baldosas prensadas, en un estrato único sobre los rodillos, a lo largo de uno o más planos (hasta 5), por un túnel termoaislado y alimentado con aire caliente generado por quemadores apropiados o recuperado de la chimenea de los hornos, y con aire de evacuación de la humedad aportado por generadores apropiados (figuras 7 y 8). En las figuras 9, 10 y 11 se pueden observar algunos diagramas que correlacionan las

Figura 7. Secadero horizontal de múltiples planos.

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Figura 8. Secadero de tipo horizontal

Velocidad de secado (kg/m2 h)

Velocidad del aire (m/s)

Figura 9. Relación entre la velocidad del aire y la velocidad de secado expresado en kg/m2 h.

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Secado Velocidad de secado (kg/m2 h)

Humedad del aire (%)

Figura 10. Relación entre la humedad del aire en % y la velocidad de secado expresado en kg/m2 h.

Velocidad de secado (kg/m2 h)

Temperatura del aire (ºC)

Figura 11. Relación entre la temperatura del aire en ºC y la velocidad de secado expresado en kg/m2 h. 169


variables que intervienen en el proceso de secado de un producto cerámico: W = Humedad porcentual en peso de la pieza V = Velocidad del aire que entra en contacto con una cara plana Wr = Humedad relativa del aire de tratamiento T = Temperatura del aire de tratamiento Nota: por velocidad de secado se entiende el peso en kg de agua liberado de la superficie de un metro cuadrado en el tiempo de una hora. A partir de los gráficos se aprecia que la velocidad de secado es mucho más elevada para las muestras que presentan importantes contenidos de agua (12% por ejemplo). Sin embargo, se puede observar también que la humedad relativa del aire no desempeña un papel tan fundamental en el secado de las baldosas que presentan valores de humedad del orden del 5-7% o valores más bajos. Esto es una gran ventaja, ya que los secaderos rápidos son también equipos de funcionamiento discontinuo y, por lo tanto, la humedad relativa puede experimentar notables variaciones, sobre todo durante los ciclos de arranque y los momentos de parada del secadero. El comportamiento tecnológico, como ya hemos indicado, en el caso del secado horizontal (con ciclos muy rápidos), no dista, a nivel teórico, de manera sustancial de aquél descrito y representado anteriormente en el capítulo relativo al “secado” del primer tomo. Puede suceder, por el contrario, que si el contenido de humedad es muy bajo, se pueda acelerar la evaporación con un secado fuera de los cánones tradicionales, ya que el cuerpo cerámico puede llegar a tener por encima de los 100 °C y generar la formación de vapor en los capilares, por cambio directo de fase del agua. Condiciones de evaporación A continuación, en la tabla 2, se presentan las velocidades máximas de evaporación del agua para determinados materiales en función de la temperatura de tratamiento. VELOCIDADES MÁXIMAS DE EVAPORACIÓN OBTENIDAS (VE MÁX) (kg/m2h) en función de la temperatura de tratamiento

Tabla 2. Velocidad máxima de evaporación obtenida en función de la temperatura de tratamiento (Ve máx. kg/m2h).

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Secado

En la figura 12 se presenta en cambio el recorrido indicativo de la velocidad máxima de evaporación (Ve máx kg/m2h) en función de la temperatura de tratamiento. Considerando la velocidad de secado que se podría obtener en función del tamaño y del espesor de las baldosas, se puede afirmar que es posible obtener grandes velocidades de evaporación, sin ningún perjuicio de las piezas, con la ayuda solo de aire caliente, sin recurrir a otros sistemas de secado, de los cuales a continuación presentamos algunos conceptos generales: Velocidad de evaporación (kg/m2h)

Temperatura de tratamiento (°C)

Figura 12. Velocidad de evaporación (kg/m2h) en función de la temperatura de tratamiento.

Rayos infrarrojos Más que de secado, se debería hablar de calentamiento, ya que la radiación electromagnética de longitud de onda entre 0.8 y 3 micras, encontrando el cuerpo cerámico, solo lo permea por algunos décimos de mm, al resultar también el agua opaca a radiaciones de esta longitud de onda. La cesión de calor a las caras de la baldosa puede ser muy rápida, pero el calentamiento al interior de la pieza se produce siempre por conducción interna y el secado, que debe desarrollarse siempre por medio de una corriente de aire que extrae el vapor, podrá proceder rápidamente solo si la temperatura de la pieza es tal de reducir sensiblemente el valor de la viscosidad cinemática del agua en los capilares de la pasta. Una desventaja fundamental es la presencia de fuentes de radiación de alta temperatura y, por lo tanto, de elevada acumulación térmica. 171


Por consiguiente, es difícil poder gestionar el sobrecalentamiento que se ocasiona en el material que permanece bajo las fuentes de calor mismas a causa de la detención de la máquina. Naturalmente, el uso de fuentes radiantes de energía eléctrica en este caso sería prohibitivo por los elevados costes energéticos. Microondas Las microondas de interés para el calentamiento de los cuerpos cerámicos son las de frecuencia alrededor de 2.5 Giga Hz, dirigidas sobre el material por medio de adecuadas guías de onda. Las moléculas de agua que se traen como un dipolo resonante disipan energía y, en combinación, se puede obtener un rápido calentamiento también dentro de la pieza (aunque de modo no homogéneo por la presencia de un efecto de borde). Se debe proceder luego a una ventilación simultánea con aire caliente para extraer el vapor. Las desventajas de este sistema son fundamentalmente: a) Instalación muy cara. b) Altos costes de secado ya que se utiliza, aunque con elevado rendimiento, energía térmica derivada de la energía eléctrica. c) Posibles problemas de seguridad e higiene ambiental en cuanto que las fugas de radiación de esta frecuencia también pueden producir daños de diferente naturaleza en el sistema nervioso central. Aspectos tecnológicos Por lo que se refiere a los aspectos tecnológicos en el caso del secado rápido horizontal, estos pueden considerarse similares a los ya indicados en el capítulo correspondiente al secado de los materiales con secaderos verticales. También las condiciones de formulación de las pastas deben tener en cuenta los aspectos ya indicados, así como las diferentes condiciones de elaboración, ciclos de secado, velocidad del aire, grado higrométrico y temperatura de la misma. Por comodidad se considera útil presentar una vez más, también en el caso del uso de los secaderos horizontales, las condiciones correctas de secado. Un secado correcto requiere: - cuidadosa evaluación de los parámetros termo-higrométricos de proceso; - correcta formulación de la pasta. Lo que se traduce en: • limitación de la contracción para contener las deformaciones; • conferir al objeto la resistencia mecánica adecuada para resistir las tensiones de secado y permitir la manipulación en las siguientes fases.

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Secado

Por lo tanto, los parámetros a tener en cuenta en la correcta formulación de las pastas serán los mismos descritos para el secado vertical. Relación entre el ciclo de secado y el espesor/dimensión de las piezas El espesor y la dimensión de las piezas desempeñan un papel importante en el dimensionado de los secaderos y, por lo tanto, en los relativos ciclos de secado. Las experiencias a escala de planta piloto y la comparación con los resultados obtenidos en la realidad productiva han permitido elaborar una fórmula sencilla que en el dimensionado del ciclo de secado tenga en cuenta el espesor y el lado más largo de la pieza. Las fórmulas se presentan a continuación y se refieren a dos “distribuciones de planta” diferentes: PRENSA ⇒ SECADERO ⇒ ESMALTADO Teo = (S)3/2 + (0.02 × Lm) × Ko Teo : tiempo de secado en minutos Ko : coeficiente del material : 0.40 monococción blanca y roja : 0.45 monococción porosa blanca y roja : 0.55 gres porcelánico (sales solubles) S : espesor total mm Lm : lado mayor en mm PRENSA ⇒ SECADERO ⇒ ALMACENAMIENTO Teo = (S)3/2 + (0.02 × Lm) × Ko Teo : tiempo de secado en minutos Ko : coeficiente del material : 0.47 gres porcelánico (monocromo, sal y pimienta) : 0.60 gres porcelánico (granos grandes) S : espesor total mm Lm : lado mayor en mm Consideraciones generales Considerando los resultados relativos a las velocidades de evaporación que se puedan obtener sin provocar daños en el producto, existiría la tentación de realizar secaderos con ciclos muy rápidos, pero el punto clave, podemos decir el “nodo” tecnológico de un secadero moderno, es en parte la duración del ciclo, pero sobre todo la constancia de la temperatura de las piezas de salida que, como se sabe, puede condicionar en gran medida el resultado de la fase de esmaltado. Solo los ciclos de secado no extremos permiten el uso de aire con una temperatura tal 173


de poder también controlar, con los oportunos dispositivos gestionales de termorregulación, la temperatura de las piezas de salida, incluso después de paradas prolongadas. Por otra parte, desde el punto de vista termodinámico, el uso de aire de temperatura elevada, para no tener excesivas pérdidas por la chimenea, obligaría a trabajar con contenidos de vapor muy altos, con la probable consecuencia de condensaciones indeseadas sobre las piezas mismas. Los aspectos fundamentales para este tipo de secado son: 1) Ciclo de secado adecuado al espesor de las baldosas y uso de temperaturas no muy elevadas. 2) Control de la temperatura de las piezas a la salida del secadero. 3) Contención de los consumos específicos. 4) Mecánica sencilla y estorbos limitados. Generalmente, cada tipo de prensa posee su propio secadero con boca frecuentemente tal de aceptar la duplicación de las salidas del molde y, por lo tanto, máquinas de alimentación menos costosas y con funciones más simples, llegada del material al secadero y a la esmaltadora con una frecuencia constante (sin discontinuidad o huecos producidos por los formadores de filas a la entrada) con la máxima saturación de la máquina, ciclos de secado rápidos y espacios ocupados muy reducidos. La instalación de máquinas de sección más ancha, también con la utilización de las prensas típicas requerida por los secaderos verticales, ha sido posible a partir de la adopción de un planteamiento particular que permite también la sustitución de los rodillos con muy poco espacio lateral. En el caso de los secaderos horizontales de múltiples planos, nos hemos referido a un sistema conceptualmente no original, ya que se conoce en la industria de los tratamientos térmicos desde hace décadas, y que por otro lado se había adoptado ya (en parte) en los secaderos verticales para baldosas en la realización con ventilación desdoblada (es decir, se ha considerado el secadero como una sucesión de celdas de ventilación, figura 13). Cada celda puede tener una condición termo-higrométrica bien determinada y completamente independiente de las adyacentes, estando dotada cada una de un ventilador de circulación, generador de aire caliente, toma para el aire de renovación y para la expulsión del aire usado a la chimenea. El aire de recirculación entra y sale de la celda por tolvas transversales, unidas a las bajadas laterales presentes en el lado opuesto a la motorización para tener el mayor espacio a disposición y asegurar de este modo, una óptima y equilibrada alimentación en los diferentes planos. Se ha recurrido a una especie de emisión/aspiración interna “girada”, para explotar al máximo la longitud de la celda de secado, que se produce por ranuras de sección variable, y se han realizado transportadores y deflectores especiales para asegurar la uniformidad del flujo de aire en el sentido transversal. El producto en fase de secado entra en contacto con una corriente “paralela” a las caras y cada plano está delimitado por una serie de chapitas perfiladas desmontables, encargadas de definir la cámara de tratamiento. La extracción del aire usado de la celda se realiza en el punto más favorable, es decir donde el aire de recirculación posee el menor nivel entálpico para obtener así el mayor rendimiento termodinámico.

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Secado

Figura 13. Secadero horizontal de múltiples planos (detalle de los flujos de circulación del aire).

Por lo tanto, con esta estructura es posible obtener una curva real de secado, con la delimitación de una zona final de “estabilización” que es muy útil para el control de la temperatura de las piezas de salida, después de la fase de evaporación del agua. Durante las paradas generadas por la detención de la esmaltadora, la variación de temperatura resultante de las piezas de salida se controla por medio de la estructuración, por parte de la lógica de regulación, de una curva de temperatura de mantenimiento que se obtiene con gradientes estructurables, y la reducción de la temperatura interior puede ser más rápida a través de la apertura mediante servomotor de las válvulas de aspiración del aire de ambiente. La motorización de los rodillos es la tradicional utilizada en los hornos, con engranajes helicoidales en “cárter” cerrado y en baño de aceite, que resulta fiable y prácticamente libre de mantenimiento.

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Secado

Capítulo V TÉCNICAS DE APLICACIÓN DE LOS ESMALTES Y LA DECORACIÓN

Los esmaltes se pueden utilizar en diferentes estados físicos: suspensiones acuosas, suspensiones no acuosas, granulados (granilla, sinterizados o peletizados) y polvos. Generalmente se suelen delegar las técnicas de preparación de los esmaltes en el estado sólido, granulados y polvos, a los fabricantes de colores cerámicas. Las empresas azulejeras normalmente se ocupan sobre todo de la preparación de esmaltes compuestos por medio de molienda y homogeneización para adecuarlos a la siguiente, delicada fase de aplicación. Preparación de los esmaltes 1) La sección de preparación de esmaltes Debe ser concebida para la planta de destino. La ubicación más lógica, cuando es posible, está entre el almacén de stock y la esmaltería para poder reducir al mínimo el transporte. En el pasado, muchas secciones de preparación de esmaltes han sido ubicadas en locales adecuados subterráneos, justo debajo del plano de trabajo de la esmaltería que ha sido alimentada directamente. Actualmente, se prefiere una organización completamente fuera de la tierra, tanto para las balsas como para las máquinas, y se recurre a soluciones diferentes, pero más caras y menos ergonómicas, solo en el caso de falta de espacio o problemas logísticos insolubles. La sección moderna debe estar diseñada para facilitar el trabajo del personal, con seguridad y precisión, con la obtención a continuación de un producto fiable y constante, de acuerdo con los objetivos de la siguiente fase de aplicación. La sección debe estar dotada de los medios necesarios y suficientes para permitir una gestión económicamente correcta. Si tomamos el ejemplo de una fábrica media (2 millones de m2 de monococción al año), a la cual nos referiremos a continuación, esta tendrá que estar equipada por lo menos de: - 5 molinos de 5000 l; - 2 molinos de 1200 l; - 1 molino de 1000 l; - 3 molinos de 400 l; Nos podemos encontrar con 10 diferentes esmaltes en la producción al mismo tiempo. Es necesario, por lo tanto, disponer de al menos 25 balsas de agitación, con capacidad de 2 molinos cada una. Esto permitiría molturar solo por la noche, con un bajo coste energético y reducidos problemas de ruido. 177


Figura 1. Diseño de un molino Alsing y detalle del revestimiento interior.

2) La maquinaria La maquinaria utilizada en la preparación de los esmaltes es la siguiente: - Molinos Alsing, de diferente capacidad. Los más utilizados son de 5000 l, pero van de 300 l, utilizados para ensayos de flameado, hasta los 12,000 l para los esmaltes de gran tirada. Generalmente están dotados de esferas de molienda de alúmina sinterizada, que se consumen a una velocidad de 500 a 2000 g/t de esmalte molturado. El revestimiento es generalmente de alúmina sinterizada con una vida útil de unas 20,000 horas. El caucho y la sílice ya no se emplean en este campo. La tapa utilizada para la descarga debe ser de acero inoxidable. Es conveniente controlar periódicamente, con los dispositivos adecuados, el estado de los cubos, sujetos a grietas de fatiga, especialmente en las máquinas de cierta edad. El consumo energético es de aproximadamente 10 kW/t de esmalte molturado por hora de molienda con 17 revoluciones/min. - Balsas de agitación. Son de diferente diseño: octagonales, de cemento plastificado o revestido con cerámica, o bien cilíndricas de acero inoxidable. La capacidad media es de 4 m3 y puede acomodar el contenido de 2 molinos de 5000 l. Las balsas deben estar cubiertas y están provistas de un agitador constituido por un grupo motorreductor directamente encajado en el árbol que sustenta la estructura que debe transmitir al esmalte la turbulencia suficiente para evitar la sedimentación. Los agitadores giran lentamente (aproximadamente 20 revoluciones/min) y a veces de manera discontinua (de 10 a 20 min/h). Por este motivo, el sistema de transmisión del motorreductor al agitador debe ser diseñado de modo de no ceder por los repetidos arranques. Actualmente, esto se puede obviar también con un variador de frecuencia que permite, además, modificar las revoluciones a voluntad. Entre el grupo motorreductor y el árbol es conveniente insertar un plato de acero inoxidable capaz de contener eventuales pérdidas de aceite y evitar la contaminación del esmalte. El perfil del agitador debe seguir lo más fielmente posible la sección vertical de la balsa, con particular respecto al fondo, que debe estar rozado por las palas para evitar fenómenos de sedimentación y cementación. Existen también agitadores de hélice o turbina, pero se utilizan solo como agitadores móviles. 178

Técnicas de aplicación de los esmaltes y la decoración

Estos deben trabajar a un alto número de revoluciones, con el consiguiente sobrecalentamiento de los esmaltes y riesgo de emulsionado de aire con graves consecuencias en su comportamiento reológico. El número de balsas debe ser tal de permitir un correcto almacenamiento del esmalte. Se trata generalmente de tener a disposición una balsa para el uso, de la cual se retira el esmalte destinado a la esmaltería, y una en fase de llenado, sometida a todas las comprobaciones y eventuales puestas a punto. El almacenamiento del esmalte no debe ser demasiado elevado, sobre todo en verano, ya que los fenómenos de hidrólisis y agresión bacteriana podrían comprometer las características reológicas. Para las operaciones de trasiego y descarga, es conveniente utilizar tubos flexibles con insertos esféricos rápidos y válvulas de mariposa, menos expuestos a agarrotamiento, realizados todos de acero inoxidable. Hace falta evitar rigurosamente todo lo que tiene que ver con el cobre, bronce y latón. - Bombas. Existen diferentes tipos. Se suelen utilizar: • Bombas de membrana para operaciones de trasiego y para desplazamientos que no requieren altas presiones. Tienen la ventaja de ser muy seguras, ya que no poseen una instalación eléctrica. Existen para todos los requisitos de caudal. Monobombas. Son de tipo volumétrico. El empuje se produce a través de un husi• llo de acero que gira dentro de una funda de caucho. No deben funcionar nunca en seco. Requieren mucho mantenimiento. Se utilizan cada vez menos para el transporte de esmaltes y barbotinas, en general, precisamente a causa del alto coste. También son idóneas para el transporte a larga distancia con presiones elevadas (de 5 a 7 atm). • Bomba peristáltica. Exprime la barbotina por una tubería flexible de caucho antidesgaste a través de un rotor de tres o más razas que acaban en un rollo. Tiene un funcionamiento pulsante menos marcado que la bomba de membrana. Es autocebante. Se ha difundido mucho en los últimos diez años gracias a las buenas prestaciones también para usos muy intensos y el bajo coste de mantenimiento. • Centrifugadoras. Son las menos caras. Existen en una versión completamente revestida de caucho para evitar la contaminación o de acero inoxidable. No son autocebantes. No alcanzan altas presiones manométricas. Mantenimiento frecuente pero poco costoso. - Vibrotamiz. Actualmente se emplean universalmente los vibrotamices circulares de alto rendimiento. La eficacia se obtiene por el diámetro y la frecuencia de vibración que hoy se puede incluso optimizar con el uso de variadores de frecuencia. Sin embargo, no existe todavía una máquina capaz de permitir un tamizado eficaz entre 80 y 90 micras con altos caudales y densidades. Utilizando los diámetros máximos (aproximadamente 120 cm) se llega con dificultad a 110 micras, y no con todos los esmaltes. - Desferrizadores. La exigencia de eliminar impurezas magnéticas del esmalte está siempre muy presente. Se ha conseguido algún avance, pero se deja todavía mucho a la atención y a la capacidad del operador. En efecto, si los desferrizadores estáticos no se lavan en el momento oportuno, pueden dar resultados contrarios a los esperados, ya que provocan la agrupación de las partículas, también las pequeñísimas, que por sí solas no provocarían daños, en agujas que, alcanzadas una cierta dimensión, pueden ser arrastradas por la corriente del esmalte y causar daños en la producción. 179


Los desferrizadores son de diferentes tipos. Los más utilizados son: - de barrotes. Suelen estar formados de cartuchos en cuya tapadera están soldados tres barrotes magnéticos cilíndricos. Presentan una escasa superficie de contacto, pero pueden ser insertados en grupos y en serie. Son de fácil limpieza e inspección; - de nido de abeja. Ofrecen una mayor superficie activa. Están constituidos por imanes permanentes en forma de discos perforados superpuestos. De limpieza más difícil; - de rodillo. Es la máquina más reciente y también la más cara. Está formada por un rodillo (diámetro de 250 mm, longitud de 800 mm), parcialmente inmerso en el esmalte. El rodillo electromagnético gira sobre si mismo y extrae del esmalte las impurezas magnéticas que luego son eliminadas por un rascador adecuado. El funcionamiento es continuo. En los últimos modelos, el electroimán de 3000 gauss, que al calentarse durante el funcionamiento pierde rendimiento hasta solo dar 1500 gauss, ha sido reemplazado por un imán permanente de 5000 gauss. La eficacia de los sistemas de desferrización depende obviamente del caudal y de la densidad de los esmaltes en una relación inversamente proporcional. 3) Balanzas y sistemas de pesaje En líneas generales, sería conveniente que las empresas cerámicas conocieron las composiciones de sus propios esmaltes. Esto, en efecto, les permitiría optimizar el uso de las fritas y componentes, evitando su proliferación con los consiguientes graves problemas de control y gestión. De lo contrario, aumenta el trabajo de pesaje que lleva consigo también la posibilidad de error. Además, se hace indispensable poseer un buen sistema de control de lo que se adquiere. También existen soluciones intermedias: por ejemplo, se pueden adquirir de los fabricantes de colores productos ya preparados (sacas o sacos), a integrar con las propias personalizaciones. Esto facilita las operaciones de pesaje, pero dificulta los controles sobre los compuestos de llegada. Finalmente, se pueden adquirir compuestos ya completamente preparados. Esto facilita el control y las operaciones de pesaje. En muchos casos, los tres sistemas coexisten y es el responsable de la organización quien debe, en su momento, realizar la selección más apropiada. En todo caso, es conveniente que la sección de preparación de esmaltes (s.p.e.) esté dotada de una buena serie de balanzas de tipo electrónico de lectura digital con los siguientes caudales: - plataforma en tierra de 2000 o 3000 kg; - plataforma en tierra de 300 kg. Las balanzas pueden estar conectadas a una impresora. Se están difundiendo sistemas de pesaje conectados a un PC que permiten un óptimo control del pesaje de la receta y efectúan, en su contexto, la puesta al día de los stocks del almacén en tiempo real. Estos sistemas pueden proporcionar luego también muchos datos adicionales muy útiles para la gestión, además de facilitar la puesta al día de las formulaciones y los costes de formulación. Si los sistemas de pesaje se han desarrollado, no se puede decir lo mismo del sistema de carga de los molinos. En efecto, con excepción de las cargas ya compuestas en las sacas, todas las otras composiciones requieren todavía diferentes operaciones manuales pesadas de desplazamiento y levantamiento de sacos y auténticos contenedores. Por otra parte, la extrema variedad de las composiciones no permite automatizar las operaciones de carga. 180


La solución podría encontrarse en la cuidadosa normalización de los esmaltes a utilizar en la producción, con la consiguiente reducción del número de componentes empleados en su formulación. Con un número limitado de componentes, se podría también empezar a pensar en un sistema de ensilado y pesaje semiautomático. Hoy en día, en casi la totalidad de las secciones de preparación de esmaltes, se pesan o se cuentan incluso los preparados, confiando en el hecho que sean de peso constante. Formados los palets sobre los cuales se encuentra colocada la carga del molino, estos se levantan hasta el plano de carga con montacargas o carretillas elevadoras. O bien, los diferentes preparados se vierten en un recipiente situado en tierra, y este luego, provisto de una trampilla de descarga, se levanta con una polea o montacargas hasta la boca del molino, donde se descarga. Obviamente, en todas las operaciones de pesaje hace falta tener en cuenta la humedad de los componentes y el peso de los embalajes. 4) Observaciones sobre la molienda de los esmaltes La molienda es la operación más costosa de la sección del punto de vista energético y la energía empleada por los molinos constituye una buena parte (acerca del 10%) del consumo total de la fábrica. Por este motivo es conveniente que la molienda se realice durante las horas nocturnas. Es imposible optimizar la molienda en el caso de los esmaltes, a causa de la fuerte variabilidad de las composiciones. Se debe prestar mucha atención, en cambio, a los medios que se tienen a disposición: agua y aditivos. Estos últimos aparecen generalmente ya en la formulación del esmalte y pueden ser colas a base de CMC, fluidificantes de diferente naturaleza (soluciones de TPF, hexametafosfato, poliacrilatos, etc.), suspensionantes (generalmente NaCl). El agua tiene una gran importancia: si proviene de la red se puede proceder, en caso de necesidad, a un intercambio iónico; si proviene de un pozo, debe ser sometida a diferentes operaciones en función del tipo de impureza presente: filtro de arena, de carbonos activos, hidrociclones, intercambio iónico. En todo caso, es aconsejable que el agua usada para los esmaltes sea por lo menos filtrada con un tamiz de 63 micras. El uso de las aguas depuradas, recicladas para la preparación o dilución de los esmaltes es absolutamente desaconsejable: en efecto, aunque clarificadas, poseen indudablemente una conductibilidad muy alta y una carga elevada de sales solubles reológicamente activas y con características tensioactivas. También el recurso a los aditivos debe limitarse al mínimo realmente indispensable, porque todo lo que de extraño se aditiva para solucionar un problema crea luego otros, aguas abajo en la elaboración. La carga de molienda debe mantenerse constante a través de la incorporación de esferas de tamaño grande e intermedio (con relación a las dimensiones utilizadas en la carga), realizada con una frecuencia regular, generalmente de forma semanal, pero posiblemente en cada carga de molino. Además, el nivel de las esferas debe ser controlado por lo menos mensualmente, midiendo la distancia entre la superficie de la carga y la boca del molino. En el caso de sospecha de la presencia de contaminantes, manifestada por puntos oscuros de diferentes tipos en las baldosas, es necesario proceder al vaciado del molino y al control de la carga de molienda donde se pueden esconder cuerpos extraños de la más variada procedencia: restos de fritas demasiado gruesas, aluminio (palas), cables eléctricos, diferentes tipos de hierro, plástico, madera, etc. La comprobación de la carga con el 181


vaciado del molino debe realizarse en todo caso de forma metódica, al menos semestralmente. No es conveniente extraer, en estas ocasiones, mediante tamizado, la parte más pequeña de la carga de molienda: de hecho, se alteraría el equilibrio, con la consiguiente variación de los tiempos de molienda y distribución granulométrica. Generalmente, el tiempo de molienda se regula por un cuentarrevoluciones escalar, que se programa en su momento en función del esmalte en elaboración. Se debe prestar particular atención en la fase de salida del molino, momento de máximo esfuerzo y solicitación de las correas de transmisión. En la primera media hora, el esfuerzo puede incluso aumentar y, si las correas no están oportunamente tensionadas, estas tienden a desviar y, por lo tanto, a desgastarse de modo irremediable, llegando a veces a incendiarse con graves daños económicos. Es conveniente, por tanto, que los molinos se arranquen por el personal presente y no de forma automática. El uso de preparados antideslizantes a pulverizar sobre las correas en el caso de un arranque difícil debe evitarse, ya que perjudica las correas mismas. Sobre todo cuando se molturan esmaltes coloreados, es conveniente parar y abrir el molino y limpiar la ranura entre la tapa y el revestimiento de eventuales residuos gruesos que podrían sustraerse a la acción de molienda y actuar luego como contaminantes. 5) La descarga de los molinos Al término de la molienda, el molino debe abrirse con las oportunas precauciones: en efecto, a causa de la temperatura desarrollada por el rozamiento entre los medios de molienda y el esmalte, que puede alcanzar entre 35° y 50 °C, se crea una notable presión dentro del molino, capaz de disparar la tapa liberada incautamente a algún metro de distancia. Por lo tanto, el operador debe abrir la válvula de purga o realizar la purga en varias fases, manteniendo la tapa enganchada con las agarraderas correspondientes. La tapa debe ser reemplazada con la de descarga provista del “bulbo” y válvula de acero inoxidable como hemos indicado. Después de situar el molino con la boca de descarga hacia abajo y abrir la válvula de purga ubicada en la parte opuesta, el molino está listo para su descarga. Después de controlar rápidamente el residuo, el esmalte se descarga en caliente y, por lo tanto, en las mejores condiciones para ser tamizado y desferrizado por el tamiz más fino posible, y luego bombeado en la balsa de almacenamiento donde permanecerá para los otros controles. Existen carretillas equipadas con tamiz y bomba, de óptima maniobrabilidad. Después de terminar la descarga por gravedad, cuya aceleración mediante el uso de aire comprimido se desaconseja y cuyo uso está absolutamente prohibido teniendo en cuenta que los molinos no son recipientes a presión oportunamente comprobados, se procede al lavado del molino. La operación es delicada porque se proponen dos objetivos importantes: la recuperación del esmalte que ha quedado atrapado alrededor de los medios de molienda y la devolución del molino a un estado idóneo para recibir otro esmalte sin posibilidad de contaminación. Para el primer objetivo es necesario proceder a uno o dos lavados con cantidades de agua limitadas. El primer lavado efectuado con 100 l de agua todavía contiene un alto porcentaje de sólidos, que suele ser tal que normalmente se agrega al esmalte descargado; el segundo lavado, realizado con 700 o 800 l de agua, reduce a aproximadamente 182


1-1.5% el material seco. En el primer lavado, la recuperación del esmalte es superior al 99%. Lavados más a fondo solo son necesarios con el cambio de los esmaltes coloreados, particularmente peligrosos e intensos. Se requiere una especial atención en el uso de cantidades de agua moderadas para los esmaltes de monococción porosa y bicocción rápida, ya que deben ser aplicados con densidades elevadas y sedimentan con mucha dificultad. A continuación, el esmalte se bombea en una balsa de almacenamiento donde se controla. 6) Abastecimiento de la esmaltería Depende de las dimensiones de la sección y de su distancia con respecto a la sección de preparación de esmaltes (s.p.e.). En muchos casos, el esmalte se retira de la balsa grande con adecuadas balsas transportables con carretillas elevadoras que se transportan a la sección de esmaltado, donde se sitúan en las proximidades del lugar de uso. Esta es una práctica seguida siempre para las flameadas y para los esmaltes de coloración intensa, así como en el caso que la s.p.e. tenga espacio suficiente para alojar un número adecuado de balsas de almacenamiento. El único inconveniente de este sistema es el vaivén por espacios estrechos con un medio engorroso y peligroso, además de la mano de obra para esta función, y los laboriosos y dispersivos lavados de las balsas. De forma alternativa, el esmalte puede ser bombeado desde la s.p.e. a la sección de esmaltes en balsas de almacenamiento intermedio. Cuando, precisamente por razones logísticas, se tenga que recurrir al bombeo, la instalación debe realizarse con mucho cuidado, para evitar las dispersiones de esmalte que pueden alcanzar niveles muy elevados. Es conveniente que la tubería tenga un diámetro de al menos 2 o 3 pulgadas (en función de su longitud) y que se construya, al menos en la primera parte, de acero inoxidable. Cada tubería debe servir un cierto número de balsas (normalmente 3) y no tener válvulas, tanto de esfera como de mariposa, con excepción de la válvula de corredera inicial y la válvula neumática final, de tipo estrangulador, colocada en la parte flexible. Los tubos pueden recorrer distancias importantes, de 100 a 150 metros y más, y contener por lo tanto 250-280 kg de esmalte seco cada 100 m. Después de un tramo ascendente vertical, estos tubos deben tener una pendiente la más pronunciada posible hacia la descarga. Esto resulta a menudo imposible a raíz de la limitada altura de las naves disponibles. El lavado de las tuberías se hace luego muy problemático: el sistema de bombeo de agua en una cantidad controlada detrás del esmalte no es aconsejable. En efecto, el agua se mezcla con el esmalte por largos tramos; en ciertos casos se estratifica y resulta difícil decidir cuando es el momento de desviar la descarga en las canalizaciones o en otras balsas de sedimentación con ulteriores problemas de recuperación. 7) Almacenamiento de los esmaltes Los esmaltes están sujetos a hidrólisis, sobre todo los alcalinos, pero también los otros. La solubilización de las fritas puede dar lugar a graves problemas en forma de defectos del producto acabado, causados por la migración preferencial de las sales solubles. El fenómeno es especialmente evidente en la monococción porosa y bicocción rápida. Asimismo, puede dar lugar también a pinchados más o menos marcados en otros esmaltes. También los adhesivos tienden a degenerar rápidamente, perdiendo sus características con graves consecuencias en la aplicación. 183


Por consiguiente, para muchos esmaltes la temperatura elevada (período veraniego) y el tiempo de almacenamiento pueden ser acérrimos enemigos del ceramista. Por lo tanto, es conveniente no fiarse a priori de los esmaltes almacenados desde hace tiempo, que han sobrado de una producción interrumpida “porque funcionaban antes bien”, o adelantar demasiado con el almacenamiento de determinados esmaltes. Por otra parte, es conveniente que la secuencia de uso sea escrupulosamente aquella de la producción. La recuperación de esmaltes alterados es extremadamente problemática en la bicocción rápida y en la monococción porosa. En la monococción y en la bicocción se puede recurrir también al lavado del esmalte con sucesivas operaciones de adición y extracción de agua después de la agitación y sedimentación. Preparación de las pastas serigráficas Los últimos años han visto un crecimiento vertiginoso del recurso a la técnica serigráfica para la decoración. En un primer momento, los esmaltes brillantes de la monococción, pero a continuación también los rústicos, han recurrido cada vez más a la técnica serigráfica, ayudada también por una notable evolución de la gráfica. La serigrafía, a la que sigue desde hace algún año con cada vez mayor presencia la flexografía, asegura una cierta facilidad de renovación de la gama con una buena repetibilidad. Con el tiempo, la serigrafía se ha caracterizado por una constante disminución del peso aplicado: las pantallas serigráficas más utilizadas iban de 30 a 50 hilos en el pavimento y 50 hilos en el revestimiento. Esto comportaba altos consumos de esmalte, facilitando el desarrollo del corazón negro en la monococción a causa de los vehículos orgánicos con la consiguiente disminución de velocidad de los hornos, y escasa definición de las decoraciones, sobre todo los difuminados. La técnica de preparación de la pasta serigráfica era basta: generalmente se adquiría la base molturada de los fabricantes de colores, la cual una vez empastada con el vehículo y los necesarios aditivos, se pasaba por una refinadora de muelas y desde aquí, después del tamizado con sistemas de palas rotatorias, de 5-6000 mallas (75-80 micras) en el mejor de los casos, se enviaba para su uso. Los materiales y las técnicas serigráficas se describen a continuación, en el capítulo correspondiente. La sección de esmaltado La sección de esmaltado se desarrolla entre la salida del secadero anexo a la prensa, o la máquina de carga, en el caso de la bicocción, y las máquinas de carga de los hornos o las cestas de almacenamiento del material crudo al final de la línea. Las diferentes aplicaciones a lo largo de las líneas de esmaltado deben estar suficientemente distanciadas. El pavimento debe estar construido con las oportunas inclinaciones y canalizaciones y ser antideslizante. La iluminación debe ser cuidada y suficiente. La sección debe estar dotada con estanterías para el almacenamiento de las pantallas serigráficas, pizarras, una por línea, donde se pondrán los turnos de producción y las 184


puestas a punto, un espacio para los pequeños recambios y las pequeñas intervenciones de mantenimiento. En la gestión de la esmaltería es vital un correcto y rápido flujo de informaciones sobre la defectología. No siempre se pueden comprobar los defectos en las pocas piezas de la estafeta. Es necesario, por lo tanto, que alguien compruebe el material a la salida del horno y realice un continuo muestreo estadístico de los defectos. Componentes importantes de la sección, además de las líneas de esmaltado, son también: Instalación eléctrica La tensión de servicio en la línea de esmaltado no debe superar los 50 V. Actualmente es normal la tendencia de alimentar la línea mediante barras blindadas de 380 V y 60 V respectivamente. Aire comprimido La demanda de aire comprimido de una línea de esmaltado es muy variable, sin embargo puede oscilar entre los 100 y los 300 m3/h por línea. Este aire se utiliza generalmente para los aerógrafos, para los actuadores neumáticos (aplicaciones serigráficas), para los fijadores y para el soplado de la superficie de las baldosas. Asimismo, la aplicación del fijador puede realizarse adoptando las bombas adecuadas para la nebulización “sin aire” a alta presión. La instalación de distribución del aire comprimido se compone normalmente de una tubería en forma de “1”. El aire debería estar a una presión de 6-8 atm. Agua Los circuitos de agua, que abastecen la sección de esmaltado suelen ser dos, y a veces también tres. Un circuito generalmente se abastece de agua de pozo o de la red. El agua de este circuito sirve normalmente para la dilución de los esmaltes. Para el lavado de los molinos se utiliza normalmente el circuito de agua reciclada de baja o alta presión. Instalación de aspiración Es indispensable aspirar parte de los humos que se generan dentro de los grupos de aplicación, que son humos que contienen partículas de esmalte. La correcta modulación de los registros y, por lo tanto, de la aspiración al interior de los equipos para la aplicación de los esmaltes, especialmente los discos y aerógrafos, además de proteger la salud de los operadores, influye en la defectología de la aplicación: grumos, gotas de esmalte o de condensación. Cada línea de esmaltado necesita aproximadamente 8000-10000 m3/h de aspiración. Adquisición de datos La línea de esmaltado debe estar dotada de los sensores oportunos que permiten controlar el rendimiento, pero también otros parámetros importantes para la gestión de la producción. 185


Velocidad La velocidad de transporte es de aproximadamente 20-25 m/min, aunque puede alcanzar los 60 m/min en tramos concretos de la línea (separaciones en las proximidades de la línea de carga de cestas). Aplicación de los esmaltes y líneas de esmaltado Una vez preparados, los esmaltes se pueden aplicar de varias maneras sobre las baldosas crudas (monococción) o cocidas (bicocción). El esmaltado de las piezas en crudo está cada vez más difundido, considerando la posibilidad de automatización de las instalaciones y la difusión ya universal de la tecnología de la monococción. El esmaltado en crudo está condicionado en gran medida por la resistencia mecánica en crudo de la pieza prensada, que debe ser suficiente para soportar, sin daños, las múltiples aplicaciones y decoraciones. La aplicación de un engobe (composición arcillosa vitrificadora) antes del esmalte es útil para limitar eventuales fenómenos de desgasificación o para evitar el contacto con el esmalte de sustancias contaminantes presentes en el soporte. Una capa uniforme de engobe se distribuye a veces sobre la cara inferior de las baldosas para aislarlas y evitar así el contacto directo con los rodillos, acelerando por lo tanto el ensuciamiento de los mismos. En general, una línea de esmaltado se compone de un sistema de transporte por correa, acotado a los extremos por un dispositivo de alimentación de entrada y uno de recogida a la salida, a lo largo del cual se encuentran dispuestos los equipos de aplicación. Para la realización del plano de transporte de las baldosas se utilizan correas de sección trapezoidal, preferibles a otros sistemas, por su pequeña superficie de contacto con el soporte, por su fácil limpieza y también por su versatilidad de uso. Las correas se sostienen por poleas montadas sobre un bastidor metálico que actúa de estructura portante. En su conjunto, el sistema de transporte está constituido por una serie de tramos conectados entre sí, e independientes entre sí por cuanto se refiere a la regulación de la velocidad, que puede ser convenientemente modificada por motovariadores en las varias fases de operación (preparación del soporte, aplicación del esmalte, decoraciones, etc.). Aparte de los equipos para las aplicaciones en sí, las líneas de transporte pueden estar integradas por un cierto número de sistemas auxiliares como pulmones de compensación para la acumulación y la reintroducción automática de las baldosas en la línea, sistemas de giradores motorizados para girar las baldosas 90°, espaciadores, guías laterales, dispositivos para limpiar las baldosas (soplillos, cepillos, aspiradores), equipos de desbarbado, rascado, etc. Por lo que se refiere a la aplicación de los esmaltes, los principales dispositivos son: a) campana; b) hilera; c) discos rotatorios; d) aerógrafo; e) sistemas de goteo; f) aplicadores en seco. 186


Campana Se trata fundamentalmente de un casquete metálico, con una superficie convexa de cuyo borde cae una cortina continua y uniforme de esmalte sobre la baldosa. El esmalte, que puede ser relativamente denso y viscoso (densidades incluso de 19502000 g/l), tiene la tendencia de depositarse en cantidades ligeramente mayores en los bordes de la baldosa. Sobre el dispositivo se pueden montar campanas con diámetros diferentes, en función del formato del soporte a esmaltar (figura 2). Es el instrumento principal para la aplicación de esmalte con cortina continua. Como se sabe, este tipo de aplicación permite obtener superficies muy lisas, particularmente interesantes para determinadas tipologías. La alimentación, que se produce en posición central, puede asumir configuraciones diferentes de acuerdo con las características del esmalte a aplicar. Una adecuada corona circular dispuesta al borde de la primera caída, permite aplicar una o dos capas al mismo tiempo. La aplicación por campana, una vez centrada en sus parámetros esenciales, es constante y necesita poca atención. Sin embargo, son muchos los parámetros a considerar para la puesta a punto. Uno de los defectos más recurrentes es aquel de la formación de burbujas o depresiones en la superficie del esmalte. Puede depender de muchas causas: emulsión de aire en el trasiego y en la agitación, fluidificación equivocada, densidad y viscosidad inadecuada. No es posible identificar una receta que solucione todos los problemas de aplicación por campana, ya que son demasiadas las variables en juego. La alta densidad, entre otras cosas, no permite un fácil tamizado. En la actualidad se logra tamizar también sobre el retorno con tamices de 4000 mallas con vibrotamices de gran diámetro, mientras en cabeza de la aplicación se utilizan tamices de 1500-2000 mallas/cm2. Estos sirven para eliminar los grumos que se puedan despegar de los bordes de la tina de ocho utilizada para la alimentación o recuperación del esmalte. Las aplicaciones por cortina sufren por cualquiera vibración, por lo que hay que poner particular cuidado de aislar el palo de soporte de la campana del resto de la línea.

Figura 2. Hilera con campana y detalle de un desarrollo anómalo en la cortina de la campana.

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Hilera Está constituida por una pequeña tolva de sección triangular, sobre cuyo ángulo más agudo está montada una hilera con ranura para el paso del esmalte, de espesor ajustable. La hilera posee una longitud diferente en función del formato a esmaltar. Funciona con un sistema de alimentación parecida a aquel de la campana: vibrotamiz, tolva, tubo con válvula de regulación. El funcionamiento regular del equipo puede verse obstaculizado especialmente en la fluencia de la cortina por grumos de esmalte y la presencia de burbujas de aire. También un esmalte demasiado líquido puede dar lugar a defectos (rayas irregulares); en este caso, esto se puede remediar disminuyendo la carga de la hilera y reduciendo la abertura de la ranura calibrada. Inyección a presión Se ha introducido recientemente una técnica de aplicación de esmaltes, u otras barbotinas, incluso muy densas, que cuenta con la inyección a presión por hileras apropiadas: se conoce con el nombre de “Vela®”. Con esta tecnología es posible aplicar decoraciones superficiales, incluso en superficies muy estructuradas con buenos resultados en cuanto a rendimiento y estética. En el sistema de alimentación se pueden introducir más productos coloreados durante el ciclo de operación con el esmalte base, lo que permite obtener decoraciones de naturaleza diferente, con efectos modulables en las formas, en las posiciones y en las superposiciones de tono; el control de la inyección se realiza de manera electrónica, de modo que asegure la repetibilidad, si se desea. Se puede conseguir una notable flexibilidad expresiva combinando convenientemente las características de los esmaltes base con los productos de inyección, coloreados. Con estos equipos, dotados de gran capacidad de deposición de material por unidad de superficie, en la unidad de tiempo, se pueden formar verdaderas capas superficiales de espesor incluso considerable, en una especie de carga múltiple en fase húmeda. Discos rotatorios Se trata de un equipo que aplica el esmalte por centrifugación mediante juegos de discos de diferente diámetro (120-180 mm), que giran a una velocidad variable a una distancia de aproximadamente 40-50 cm de la superficie de la baldosa. Es un dispositivo con una notable flexibilidad de uso, capaz de aplicar esmaltes en cantidades muy variables y con características de densidad, viscosidad y carga muy diferentes. Los discos están constituidos por juegos de hojas, generalmente circulares, alimentadas axialmente por un tubo perforado. La velocidad de los discos es variable, ya que la transmisión se produce a través de correas y poleas de diferente diámetro. Las versiones más recientes son ajustables mediante un variador de frecuencia. En este caso, la velocidad de rotación y, por tanto, la nebulización, puede regularse con mayor finura y precisión. No se superan generalmente los 3000-4000 rev/min, pero se pueden alcanzar incluso velocidades de rotación superiores con desgaste, aunque se hacen cada vez más pesados. Los discos son aplicadores versátiles, pero no logran nunca realizar una superficie perfectamente lisa. La aplicación con disco está sujeta a algunos defectos característicos: - gotas: pueden ser causadas por condiciones reológicas equivocadas del esmalte, por condensaciones, configuración desfavorable de la cabina, obstrucción de los agujeros, etc.; - grumos: pueden ser causados por una excesiva sequedad del esmalte o por una 188


aspiración demasiado violenta. O también por una alimentación demasiado escasa, inadecuada para el espesor del juego de hojas, por lo que el esmalte tiende a secarse sobre las hojas escasamente rociadas; - rayas: peso demasiado escaso. Rotación irregular del disco. Alimentación irregular. Las cabinas de disco han adquirido, con el tiempo, todas las posibles formas en el intento sobre todo de evitar los defectos de goteo y grumos (figura 3). La alimentación de los discos se produce con un caudal constante por medio de un registro regulado por un sistema de sobrellenado y una válvula de regulación. La filtración del esmalte se desarrolla mediante filtros de cartucho dispuestos sobre la carga, con vibrotamices adecuados colocados en el retorno. Sistemas de goteo Utilizados para aplicaciones con gotas bastante grandes (aproximadamente 1 cm) para obtener efectos concretos (rústicos por ejemplo); pueden ser de dos tipos: de tubo y de tazas. Los sistemas de goteo por tubo son sustancialmente similares a una máquina de aplicación con discos rotatorios, solo que en lugar del juego de discos está montado un tubo cilíndrico de 3-4 cm de diámetro, convenientemente perforado en la superficie. Los sistemas de goteo de tazas prevén, en cambio, pequeñas tazas almenadas, que giran alrededor de un eje vertical, alimentadas continuamente, que se encargan de lanzar el esmalte sobre las baldosas de acuerdo con unas modalidades que dependen de las características del esmalte (densidad y viscosidad), de la forma de las tazas, su altura en la línea, velocidad de rotación y caudal. Aerógrafo Permite la aplicación de pequeñas cantidades de esmalte por medio de un nebulizador. Se puede obtener el efecto del flameado con una movimentación oscilante del aerógrafo

Figura 3. Imagen de una cabina de disco y detalle de los discos (juegos de hojas).

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(a veces dos, con una orientación diferente en la misma cabina). Se obtiene la variación de intensidad utilizando un variador de frecuencia en la bomba de alimentación. En el caso de los flameados uniformes, es muy importante la constancia de la alimentación. Los esmaltes para el aerógrafo, utilizados generalmente con densidades bajas, deben tener las justas características reológicas para evitar la formación de grumos y gotas. Los principales inconvenientes que pueden surgir en el uso del aerógrafo son la deformación del chorro (boquilla sucia o deformada) y las gotas de esmalte que pueden caer sobre las baldosas de la cabina o ser elevadas y transportadas por las turbulencias creadas a causa del aire inyectado. Para prevenir estos defectos se han adoptado cabinas de configuraciones y dimensiones realmente muy diferentes, en función de las varias teorías de moda en su momento sobre los volúmenes, cambiando las inclinaciones de las paredes y la posición de las bocas de aspiración, etc. La presión de alimentación del aire, que generalmente debe ser constante, varia entre 2 y 6 atm. La alta presión favorece la nebulización y la finura de las gotas, aunque tiende a poner bajo presión la cabina, creando notables problemas de aspiración con escapes de aerosol por las aberturas, nocivos para el operador y el ambiente. Aplicadores en seco Sirven para aplicar esmaltes en el estado granular con una vasta gama de granulometrías, o arenas de diferente naturaleza. La recirculación de las granillas puede realizarse a través de un circuito neumático. Otro sistema de recirculación está realizado a través de un elevador de tazas cerradas. Este sistema genera menos polvo. La alimentación de los granulados se produce mediante la carga de una tolva de la que el granulado cae, por medio de un extractor, en una cortina homogénea sobre un rodillo o una cinta transportadora, o sobre un tamiz distribuidor (figura 4). El sistema de distribución es muy importante para evitar fenómenos de rayas a raíz de los defectos de distribución que se pueden generar en la misma tolva de carga. Las granillas caen sobre la baldosa recubierta, en las zonas deseadas, de un adecuado adhesivo o esmalte húmedo como fijador. El exceso vuelve dentro del ciclo después del soplado. La aplicación del adhesivo se suele realizar por pantalla serigráfica. La aplicación de granillas ha conocido momentos de gran difusión con la imitación de acabados granitos y también con la difusa convicción que grandes espesores de vidrio pudieran valorizar más la baldosa, aportando mejores prestaciones técnicas. Existen aplicadores universales para granulados y polvos que pueden generar vetas preestablecidas, utilizando rodillos o cintas incisas. Equipos principales que componen las líneas de esmaltado Sintéticamente se puede considerar que la composición de las líneas de esmaltado se obtiene ensamblando las máquinas individuales, sobre módulos previamente preparados, que juntas el uno al otro determinan la línea final. A modo indicativo se describen los módulos principales que suelen componer una línea. 190


Figura 4. Grupo para la aplicación en seco de granillas, polvos, etc.

Humectadoras: existen 2 tipos: el tipo tradicional, conectado directamente a la red hídrica y neumática (presión hídrica mínima de al menos 1 bar constante), utilizado principalmente para las líneas de bicocción, o para líneas de monococción de tipo sin aire, con alimentación mediante una bomba que puede abastecer hasta 3 puntos de aplicación, utilizado para las líneas de monococción porosa y monococción donde la aplicación se efectúa con campana. Grupos de rascado del esmalte: el módulo está incorporado a una distancia de 12 a 15 metros después de la última aplicación por campana, para que el esmalte esté seco. Los módulos se componen de 2 estaciones de rascado del esmalte por dos lados paralelos, 2 giradores de baldosas y 1 ventilador eléctrico. Los grupos de rascadores del esmalte se distinguen en función de la tipología: monococción o bicocción. En el primer caso, se utilizan desbarbadores con discos de fieltro que ofrecen una buena limpieza de los lados sin perjudicar las esquinas, mientras en el segundo caso se utilizan desbarbadores con discos de caucho humedecidos con agua. Grupos de serigrafía: los módulos tipo de serigrafía van de 6 a 9 m, se componen de un aerógrafo fijador (tradicional o sin aire), un compensador y una serigrafía. El módulo puede contar con múltiples motorizaciones, generalmente dos puntos de uso de aire, un punto de uso de agua y un punto de aspiración. Sistema de engobado: después de la impresión, se ubica en un módulo de aproximadamente 3 m y su uso es aconsejado hoy para todas las tecnologías, en cuanto resulta ser una buena solución para salvaguardar los rodillos del horno. 191


Equipos especiales La cepilladora para los efectos rústicos es una máquina utilizada principalmente para la monococción y para el gres porcelánico, con superficies estructuradas. Se trata de un dispositivo constituido de varios discos abrasivos o equipado con cepillos, situado generalmente después de un aerógrafo o un disco, a una distancia mínima de 6 metros. Discos de efecto “piel” pueden ser discos tradicionales modificados (sustitución del juego de discos con tubo perforado) o cabinas dedicadas que permiten obtener un efecto granito. Aplicadores de granillas o polvos: El equipo suele estar situado al fondo de la línea después de un disco individual o doble, a una distancia de 3 metros. El disco, en este caso, es necesario para la aplicación del adhesivo que tendrá que fijar la granilla en la superficie de la pieza. La línea de esmaltado La composición de las líneas varía en función de la tecnología. A continuación, se detallan las composiciones indicativas de los grupos de aplicación más funcionales para el esmaltado en el caso de las diferentes tecnologías de producción. Evidentemente la descripción puede ser únicamente una simplificación y de carácter general, considerando la diversidad de las aplicaciones que se pueden realizar para obtener los efectos superficiales y matéricos deseados. LÍNEAS DE MONOCOCCIÓN longitud aproximativa

aplicadores de esmalte

disposiciones de las aplicaciones

decoradoras

disposiciones de las decoradoras

80-100 m

1 humectadora 3 discos dobles 1 aerógrafo

1 humectadora 1 campana 1 disco individual 1 granuladora 3-5 disposiciones

2 serigráficas

1 rodillera 1 serigráfica

LÍNEAS DE MONOCOCCIÓN POROSA longitud total 80-100 m

aplicadores de esmalte 1 humectadora 1 disco doble 2 campanas 1 aerógrafo

disposiciones de las aplicaciones 1 disco individual 1 aplic. seco 2-3 disposiciones

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decoradoras 2 serigráficas

disposiciones de las decoradoras 1 rodillera 1 serigráfica


LÍNEAS DE BICOCCIÓN longitud total 70-90 m

aplicadores de esmalte

disposiciones de las aplicaciones

1 humectadora sin 1 disco individual 1 aplic. seco aire 1 disco doble 2-3 disposiciones 2 campanas 1 aerógrafo

decoradoras 2 serigráficas

disposiciones de las decoradoras 1 rodillera 1 serigráfica

LÍNEAS DE GRES PORCELÁNICO longitud total 60-80 m

aplicadores de esmalte 2 discos dobles

disposiciones de las aplicaciones 3-4 disposiciones

decoradoras 2 serigráficas planas 1 disposición

máquinas auxiliares 1 secadero*

* en el caso de la producción de sales solubles.

Decoración serigráfica Actualmente, el sistema industrial de decoración más usado para las baldosas cerámicas es aquel de la impresión serigráfica, que permite obtener un gran número de piezas iguales con suficiente velocidad de producción. En general, la operación serigráfica prevé el uso de una pantalla de tejido donde, por las mallas abiertas que forman un diseño, se traslada, con la presión de una espátula especial (regleta), la tinta serigráfica, que va a imprimir la imagen del diseño a reproducir sobre la superficie de impresión. Con este método es posible decorar tanto los soportes cocidos como las piezas crudas secas (monococción) con la suficiente resistencia mecánica, sobre o bajocubierta. El proceso de decoración serigráfica consiste en la aplicación de tintas o pastas sobre un soporte cerámico, con una máquina serigráfica. Las características requeridas de una serigrafía son: • elevada productividad en términos de piezas/minuto, en respuesta al aumento de capacidad de las prensas de última generación; • diversificación de los diseños reproducibles; • bajos costes de gestión; • reducción de la mano de obra; • fiel reproducción de los productos realizados. En la actualidad, los tipos de serigrafía más comunes son: • Plana (figuras 5, 5a) • Rotativa (figura 6, 6a) • Con rodillo

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La regleta Es la espátula especial que presiona la tinta a través de las mallas del tejido, adhiriéndola al soporte a imprimir, en el caso que no esté adherida ya, como en cambio prevén las técnicas “de contacto.” La regleta o rasqueta está formada de una “hoja” flexible de resina sujeta a un soporte rígido. El “filo” de la hoja, es decir la parte que entra en contacto con la pantalla puede tener diferentes perfiles, en función de las técnicas de impresión. El filo se gasta más o menos rápidamente con el uso y esto puede ser una fuente de defectos en el diseño (rayas, diferencias de tono), por lo que las hojas deben estar afiladas con precisión. El trabajo de la regleta (el desarrollo o movimiento de impresión) se caracteriza principalmente por los siguientes parámetros: - velocidad de escritura; - presión de la regleta; - ángulo de ataque, α (ángulo entre la regleta y la pantalla). El ángulo de ataque depende de la flexibilidad de la hoja, de la presión aplicada, de la forma del filo de la hoja y del ángulo de montaje de la regleta, e influye de modo determinante en la cantidad de tinta exprimida. En particular, el depósito de tinta será mayor para ángulos α pequeños y, por lo tanto, para láminas blandas con borde redondeado. Serigrafía plana En las máquinas serigráficas planas, durante la fase de impresión real, la pieza está parada y la regleta, que puede moverse en sentido paralelo o perpendicular a la línea de esmaltado en función de las máquinas, aplica una elevada presión sobre la pantalla, de modo que además de exprimir el color debe llevar el tejido también en contacto con la baldosa (serigrafía fuera de contacto, figura 5). Máquinas serigráficas rotativas La serigrafía rotativa ha dado la respuesta justa a los límites manifestados por las máquinas planas. El principio de funcionamiento consiste en llevar los diseños de la matriz a la superficie circular de las pantallas cilíndricas rotativas (figura 6). Este sistema operativo permite una velocidad de impresión constante. En efecto, gracias al sensor electrónico que señala la llegada de la pieza y su posición a un ordenador, la velocidad de la pantalla varía para poder hacer coincidir, con extrema precisión, la posición del principio del diseño. La gran ventaja de la serigrafía rotativa, con respecto a la plana, es sin duda el incremento productivo. Otra gran posibilidad de estas máquinas es la mayor distribución de diseños a lo largo de la circunferencia del cilindro. Naturalmente, cuantos más diseños se encuentren pre194


Figura 5. Esquema funcional de la serigrafía plana: 1 regleta; 2 tinta; 3 pantalla; 4 bastidor; 5 baldosa

Figura 5a. Serigrafía plana

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Figura 6. Esquema funcional de la serigrafía rotativa: A alimentación; D rodillo de impresión; P baldosa; T cintas; L cintas de la línea; FT fotocélula.

Figura 6a. Decoración rotativa

sentes en el mismo cilindro de la esmaltería, más se podrá diversificar el producto. Para este enfoque, designado “aleatorio” en la serigrafía, la serigrafía rotativa ofrece más posibilidades con respecto a la plana por el mayor número de combinaciones gráficas. La vida útil de una pantalla rotativa aumenta también, a igualdad de las condiciones de operación, con respecto a una pantalla tradicional plana. 196


La incisión en las pantallas rotativas se realiza de dos modos: 1) El primero, de tipo más tradicional, se efectúa sobre los cilindros, con fotograbadores, dotados de un rayo láser que efectúa el centrado, la división en caras y define los tiempos de exposición; esto permite incidir directamente en el rotativo, obteniendo una mayor precisión. 2) El segundo, más innovador, consiste en la incisión en el plano del tejido, que luego se envuelve sobre la estructura. La técnica puede ser aplicada en todas las tipologías rotativas y permite una definición de impresión más precisa, típica de la pantalla plana, combinada sin embargo con la alta versatilidad y larga vida útil de la pantalla rotativa. Gracias a un adecuado sistema de envoltura, este tipo de pantalla puede ser montado directamente en la cerámica, con el consiguiente ahorro de estorbos en el almacén, gastos de transporte y eliminación de residuos. A continuación, la serigrafía rotativa se ha desarrollado más, en el intento de encontrar sistemas de impresión cada vez más fieles a las imágenes a reproducir. Decoración con rodillo En este caso, los soportes de impresión son cilindros poliméricos y silicónicos, sobre los que se graban las imágenes con sistemas láser. Esta técnica permite una gran fidelidad, gracias a la elaboración digital de la imagen con la incisión por láser, consiguiendo filetes muy finos, así como difuminados homogéneos que proporcionan una elevada calidad de definición y una reproducción del diseño constante en el tiempo. Se obtienen decoraciones repetitivas, efectos difuminados en línea y una reproducción infinita y fiel de la matriz original. Junto al método estándar de grabado por láser de los rodillos, se ha acercado aquel de alta definición o HD. Esta nueva técnica permite la reproducción de una imagen a imprimir en la baldosa, sin filete de base o inclinación, ya que se reconstruye punto por punto. El abandono del filete elimina todos los problemas creados por la superposición de múltiples colores y una reproducción de los mínimos detalles de la imagen original. Por consiguiente, la gran ventaja de la incisión por HD es el hecho de no perder los detalles de una gráfica, incluso de definirlos todavía más. Por la riqueza de los detalles que se puedan conseguir, por la dulzura de los difuminados, este tipo de incisión es particularmente indicado para reproducir mármoles con vetas especiales, así como los difuminados más detallados de una piedra natural y también de los diseños geométricos. La decoración con el sistema rotativo de rodillo se desarrolla con los contactos entre el cilindro y la baldosa, que se mueven exactamente a la misma velocidad, sin detener la pieza, con las consiguientes ventajas de velocidad decorativa y disminución de despuntados, grietas y otros defectos típicos. Se trata, por lo tanto, de una decoración que se produce con todos los componentes en movimiento sincrónico: es decir, cilindro, color y soporte. La incisión del cilindro silicónico crea alvéolos que contienen el color a trasladar sobre la baldosa y todavía antes de que el rodillo toque la pieza, con cada rotación, la 197


regleta elimina el exceso de pasta serigráfica. El depósito de color desde el alvéolo del cilindro se produce por dos mecanismos: el primero, con transferencia por gravedad forzada, donde el color, gracias a su baja viscosidad, se traslada velozmente sobre el soporte aprovechando la gravedad y la fuerza centrífuga adicional del movimiento rotatorio del cilindro; en cambio, el segundo mecanismo es mucho más importante, ya que la transferencia se debe al hecho que el color, cuando entra en contacto con la baldosa, se fija en ella porque una pequeña parte ya es absorbida. Otra ventaja importante del sistema es la vida útil del cilindro. Está claro que algunos factores importantes influyen en la vida útil, como la presión de la regleta que actúa en la abrasión de la silicona, el aspecto del esmalte que, si es grueso, incrementa la fricción entre el cilindro y la baldosa, pero, sobre todo, su humedad. De hecho, un esmalte todavía húmedo sirve de eficaz lubricante para la silicona, contribuyendo a proporcionar una vida útil más larga del cilindro. Tejidos serigráficos En el proceso serigráfico, tanto plano como rotativo, el tejido proporciona en primer lugar el soporte necesario para la imagen a imprimir e influye en la definición y precisión del registro. Para ser apropiado para la serigrafía de elevada calidad, el tejido debe presentar las siguientes características: a) textura uniforme; b) elevada resistencia a la abrasión y al rozamiento para resistir el “esfuerzo” mecánico durante la fase de impresión; c) elevada resistencia a la tracción durante la fase de producción del cuadro de impresión; d) una apropiada construcción textil con relación al tipo de diseño y a la calidad del material a imprimir, ya que en función de estos factores se definen el número de hilos, la apertura de malla y el espesor del tejido a utilizar; e) resistencia a los productos químicos utilizados en la serigrafía como las pastas serigráficas, el agua, los disolventes y los agentes desengrasantes; f) elasticidad para recobrar la posición original después de la presión aplicada por el paso de la “regleta” en la impresión; g) elevada insensibilidad a la presión y a los impactos; h) menor hinchamiento posible para evitar modificaciones en la apertura de malla del tejido y el paso de la pasta serigráfica; i) una buena adherencia a todas las emulsiones fotosensibles. El tejido es el instrumento de control para el paso y el depósito del “color” y existe una vasta gama, para dar al usuario final una amplia selección en función de la naturaleza del tejido, de la fibra, del número de hilos (factor este, determinante para el uso y el depósito del color). El factor más importante que caracteriza el tipo de tejido es el número de los hilos por unidad de medida lineal, generalmente referido al centímetro. En efecto, hace falta tener 198


presente que el depósito y el consumo de “color” están influenciados directamente por el número de hilos, ya que el color debe atravesar el tejido. El tejido es el único soporte de la imagen, por lo que el número de hilos debe ser capaz de constituir un soporte adecuado para los detalles más finos que se quieran reproducir Otro dato importante que caracteriza un tipo de tejido es el diámetro del hilo. Otro factor a considerar en la selección del tejido es la apertura de malla (o superficie libre). Cabe destacar que la apertura de malla es un dato muy útil cuando se debe trabajar con pastas formadas por partículas bastante gruesas. El tipo de tejido se determina en función del espesor, valor dado por la combinación del número de hilos, diámetro de hilo y la trama del tejido mismo. El parámetro teórico (expresado en centímetros cúbicos por metro cuadrado) con relación a la cantidad máxima de color que permanece sobre el soporte a imprimir después del paso de la regleta, se llama volumen teórico de color. Este dato varía en función del tejido y depende del porcentaje de superficie libre (o apertura de malla) y del espesor del tejido. Asimismo, en el consumo y el depósito de color influyen otros factores, como: - trama del tejido; - método de matriz; - dureza, perfil, presión y ángulo de la regleta; - velocidad de impresión; - tensión del tejido; - presión de impresión con relación al tipo de máquina (plana o rotativa); Tipos de tejido A continuación, analizamos los principales tipos de tejido utilizados por los productores de pantallas serigráficas, elaborados con fibras sintéticas para responder adecuadamente a los esfuerzos mecánicos, físicos y químicos a los cuales están sometidos, y que se dividen en tres grupos (figura 7). a) Fibra de poliéster Esta fibra ofrece una apreciable resistencia a la tracción y, por consiguiente, un menor alargamiento de los hilos, por lo que resulta ideal para impresiones de alta precisión, donde la exactitud del registro es indispensable. Posee una excelente resistencia al calor y es poco sensible a las oscilaciones térmicas o a la humedad. El poliéster posee una ópti-

Figura 7. Varios tipos de tejido (fibra de poliéster, fibra de nilón y fibra metálica)

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ma resistencia a la abrasión, a los disolventes, a los ácidos minerales y orgánicos y no es sensible a la luz. Los tejidos, realizados en monofilo, garantizan un óptimo paso del color gracias a la extrema suavidad de la superficie de los hilos y permiten una notable vida útil de la pantalla serigráfica. En este sentido merecen algunas palabras los tejidos de poliéster especiales, realmente innovadores en el sentido técnico, ya que ofrecen: - resultados constantes y homogéneos en el tiempo; - vida útil más larga, debido a la mejora de la adherencia de la emulsión; - óptima uniformidad de la emulsión y reducción de la rugosidad de la misma; - óptima resolución y definición de las imágenes; - reducción de los tiempos de elaboración, ya que el tejido es autolubrificante y, por lo tanto, reduce notablemente las intervenciones de limpieza de la pantalla. b) Fibra de nilón (poliamida) Esta fibra, muy elástica, posee una óptima resistencia mecánica, aunque esta última depende en gran medida del grado de extensión y polimerización. Por otra parte, la resistencia a la tracción y al alargamiento del nilón disminuye con el aumento de la temperatura. Aunque es particularmente resistente a la abrasión, es un producto que absorbe fácilmente la humedad, provocando el hinchamiento del material. Los tejidos realizados en monofilo de nilón, gracias a su óptima elasticidad, se prestan particularmente para las serigrafías en superficies irregulares. c) Fibra metalizada Esta fibra de alta precisión está elaborada con monofilo de poliéster, revestido de metal (generalmente níquel). Se trata de un producto cuya estabilidad dimensional permite su empleo donde se requiere una elevada precisión de registro, como alternativa al acero inoxidable, del que se distingue por su elasticidad. La conductibilidad de la superficie impide cualquier carga electrostática. Además, por la metalización, la resistencia a la abrasión es especialmente indicada para el uso de colores muy abrasivos, como en la industria cerámica. Gracias al excelente paso de color, permite la obtención de impresiones de contornos extremadamente nítidos. El marco (bastidor) La función del bastidor para el proceso serigráfico es de proporcionar el soporte necesario a la pantalla de impresión, tanto plana como rotativa. Hay que destacar que influye directamente en la calidad del cuadro serigráfico, concretamente en su regularidad y en la constancia de la tensión. Al estar continuamente sometida a influencias químicas y mecánicas, es preferible que sea inoxidable, para evitar que la influencia prolongada del óxido provoque daños catalíticos en el tejido de la pantalla. En el comercio existen dos tipos: a) de acero, que ofrece las ventajas de un alto peso específico, de larga duración si está bien protegido, con costes relativamente bajos y una buena resistencia a los esfuerzos; 200


por el contrario, resulta difícil de manejar para grandes medidas y si no está protegido adecuadamente con barnices o lacas está predispuesto al óxido; b) de aluminio, que ofrece la ventaja de ser ligero y fácil de manejar, resistente al óxido e ideal para las dimensiones pequeñas y medianas; las desventajas son una resistencia inadecuada a los ácidos y álcalis, el hecho que es menos indicado para los grandes formatos, ya que no es bastante resistente al esfuerzo del tejido en tracción, y un coste relativamente alto. La tensión La fase de tensionado es una de las operaciones más importantes en la preparación de un cuadro serigráfico, ya que influye directamente en los resultados de impresión. Solo un cuadro tensionado adecuadamente comporta los siguientes resultados requeridos: - alta resistencia; - óptima adherencia de las matrices; - color de imagen adecuado. Para efectuar esta operación existen diferentes sistemas: - neumáticos: utilizan pinzas que someten el tejido a tracción. La tensión está controlada con la ayuda de un instrumento de medida de la presión y se expresa en bar; - mecánicos: sencillos y manuales, o más sofisticados, con motor eléctrico acoplado a un sistema de programación automática. Se emplean diferentes sistemas de bloqueo, como puntos de parada, barras de cierre y pinzas que bloquean el tejido, cubriendo su perímetro. Para una correcta operación, la tensión del tejido debe ser uniforme en toda la superficie del cuadro. Para medir la tensión del tejido durante la preparación del cuadro, se puede utilizar un manómetro colocado sobre la máquina tensionadora de pinzas neumáticas, accionadas por el regulador de presión y por el manómetro mismo. A este propósito, cabe observar que los fabricantes de tejido proporcionan tablas con los parámetros ideales de tensionado y, en función de estos datos específicos, se realiza el calibrado de las instalaciones de tensionado en servicio. El valor de la medición se expresa en bar. Se utiliza más habitualmente el tensiómetro, un instrumento de precisión de tipo mecánico o electrónico, dotado de una lámina que se pone en contacto con el tejido y lee la tensión (expresada en newton/cm). En efecto, un tensionado erróneo puede generar defectos como la falta de precisión del registro en la serigrafía de múltiples colores, el desplazamiento del tejido, el alargamiento de la imagen, el desgaste prematuro de la pantalla, el depósito de color no constante, etc. La emulsión Un componente importante en el proceso serigráfico es la emulsión o gelatina. En la emulsión aplicada sobre el tejido por una regleta apropiada se imprime la matriz gráfica 201


mediante un proceso de fotograbado. Cabe señalar que hasta la mitad de los años 80, la elaboración de las pantallas destinadas al sector cerámico se realizó utilizando emulsiones de cromo, que permitieron ahorrar costes, pero ofrecieron una escasa resistencia a la impresión y un elevado grado de contaminación hídrica. Desde entonces, para satisfacer las exigencias de respecto ambiental e innovación, se ha introducido en el ciclo productivo una gelatina con diazo (elemento fotosensibilizante), adaptándola a las necesidades de la impresión sobre la cerámica. Este producto, todavía hoy empleado para la realización de pantallas serigráficas, ofrece una buena duración del producto sensibilizado, buena definición y un mínimo poder contaminante. El desarrollo tecnológico y gráfico del sector cerámico, la apertura a nuevas aplicaciones y la exigencia de responder siempre a las mayores exigencias del producto de calidad superior, han impulsado el desarrollo de nuevas emulsiones con características de elevada resistencia de impresión y alta definición. Se trata de fotopolímeros muy sensibles a la luz, que ofrecen rapidez en el grabado y una elevada definición del producto, con óptima resistencia a los esmaltes. El fotograbado Una vez aplicada la emulsión, el cuadro serigráfico se somete a un procedimiento de secado, antes de pasar al proceso de fotograbado. La exposición tiene una influencia directa en la definición de la imagen, en la resolución de los detalles más finos, en el espesor y en la resistencia química y mecánica de la matriz o cliché. Por lo tanto, para una correcta exposición, se deben tener en cuenta dos factores importantes: - el tiempo de exposición a la luz del cuadro serigráfico, fundamental para asegurar la calidad y la resistencia del cliché; - la intensidad y calidad de la luz. Una correcta distancia de la luz durante el proceso de fotograbado garantiza una distribución homogénea en toda la superficie expuesta. En efecto, una fuente luminosa demasiado cerca concentraría el haz de luz en el centro, disminuyendo su intensidad hacia los lados. Por el contrario, una distribución escasa de luz provocaría una infraexposición, con áreas de escasa resistencia mecánica y a los disolventes. Por otra parte, influyen en el resultado la densidad de la imagen en el fotolito (que debe mantener los detalles más finos), el tejido y el número relativo de hilos, además de las características de la emulsión fotosensible (en función de las cuales se determina la duración exacta de la exposición necesaria a la luz UV para penetrar totalmente en la emulsión). En todo caso, es posible hallar la exposición más apropiada realizando una serie de exposiciones en una prueba positiva, aumentando o reduciendo sus tiempos de exposición. Otro factor que influye en la exacta reproducción del cliché en el cuadro serigráfico es la operación de revelado a continuación, que contribuye a la determinación de la apertura y, por consiguiente, del paso de color. 202


Sigue una fase de catalización para reforzar el tejido. Las tintas serigráficas Se trata de pastas o líquidos más o menos viscosos, constituidos por un conjunto de partículas sólidas dispersas en un vehículo fluido, además de otras eventuales sustancias complementarias, fácilmente transferibles a la superficie a imprimir donde forman un depósito del orden del décimo de milímetro de espesor. La fase sólida está constituida por colorantes que se transforman en vidrio con la cocción. Son esencialmente mezclas de cristalina o fundentes con óxidos y pigmentos colorantes, preparadas por molienda en húmedo y secado. La fase líquida de la tinta, que actúa como vehículo para los colorantes, suele estar constituida por productos como los glicoles y poliglicoles etilénicos, caracterizados por un gran poder humectante con respecto al soporte. Por otra parte, esta fase debe poseer también buenas calidades como aglutinante, plastificante y estabilizante. Los vehículos con mayores características de adherencia, particularmente apropiados para la monococción, pueden ser preparados con carboximetilcelulosas en una solución aditivada con alcohol polivinílico, glicoles o poliglicoles. Por lo que se refiere a la preparación de las tintas, la base sólida está preparada generalmente por molienda en húmedo, de modo análogo a un esmalte cerámico, seguido de secado gradual de acuerdo con un ciclo térmico óptimo, pulverización y almacenamiento final. Entonces se realiza el mezclado y la homogeneización del polvo obtenido con el vehículo serigráfico. Normalmente se trabaja con un agitador, agregando un determinado peso de polvo a una cantidad preestablecida de vehículo. La pasta resultante debe ser refinada finalmente, una operación que puede realizarse con diferentes máquinas (tamizadores, refinadoras cilíndricas, refinadoras de muelas, o molinos de microbolas). Mezclado de la pasta Una vez preparado el pesaje de cada componente, con gran precisión, la pasta debe ser homogeneizada antes de pasar a la siguiente fase de refinación. El mezclado se produce en simples recipientes cilíndricos provistos de agitadores lentos de palas y válvulas de registro al fondo. A continuación se presentan algunos ejemplos de composición de las pastas serigráficas para las diferentes tecnologías de producción.

Frita base % de frita % de caolín Pigmentos colorantes Vehículo: base

Pasta Pasta Pasta Bicocción Monococción Porosa Monococción Transparente Transparente Transparente ∼ 1030 ºC ∼ 1120 ºC ∼ 1180 ºC 95 95 95 5 5 5 0÷50 sobre 100 0÷50 sobre 100 0÷50 sobre 100 20÷100 sobre 100 20÷100 sobre 100 20÷100 sobre 100 203

Pasta Gres Porcelánico Mate ∼ 1200 ºC 95 5 0÷50 sobre 100 20÷100 sobre 100


Refinado Se lleva a cabo por medio de diferentes máquinas. En todo caso, para el refinado las pastas deben presentar las siguientes características: Residuo % a 45 µm Densidad g/l Viscosidad Ford ∅ 4 mm

Plana 0÷0.2 1680÷1700 >150’’

Rotativa 0÷0.2 1680÷1700 >150’’

Rodillo 0÷0.2 1550÷1600 25÷30’’

El refinado de la pasta o tinta serigráfica, efectuado tradicionalmente por sencillas refinadoras de muelas que no garantizaban una eficaz dispersión, se realiza actualmente mediante el uso de equipos más sofisticados, como molinos de microbolas. Estos últimos se componen de: - un recipiente cilíndrico con tapadera estanca; - una cámara de molienda revestida de alúmina dura con esferas de alúmina con un diámetro de 5 mm; - un motor estanco sobre cuyo árbol están acopladas las ruedas móviles, situadas a dos niveles en el recipiente y en el fondo de la cámara de molienda, que funciona como centrifugadora. La pasta serigráfica, mezclada de manera aproximada, se introduce en el recipiente y desde allí, por una abertura circular central, es aspirada en la cámara de molienda. Esto se produce sobre todo en la zona periférica, donde se desarrolla la máxima energía de molienda, dada por la centrifugación de las esferas y la pasta. Impulsada por la centrifugación, la pasta, por ranuras helicoidales practicadas en el fondo del recipiente, vuelve a este. El control de la calidad cerámica de la tinta se realiza por estafetas, tanto para las materias primas individuales (fritas, colorantes), como para la pasta, que generalmente necesita ser ajustada para mantener constantes los efectos cromáticos deseados. Los vehículos serigráficos El vehículo serigráfico constituye el disolvente de la tinta y transforma los polvos colorantes en una suspensión fluida. Son sustancias que, desde el punto de vista cerámico, poseen una importancia muy limitada ya que no influyen en el producto acabado. Sin embargo, desde el punto de vista serigráfico representan el factor determinante para las características de la tinta y para la buena reproducción de la imagen. Los más difundidos son los glicoles y poliglicoles a base de óxido de etileno, propileno y polímeros. Son compuestos químicos, elaborados industrialmente, que poseen un elevado poder humectante en los polvos; son óptimos ligantes y dispersan perfectamente el color, creando una masa fluida corrediza y adherente a las superficies. Se mezclan con los polvos secos, en relaciones diferentes, en función del tipo de tecnología de aplicación. Las 204


condiciones óptimas de formulación deben ser comprobadas en la producción. Se puede variar la relación entre la base seca y el vehículo, de acuerdo con los siguientes intervalos: - serigrafía plana o rotativa, base 20÷100: vehículo 100; - serigrafía con rodillo, base 80÷120: vehículo 100. PRINCIPALES TÉCNICAS DE LA DECORACIÓN SERIGRÁFICA Decoración sobrecubierta El factor que más influye en este tipo de decoración es la humedad de la superficie esmaltada a imprimir. Si la humedad es demasiado grande, puede aumentar excesivamente la adherencia entre el esmalte y la pantalla, con la consiguiente obturación de las mallas del tejido. Si en cambio el esmalte está demasiado seco, disminuye la cohesión entre la capa superior del esmalte y las inferiores, de forma que la primera tiende a “espolvorear”, es decir, pegarse a la pantalla serigráfica. Este último inconveniente puede ser superado eficazmente con el uso de los oportunos fijadores. El grado de humedad de la superficie esmaltada en un punto determinado de la línea depende fundamentalmente del tiempo que transcurre entre la aplicación del esmalte y la impresión (longitud de la línea, su velocidad), de la naturaleza del esmalte (composición, granulometría), de la porosidad del soporte y de la presencia o ausencia de las decoraciones bajocubierta. Los parámetros que más provechosamente pueden ser modificados para ajustar el tiempo de secado son la velocidad de la línea (cuyo valor máximo se alcanza cuando empiezan a averiguarse roturas por choque en el tapiz de baldosas) y la composición del esmalte, actuando sobre el porcentaje de sustancias plásticas presentes (caolín, arcilla) o con el uso de aditivos. Mucho menos apreciables son las variaciones del tiempo de secado que se obtienen con una molienda más o menos enérgica del esmalte sin incurrir en alteraciones de sus características en cocido. Además de la humedad de la superficie a imprimir, otro factor que influye en la decoración sobre el esmalte es la presión de la regleta. Si es demasiado débil, puede decorar de modo impreciso o incompleto; si es demasiado fuerte, el primer color puede adherir en la pantalla de la segunda aplicación; si es irregular, genera depósitos de espesor irregular que se traducen en diferencias en las tonalidades cromáticas. Los mismos defectos también pueden tener causas diferentes. Un color puede pegarse bajo la siguiente pantalla cuando las dos aplicaciones están demasiado próximas, o si la primera tinta tiene un tiempo de secado excesivo. Las decoraciones imprecisas y/o incompletas pueden tener su origen en pantallas defectuosas, una distancia demasiado grande entre tejido y baldosa, guía de las baldosas fuera de nivel. Diferencias de espesor en el dispositivo se producen por: diferencias de velocidad de expulsión, baldosas de espesor inconstante, pantalla desgastada, variaciones en la composición y/o en la viscosidad de la tinta. Otros defectos que se puedan presentar son: diferencias al emplear colores reactivos, causadas por la ausencia de paralelismo entre los planos de la pantalla y la regleta; rayas 205


que pueden deberse a una regleta inadecuadamente afilada o a un tejido desgastado. Decoración bajocubierta Este tipo de decoración se aplica directamente sobre el soporte, que debe estar preventivamente bien limpio y ligeramente rociado con agua, para asegurara una humectabilidad y capacidad de absorción de agua uniforme. Además de lo anterior, en la serigrafía bajocubierta es conveniente también aplicar un fondo de preparación que sirva de base a la tinta serigráfica. Aparte de los defectos ya señalados para las decoraciones sobrecubierta, un inconveniente característico de la decoración bajocubierta es la aparición en cocido de pequeñas depresiones, agujeros o grietas correspondientes a las decoraciones, típicamente a las muy sutiles. El origen de estos defectos puede estar en la presencia de gránulos de dimensiones excesivas (escasa molienda del polvo) o en una velocidad de secado demasiado baja de la parte que, en el momento de la aplicación, puede actuar de forma hidrófuga. Difuminados La reproducción de superficies difuminadas se obtiene a partir de un cuadro serigráfico en forma de conjunto de puntos de diferentes formas, dimensiones y distribución superficial. La decoración de difuminados, tanto sobre esmalte como directamente sobre el soporte, necesita un particular cuidado en la selección y preparación de los materiales, en particular por lo que se refiere al esmalte serigráfico, el tipo de regleta y especialmente el tejido de la pantalla. El esmalte debe ser molturado muy finamente, hasta alcanzar valores de residuo alrededor del 0.5% con 16000 mallas/cm2, mientras la regleta debe ser elegida con un perfil tendencialmente de ángulo vivo, para obtener una elevada nitidez de trato con la mínima abrasión, y de adecuada dureza. El tejido debe tener mallas muy regulares y debe seleccionarse en función de una serie de pruebas orientadas a obtener los efectos buscados por la producción. Generalmente, para este tipo de aplicación, el tejido más adecuado es el poliéster con un número de hilos/cm de aproximadamente 100-120. Finalmente hay que destacar que este tipo de decoración, cuando se imprime directamente sobre el soporte, resalta los defectos superficiales como las estrías, por lo que resulta preferible, sin duda, dotar la prensa de moldes de espejo. Colores lisos Cuando se quiere serigrafiar una gran superficie de un solo color es necesario que la superficie de impresión sea perfectamente uniforme, limpia y libre del mínimo defecto. Si se imprime sobre esmalte es absolutamente esencial que no genere polvo. Un soporte polvoriento puede perjudicar la uniformidad y generar sombras y/o puntos oscuros. El tejido aconsejado para este tipo de aplicación es el poliéster, dada su gran estabili206


dad dimensional en el tiempo, con como máximo 77 hilos/cm. La pasta serigráfica debe poseer una buena capacidad de dilatación, que permite cerrar los espacios dejados por los hilos en su cruce. Superposiciones de color Se sabe que la superposición de dos colores genera un tercero. Aprovechando este hecho en la serigrafía es posible aumentar el número de colores con respecto a aquel de las aplicaciones. Generalmente se aplican decoraciones de espesor decreciente y, en todo caso, sutiles (mallas de 60-70 hilos/cm) para favorecer así el secado, y regletas blandas; a veces se utilizan colores fundentes sobre colores firmes. Aplicando la serigrafía directamente sobre el soporte se puede sobreponer dos colores, integrando entre ellos incluso un estrato de

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Capítulo VI COCCIÓN

Consideraciones generales La cocción es la operación fundamental del proceso tecnológico, ya que da origen al material cerámico, transformando las materias primas de la pasta en nuevos compuestos cristalinos y vítreos que confieren al producto cocido unas propiedades concretas: la insolubilidad y la solidez que garantizan el mantenimiento de la forma, la resistencia mecánica, la porosidad o la impermeabilidad, la resistencia química, etc..... Por lo que se refiere al revestimiento vítreo, la cocción provoca su fusión, la formación de una capa continua vidriada, bien anclada y compenetrada con el soporte, con particulares propiedades químicas y físicas y con determinadas características estéticas. La cocción consiste en el calentamiento, por lo tanto, en la transmisión de energía al producto seco hasta una temperatura establecida y durante un tiempo determinado, para que se puedan desarrollar las transformaciones químicas y físicas que llevan a la pasta y al esmalte a adquirir las propiedades requeridas del producto cerámico. En el pasado, la temperatura a alcanzar, el tiempo y las modalidades de cocción se decidieron en función de la experiencia; actualmente, los mismos parámetros operativos se establecen en función de los conocimientos químicos y del comportamiento técnico de las materias primas empleadas, y a través de los análisis preliminares realizados sobre las mismas, especialmente mediante los análisis térmicos (véase el primer tomo). Los equipos actualmente disponibles permiten reproducir, de modo cada vez más preciso, las condiciones de operación, realizando cocciones extremadamente controladas, la base indispensable de cualquiera producción normalizada y serial. Las transformaciones que se desarrollan en la cocción La cocción se realiza a través de la propagación de calor dentro del horno y en la masa de los productos cerámicos. El calentamiento provoca la dilatación de los productos, a causa del aumento de la amplitud de las vibraciones de los átomos que los compone. La magnitud de este fenómeno depende de la naturaleza química del material, de su estructura cristalina o vítrea y de sus proporciones relativas, de las transformaciones que se desarrollan durante el calentamiento; se ha constatado que los compuestos cristalinos presentan una mayor dilatación con respecto a los vítreos, como las estructuras compactas con respecto a las porosas. Ya que los materiales que componen los productos sufren, en el transcurso de la cocción, transformaciones que conducen a la desaparición de determinados compuestos y a la formación de otros nuevos, la dilatación refleja esta evolución con un desarrollo en función de la composición inicial de la pasta, de las transformaciones que se producen y 209


Dilatación (‰)

Dilatación (‰)

de la temperatura alcanzada. Por lo tanto, en la primera cocción, a igualdad de la temperatura final alcanzada, una pasta presenta un comportamiento dilatométrico diferente de lo que se obtendría durante calentamientos sucesivos: la dilatación térmica relativa a la primera cocción es irreversible, mientras que la de una composición de pasta ya cocida y calentada de nuevo es reversible (figura 1). Otra transformación física que se produce durante la cocción es la fusión de los fundentes integrados en la composición de la pasta o del esmalte. En el sector cerámico se encuentra la fusión de mezclas eutécticas que permite la obtención de una fase líquida a temperaturas más bajas de aquellas necesarias para fundir los materiales individuales; se ha constatado que cuanto más numerosos y complejos son los posibles eutécticos entre los óxidos aportados por las materias primas, más fundente resulta la composición. La acción de fusión contrasta, en sucesión, con aquella expansiva descrita anteriormente, y provoca una serie de transformaciones estrechamente correlacionadas entre sí: disminución de la porosidad → aumento de la densidad → reacciones sólido-sólido y sólido-líquido → incremento de las propiedades tecnológicas. Con el aumento de la temperatura crece progresivamente la proporción de fundido y, al mismo tiempo, disminuye la viscosidad del sistema. Se verifica un gradual reblandecimiento del conjunto y una progresión de los fenómenos ligados a la formación de la fase líquida: infiltración del líquido en las cavidades de la masa, disolución de los gránulos, difusión del material disuelto en el residuo de la fase líquida, cristalización del soluto en equilibrio con el disolvente una vez alcanzada la saturación. Al mismo tiempo, aumentan los inconvenientes relativos a esta reducción de la viscosidad de la pieza, que comportan un control más difícil de la curva de gresificación del material (desarrollo de la contracción y absorción de agua en función de la temperatura) y la posibilidad de defectos de planaridad debidos a la falta de homogeneidad de la superficie de apoyo de la baldosa, que avanza sobre rodillos en movimiento.

Figura 1. Curva dilatométrica de la pieza cruda y cocida.

210

Cocción

En los esmaltes, a causa de la composición más rica en fundentes, el material se transforma casi completamente en un líquido dotado de una cierta viscosidad: pueden quedar sin disolverse las sustancias agregadas intencionadamente para provocar determinados efectos como la opacidad del vidrio o su coloración por la pigmentación. Los procesos de infiltración, disolución, difusión y cristalización también se desarrollan en la zona de contacto entre el esmalte y el soporte, y son los responsables de la formación de la capa intermedia que ancla el esmalte en el bizcocho. La profundidad de esta capa depende de la refractariedad del soporte y de su permeabilidad (figura 2). En el interior del horno, durante el proceso de cocción, se pueden identificar zonas térmicas críticas, a causa de las reacciones de tipo genéricamente químico que se puedan desarrollar: - hasta poco por encima de 100 °C: eliminación del agua higroscópica, o la humedad residual después de un secado no perfecto, o la reabsorbida en la fase de esmaltado y del ambiente; - hasta 200 °C: eliminación del agua zeolítica o de cristalización, cuyas moléculas están ligadas por absorción en las estructuras cristalinas; - entre 350 °C y 650 °C: combustión de las sustancias orgánicas, que pueden estar presentes en diferentes proporciones en las arcillas, y la disociación oxidante de los sulfuros minerales (p. ej. pirita FeS2) con la liberación de anhídrido sulfuroso; - entre 450 °C y 650 °C: eliminación del agua de constitución (deshidroxilación) y consiguiente destrucción del retículo cristalino arcilloso; - a 573 °C: transformación alotrópica del cuarzo α en β, que genera un brusco aumento de volumen; - entre 800 °C y 950 °C: descarbonatación de la caliza y la dolomita con la liberación de CO2; - a partir de 700 °C: formación de nuevas fases cristalinas constituidas por el SiO2 de los silicatos y silicoaluminatos complejos;

Figura 2. Capa intermedia: anclaje del esmalte en el soporte.

211


- a partir de aproximadamente 900 °C: disociación térmica de las otras sales presentes, como los sulfatos y fluoruros; - si se alcanzan temperaturas superiores a 1000 °C, se pueden evaporar algunos componentes de las pastas y los revestimientos como los óxidos alcalinos, el óxido de plomo, el óxido de cinc, el anhídrido bórico. En el transcurso del enfriamiento, se produce la solidificación del fundido que proporciona la cohesión y solidez a la masa de la pasta así como a aquella del esmalte. En función de los componentes que constituyen el fundido y de las modalidades de enfriamiento, esta consolidación puede llevar a la formación de la estructura vítrea y/o cristalina. En las pastas cerámicas, en general, las dos circunstancias coexisten, ya que el fundido que se forma se constituye de múltiples componentes: los iones de algunos componentes fundidos, por la pérdida de solubilidad a raíz de la reducción de la temperatura, se sitúan en función de la geometría de su estructura cristalina, mientras que el líquido residual se consolida de forma vítrea, ya que los tiempos de enfriamiento, aunque lentos, no lo son lo suficiente para permitir la cristalización completa del material. En los esmaltes, el vidrio fundido se hace progresivamente más viscoso, adquiriendo un aspecto pastoso. Al mismo tiempo se contrae, quedando anclado sin embargo en el soporte que ha corroído más o menos profundamente y cuya porosidad superficial ha permeado. En un primer momento el vidrio se contrae, pero siendo pastoso, se adapta a las tensiones que se puedan generan con el soporte; alcanzada la temperatura de transición vítrea, el vidrio pasa al estado rígido y, si la contracción del esmalte no está en armonía con la del soporte, en su masa se desarrollan tensiones que pueden dar lugar, en el transcurso del enfriamiento, a defectos como el “cuarteo” o los “desconchados”, o pueden quedar latentes y manifestarse después de un cierto tiempo (cuarteo retardado). Otro fenómeno físico, causado por el aumento de la temperatura, es la transformación polimorfa reversible del cuarzo α en cuarzo β (575 °C) y luego, a temperaturas superiores, en tridimita y cristobalita. A estas transformaciones se asocian reordenaciones estructurales expansivas durante el calentamiento, y de contracción en el enfriamiento. Mientras en el primer caso, la estructura total de la baldosa todavía es suficientemente elástica y “desligada” para poder absorber estas dilataciones sin excesivos inconvenientes, la contracción asociada a la transformación de cuarzo β → cuarzo α durante el enfriamiento es soportada por una pieza ya rígida y rica en nuevas fases frágiles: esto comporta la necesidad de programar el ciclo de enfriamiento con particular cautela alrededor de esta temperatura. El mismo razonamiento sería de aplicación, obviamente, si hubiera que someter un material ya cocido a un elevado grado de gresificación, a una nueva cocción: en este caso, habría que adoptar también análogas precauciones en la fase de precalentamiento de las baldosas. La energía suministrada a las materias primas provoca su descomposición y los compuestos derivados de estas reacciones se convierten en los reactivos responsables de la formación de los minerales que constituyen el producto cerámico: estas transformaciones se desarrollan a diferentes temperaturas, de acuerdo con las energías requeridas. 212

Cocción

En el transcurso de estas reacciones se pueden formar algunos compuestos en el estado gaseoso que tienden a alejarse, saliendo a través de los espacios intergranulares: será por lo tanto de primaria importancia que se sometan a cocción baldosas con un grado idóneo de compactación, que permita alcanzar la sinterización óptima, teniendo sin embargo una buena permeabilidad a los gases, para favorecer la expulsión de los productos gaseosos de pirólisis y oxidación y, al mismo tiempo, el intercambio gaseoso con la atmósfera del horno, en particular con el aire y, por tanto, con el oxígeno que contiene. En efecto, también los gases presentes en el ambiente del horno (atmósfera de cocción) pueden activar las reacciones con los materiales presentes en las pastas y en los revestimientos, o con los productos de sus transformaciones. Muy a menudo se trata de gestionar la atmósfera de cocción de modo de orientar la evolución de las reacciones en el sentido deseado: de esta forma, para las transformaciones que desarrollan gases o necesitan oxígeno, se crean circulaciones de aire que favorezcan la renovación gaseosa y la creación de una atmósfera oxidante; por el contrario, cuando se quiere obtener un ambiente pobre en oxígeno, o incluso reducir los óxidos presentes, se reduce la circulación del aire y/o se admiten sustancias que producen en el ambiente de cocción gases reductores como CO y H2O. Esto puede obtenerse variando la introducción de aire en la atmósfera del horno, por la oportuna regulación de los aires secundarios de los quemadores, o variando la consigna de presión relativa de los gases en las diferentes zonas del horno, situando, por lo tanto, en presión o en depresión las diferentes partes del horno mismo. Por ejemplo, las sustancias orgánicas presentes se queman, como hemos visto, entre aproximadamente 300 y 450 °C, generando anhídrido carbónico y vapor acuoso; si el calentamiento es gradual, la circulación de aire es buena y no se produce una vitrificación superficial, la combustión se completa a unos 600 °C, dejando residuos mínimos y generando una porosidad fina. En el caso contrario, las sustancias orgánicas sufren una destilación seca con la producción de carbono y otros productos de reducción, que ennegrecen la masa de la pasta (defecto de corazón negro); el carbono reacciona con los óxidos circunstantes solo a temperaturas más altas, con su reducción de acuerdo con el siguiente esquema (Me = metal genérico): Me2O3 + C → 2MeO + CO↑ o bien MeO + C → Me + CO↑ Estas reacciones comportan un desarrollo gaseoso de óxido de carbono y determinan un cambio de color hacia el gris negro, un desarrollo alveolar de la masa y una sobrecocción local. En el mismo intervalo térmico (350-500 °C) se inicia la oxidación de la pirita, eventualmente presente como impureza, que se completará a una temperatura más alta: FeS2 + O2 → FeS + SO2 ↑ 4FeS + 7 O2 → 2Fe2O3 + 4 SO2 ↑

213


Si la atmósfera es oxidante, el anhídrido sulfuroso se transforma en SO3 y, al reaccionar con los óxidos básicos (CaO) de la pasta o del esmalte, puede formar sulfatos: CaO + SO3 → CaSO4 La presencia de sulfato de calcio en el producto cocido es perjudicial, ya que puede disolverse en agua dentro de la pasta y aparecer en forma de eflorescencia salina en la superficie de los bizcochos o puede provocar la separación de un esmalte eventual. En el intervalo térmico entre 650-950 °C, se comprueba la descomposición de los carbonatos de metales alcalinotérreos con el desarrollo de anhídrido carbónico y la formación del óxido del metal: en un primer momento se descomponen los carbonatos de magnesio, y luego los de calcio y, para un mismo tipo, primero aquellos no cristalizados o los con estructuras cristalinas imperfectas: CaCO3 → CaO + CO2 ↑ Al tratarse de una reacción reversible, esta descomposición está favorecida por la eliminación de los productos del ambiente de cocción: una buena circulación del aire y la presencia de minerales arcillosos, que reaccionan con el óxido de calcio formando silicatos y silicoaluminatos de calcio, favorecen una gradual, plena disociación del carbonato con el completo desarrollo de su acción fundente. También las granulometrías finas favorecen la descomposición: en efecto, los gránulos grandes de caliza solo pueden descomponerse superficialmente o, en todo caso, no permitir la reacción completa del óxido de calcio con los demás óxidos. La constitución, a alta temperatura, de compuestos cristalinos de neoformación como los silicatos y silicoaluminatos de calcio provoca, en la masa de la pasta, un aumento de volumen que recupera y, en alguna medida, supera la contracción observada anteriormente con la destrucción del retículo cristalino de los minerales arcillosos. Este aumento de volumen permanece también después del enfriamiento y explica por qué los productos constituidos por estas pastas, cuando se cuecen a dichas temperaturas, no producen una contracción de sus dimensiones, sino más bien una dilatación. La fase líquida que se forma a alta temperatura, gracias a la presencia de feldespatos ricos en elementos alcalinos, es inicialmente muy viscosa y esto asegura a los productos un cierto mantenimiento de la forma; a continuación, la viscosidad disminuye con el aumento de la T, más velozmente para las composiciones sódicas, más lentamente para las potásicas. Los feldespatos son, por lo tanto, el vehículo de la gresificación que caracteriza los productos que presentan una escasa porosidad: de hecho, la fase líquida llena los poros y, con el aumento de la temperatura, solubiliza cada vez más los óxidos de los minerales arcillosos causando una notable contracción y la densificación de la masa. Una vez alcanzada la saturación del líquido, se separan cristales aciculares de mullita, silicato de aluminio, los cuales, al entrelazarse entre sí en la matriz vítrea, forman una estructura de notable resistencia mecánica. Este tipo de mullita, conocida como la secundaria, es típica de las pastas muy aluminosas, como las de porcelana (50% de caolín, 25% de cuarzo, 25% de feldespato) cocidas a temperaturas muy altas (1350 °C), con la 214

VISCOSIDAD (poise x 103)

Cocción

Mullita formada en una pasta de porcelana – S mullita primaria, A mullita secundaria formada a partir de la fase vítrea feldespática, V fase vítrea, Q gránulo de cuarzo en fase de disolución.

ORTOCLASA

ALBITA

Viscosidad de los feldespatos en función de la T.

Figura 3.

formación de abundante fase líquida. La cristalización persiste hasta que el líquido posee suficiente fluidez. Por lo que se refiere a los esmaltes, las composiciones constituidas predominantemente de fritas no presentan particulares reacciones químicas, puesto que estas se han desarrollado ya durante la operación de fritado. Las composiciones a base de materias crudas presentan una reactividad que depende de la naturaleza química de las materias mismas: a veces se generan fusiones debidas a la formación de mezclas eutécticas, en otros casos se produce la disolución de los materiales sin que experimenten transformaciones químicas, como en el caso de las fritas a las cuales se han aditivado compuestos como el silicato de circonio o cuarzo. Las reacciones químicas más significativas son las relacionadas con la formación de nuevos compuestos que cristalizan en la masa vítrea, opacificando el vidrio o matificando su superficie, o bien las que conducen a la formación de determinados colorantes o que dan lugar a efectos decorativos especiales. El ciclo de cocción La sucesión de valores de temperatura a los cuales se somete un producto durante la cocción y los tiempos que regulan su aumento constituyen el ciclo térmico de cocción. En el proceso cerámico, un ciclo térmico se compone de al menos tres fases: a) aumento de la temperatura desde el valor ambiental hasta un valor máximo esta215


blecido, después de repetidos ensayos, considerado óptimo para la obtención de las propiedades deseadas del producto cerámico; la velocidad de aumento de la temperatura se regula de forma conveniente en función de los parámetros intrínsecos del material y de las condiciones de trabajo; b) tiempo de permanencia del producto a la máxima temperatura; la duración de esta fase depende de las dimensiones del producto y del horno; cuanto más elevados son estos parámetros, mayor es la exigencia de uniformar la temperatura para que las transformaciones físicas y química previstas se cumplan; c) reducción de la temperatura hasta alcanzar los valores ambientales de acuerdo con un programa que tenga en cuenta la sensibilidad del cuerpo cerámico a los gradientes térmicos y exigencias particulares; por ejemplo, en esta fase se considerará eventualmente la necesidad de favorecer fenómenos de cristalización, ralentizando el enfriamiento en algunos intervalos de temperatura. Las mismas reacciones químicas y físicas desarrolladas en la cocción, en función de su carácter “endotérmico” o “exotérmico”, provocan en la masa de los productos variaciones de temperatura a tener en cuenta en el diseño del ciclo de cocción. En líneas generales, las reacciones de descomposición, deshidratación y los fenómenos de transformación de un estado más condensado a uno menos condensado (por ejemplo una fusión o una evaporación) son endotérmicos; las oxidaciones, las combustiones, la transición de un estado desordenado a uno más ordenado, como en la cristalización, son transformaciones exotérmicas. De acuerdo con los intervalos de temperatura a las que se pueden generar tensiones en las piezas, el ritmo de aumento o disminución de la temperatura (�T/t = gradiente térmico) debe sufrir las oportunas ralentizaciones, mientras para las otras temperaturas el ritmo puede ser incluso muy rápido. Por lo tanto, para programar adecuadamente el ciclo térmico (curva temperaturatiempo) de una cocción, es importante conocer los fenómenos que se desarrollan y las temperaturas a las que se producen; además, a igualdad del material a cocer, desempeñan un importante papel en la determinación del gradiente de aumento de la temperatura y el tiempo de permanencia, las dimensiones de las piezas, la densidad de la carga (el calor se propaga mejor si hay menos piezas y estas sean de dimensiones uniformes) y la difusividad térmica del material, dada por la conductibilidad térmica/calor específico y la densidad. El diseño de la curva de cocción consiste, por consiguiente, en el difícil arte de conciliar la mejor productividad del horno con la buena calidad del producto. Durante muchos siglos, se ha apostado por grandes cámaras de enhornado que necesitaban largos tiempos de cocción para tener una penetración uniforme del calor en la masa de los productos, sin provocar disparidades térmicas en los mismos. Hacia la mitad de los años 70, con la implantación de los hornos de rodillos para la cocción monoestrato de las baldosas, la duración de la cocción ha pasado, sobre todo en los ciclos industriales, a tiempos relativamente breves (algunas decenas de minutos). A partir de los estudios de las cocciones rápidas se desprende asimismo, que con la aceleración de los tiempos de calentamiento, las transformaciones químico-físicas típicas de la cocción sufren un desfase: se crea un gradiente entre la temperatura del horno y aquella de los productos, que representa la inercia y el desfase con el que se desarrollan estas reacciones. Este fenómeno se justifica por el hecho que hace falta un cierto tiempo para que el calor se difunda de modo ho216

Cocción

mogéneo desde el horno hacia el interior de la masa de los productos; se ha demostrado que, al aumentar los coeficientes de transmisión de calor en el material, la diferencia de temperatura disminuye. Por consiguiente, una indicación válida, tanto para las cocciones lentas como para las rápidas, es prever en el gráfico de cocción una permanencia a la temperatura más alta para uniformar el nivel térmico y el desarrollo de las reacciones. La cocción rápida ha dado lugar a cambios radicales en la carga de los hornos, en la estructura del horno, así como en la formulación de las pastas y de los recubrimientos. Los objetos sometidos a cocción rápida son enhornados de modo de exponer al calor la superficie más amplia posible; por esta razón se disponen de forma individual en un plano, formando una única capa, para recibir el calor de todas las direcciones, del modo más uniforme. El ritmo de calentamiento o enfriamiento solo debe ser ralentizado en las zonas críticas, mientras que en los otros intervalos de temperatura se adoptan gradientes térmicos muy altos. Los hornos están construidos de materiales refractarios de baja inercia térmica, capaces de acumular poco calor, que se distribuye de manera uniforme en el interior por diferentes quemadores. Estas modificaciones han permitido mantener bastante alta la productividad, incluso con un menor contenido de material en el horno. Diferentes tipos de cocción Las modalidades de realización de la cocción cerámica pueden ser diferentes en función de la tipología del producto que se quiera obtener. La cocción puede afectar la masa de la pasta que constituye el cuerpo del objeto, el esmalte y las decoraciones, o bien el esmalte junto con el soporte. En el primer caso, tenemos la cocción del soporte o del bizcocho; en el segundo, la cocción del esmalte en el ámbito de una tipología técnica conocida como la bicocción, mientras en el tercer caso tenemos la monococción (figura 4). La cocción solo del soporte alcanza niveles térmicos tales a determinar las cualidades finales del producto como la resistencia mecánica, la porosidad o la impermeabilidad, el color.... Para algunas cerámicas, esta cocción es única y definitiva como para las terracotas, refractarios, gres rojo, clínker no esmaltado y el gres porcelánico no esmaltado. En la bicocción, la cocción del soporte es solo el primer tratamiento térmico que confiere solidez y resistencia mecánica, inercia química y térmica con respecto al esmalte que podrá ser cocido a continuación a temperaturas más bajas (generalmente 30-40 °C menos, para evitar que la capa vítrea fundida pueda sufrir inconvenientes procedentes del soporte). Es el caso de los llamados materiales de fayenza, lozas y porcelanas blandas: en general, de las piezas de revestimiento cerámico o vajilla de baja compacidad y cohesión. La monococción es un procedimiento que permite obtener, con un solo tratamiento térmico, los requisitos deseados tanto en la pasta como en el esmalte. Se trata de una técnica que ofrece notables ventajas económicas (acorta el proceso productivo, permite un ahorro de capital y energía, reduce la mano de obra) y técnicas (durante la cocción se produce la formación de una capa intermedia entre el soporte y el esmalte que asegura una mejor adherencia y acoplamiento dilatométrico). 217


Curva en presencia de corazón negro

Temperatura (°C)

Zona inferior

Zona superior

Tiempo de cocción (min)

Figura 4. Curva de cocción de un material gresificado (monococción)

Sin embargo, la adopción de esta nueva técnica de cocción (años 70) ha requerido ajustes en la estructura de las instalaciones y en la formulación de las pastas y los esmaltes. La pasta debe tener una composición tal de ser suficientemente sólida y resistente ya en el estado crudo para soportar los esfuerzos a los cuales se expone durante la conformación y en las operaciones de esmaltado y decoración; debe emitir, durante la cocción, una cantidad mínima de gas en el momento que el esmalte no esté todavía completamente fundido para evitar la formación de burbujas o pinchados. La pasta debe mantener además una porosidad abierta hasta unos 800-850 °C para permitir un intercambio gaseoso con la atmósfera del horno y evitar la formación del corazón negro; finalmente la composición debe ser tal de reducir al mínimo la contracción que podría provocar deformaciones en las decoraciones. El esmalte, que comprende también la decoración, debe tener una composición tal de madurar a las temperaturas a las cuales la pasta obtiene sus características finales, debe fundir a una T cuando las emisiones gaseosas generadas por el soporte ya han cesado y, en el breve tiempo disponible, debe estirarse y nivelarse para cubrir uniformemente el soporte; además, no debe alterarse a causa de la atmósfera del gas y de los vapores que se desarrollan en el horno durante la cocción y debe ser suficientemente agresivo con respecto al soporte para reaccionar con ello y formar la fase intermedia. Las adecuaciones estructurales requeridas por la monococción han afectado sobre todo los hornos y la automatización de las operaciones aguas arriba del horno. La automatización ha incidido en el almacenamiento y la movimentación del material esmaltado y decorado en espera de ser sometido a cocción, en la alimentación de los hornos y en la descarga del material cocido.

218

Cocción

Los combustibles Normalmente, el calor necesario para la cocción se obtiene aprovechando la reacción de combustión de algunas sustancias sólidas, líquidas o gaseosas o empleando también la energía eléctrica. La combustión es una reacción de oxidación de notable velocidad y, por tanto, exotérmica, que puede utilizarse para generar calor. A causa de esta reacción, el combustible, constituido de compuestos oxidables como el carbono, hidrógeno, azufre, óxido de carbono, hidrocarburos, se combinan, previo desencadenamiento (encendido), con el oxígeno del aire, el comburente, para formar determinados productos de reacción y calor. C + O2

→ CO2 ↑

+ 94,2 kcal/moles

CH4 + 2O2

→ CO2 ↑ + 2H2O↑

+ 192 kcal/moles

H2 + 1/2 O2

→ H2O ↑

+ 58,6 kcal/moles

El calor generado sirve para desencadenar y continuar la combustión. La principal característica de los combustibles, que los diferencia del punto de vista del valor comercial, es el poder calorífico; esto depende de la composición del combustible y expresa la cantidad de calor (kcal) desarrollada en la combustión de 1 kg de material, si se encuentra en el estado sólido o líquido, o de 1 m3 si se trata de combustible gaseoso (tabla 1).

Tabla 1. Propiedades de los gases que intervienen en la combustión, considerados en condiciones normales (0 ºC, 760 mm de Hg, secos). 219


Durante la combustión se pueden encontrar presentes sustancias que sustraen calor, activando procesos endotérmicos como los cambios de fase (por ejemplo agua → vapor) o simplemente calentándose, como hace el nitrógeno presente en el aire necesario para la combustión. Para que el combustible desarrolle al máximo su poder calorífico, es necesario que se mezcle de la mejor manera con el comburente y que este último esté presente en una proporción por lo menos igual a la teórica prevista para la reacción de combustión. En la práctica, con la exclusión de circunstancias especiales que requieren una atmósfera reductora, para obviar un mezclado imperfecto con el comburente, se utiliza aire en exceso: para los combustibles sólidos se puede utilizar un exceso de aire variable entre 40 y 150%, para los líquidos entre 25 y 60%, para los gaseosos entre 10 y 50%. Los combustibles gaseosos son particularmente ventajosos, ya que se mezclan completamente con el aire. Esto significa que la combustión se desarrolla con una cantidad de aire un poco superior a la teórica. Además, se pueden quemar en proximidad de los productos sin provocar daños, no dejan cenizas, no necesitan precalentamiento y, por lo tanto, se pueden utilizar quemadores relativamente más sencillos; permiten alcanzar temperaturas muy elevadas, tanto por el alto poder calorífico como por la posibilidad de usar aire precalentado, hacen más eficaz el control del calentamiento y de la atmósfera del horno. El metano, también llamado gas natural, es una mezcla de metano, etano y una pequeña cantidad de otros hidrocarburos ligeros: se encuentra en yacimientos propios y en los yacimientos petrolíferos como fase gaseosa. Su poder calorífico se sitúa en unas 8500 kcal/m3. Quema con una llama muy pura y contiene contenidos despreciables de azufre; por consiguiente, es el combustible más utilizado en los hornos de llama libre, donde los gases generados por la combustión entran en contacto directo con los productos. Se distribuye a las industrias en conducciones bajo presión. Por esta razón, antes del uso en los quemadores de los hornos, debe someterse a una descompresión en instalaciones adecuadas. Los combustibles líquidos presentan algunas ventajas: una dosificación y distribución más fácil en las varias posiciones del horno, un mejor mezclado con el comburente por la posibilidad de ser pulverizados, un posible poder calorífico superior, menor producción de cenizas y el uso de quemadores más pequeños y eficaces. Para el mezclado del combustible con aire, con vistas a obtener una eficaz combustión, se adoptan dos métodos: - nebulización del líquido en una corriente de aire generado por un ventilador (es el sistema más utilizado); - evaporización del líquido a través de parte del calor generado por su propia combustión. La nebulización o pulverización es de tipo mecánico y se realiza bombeando el líquido en una tubería que acaba en una tobera con un diámetro determinado. Los quemadores pueden estar alojados en las paredes o en la bóveda de la cámara de cocción; en este caso se utilizan quemadores que inyectan, a intervalos de tiempo preestablecidos, una deter220

Cocción

minada cantidad de combustible. Los hornos cerámicos pueden utilizar, como combustibles líquidos, los llamados “aceites ligeros”, destilados del petróleo, presentes comercialmente en dos formas: queroseno y nafta. Normalmente, la segunda es la más utilizada, también por su precio. La combustión suele ser buena, pero todo el sistema de combustión es más caro y el mantenimiento es más laborioso y frecuente con respecto a los sistemas de funcionamiento con gas natural. Los combustibles del tipo “aceites pesados”, se presentan a temperatura ambiente con la consistencia de brea y deben ser precalentados por lo menos a 60 °C para poder circular en los conductos de alimentación y ser llevados a continuación por lo menos a 110 °C para obtener una buena atomización. La combustión no es buena y produce una notable cantidad de residuos carbonosos, anhídridos sulfurosos y otros contaminantes. A causa de estos problemas, los “aceites pesados” se utilizan cuando razones de disponibilidad y economía hacen inviable el uso de combustibles mejores. Entre los combustibles utilizables donde no existen otras posibilidades mejores, cabe destacar los otros gases “pobres” de bajo poder calorífico, como los gases derivados del tratamiento del coque, las mezclas de hidrógeno, metano y CO, etc. El combustible líquido más idóneo para la alimentación de los modernos quemadores es, sin duda, el gas de petróleo licuado - GPL. Se trata de un combustible limpio, de alto poder calorífico, que generalmente no requiere quemadores de tipo muy diferente de los del gas natural; sin embargo, es necesario prever unidades de almacenamiento y distribución, y poseer el conocimiento de la tecnología de uso, ya que se comercializa de forma líquida, pero se utiliza como gas. Por esta razón es necesario contar con los evaporadores adecuados (eléctricos o con quemador), ya que no son aceptables las alimentaciones al horno que provienen solamente de la evaporación espontánea del combustible en el depósito, al no asegurar la constancia de composición del gas, porque tienden a evaporar obviamente primero las fracciones más volátiles. Para evitar que el combustible pueda presentarse todavía en fase líquida en la red de distribución, o que el enfriamiento producido por la descompresión hasta el nivel tipo de 500-600 mm de H2O pueda producir la formación de hielo, es una buena norma atenerse a los valores indicados en las siguientes tablas (tablas 2 y 3). La temperatura del gas está en función de la composición porcentual en peso del GPL, expresada como mezcla de propano y n-butano, y de la presión efectiva registrada aguas arriba de la instalación del GPL del horno, y expresada en bar.

(Propano/n-Butano)

Tabla 2. Temperaturas mínimas y presiones del GPL en las redes de distribución para los usos.

221


Ejemplo: si el GPL posee una composición de 30% de propano y 70% de n-butano, y la presión en el tubo de alimentación es de 1 bar, la temperatura del gas de entrada no debe ser inferior a 20 °C para tener un margen de seguridad aceptable. Con la misma composición del gas, si la presión fuera 0.5 bar, bastaría una temperatura de 12 °C. Por lo tanto, en el caso de utilizar el GPL como combustible, teniendo en cuenta que muy a menudo la composición en peso no se conoce o puede variar con el tiempo, siempre es aconsejable utilizar presiones alrededor de 0.5 bar para evitar formaciones peligrosas de fases líquidas o la formación de hielo en los equipos de control. Gases (m3) producidos por la combustión estequiométrica de 1 m3 de gas con aire (seco / húmedo)

Tabla 3. Productos de combustión.

HORNOS DE COCCIÓN DE LA CERÁMICA Los intercambios térmicos El horno es la máquina por medio de la cual se realiza la cocción, obteniendo productos con características preestablecidas. Durante las varias fases de cocción de los productos, entre la fuente de calor, los fluidos presentes, las estructuras del horno, los productos a cocer y el ambiente envolvente, se generan intercambios térmicos por medio de todas las modalidades de propagación de calor: la conducción (poca relevante), la convección (principal fuente de transmisión de calor) y la radiación (presente de manera significativa solamente en las zonas de alta temperatura). Propagación de calor por convección La convección, que desarrolla el transporte de calor mediante la circulación del aire (el aire caliente asciende y el más frío desciende), transmite una cantidad de calor que, a igualdad de las otras condiciones, está dada por: Q = ρ · S · ΔT donde S es la superficie expuesta al aire, ΔT la diferencia de temperatura entre el cuerpo cerámico y el gas y ρ representa un coeficiente de convección, que puede asumir valores muy diferenciados, en función de los casos; por otra parte, este coeficiente indica 222

Cocción

de qué manera el calor intercambiado depende en una pequeña parte de la diferencia de temperatura entre el fluido y los sólidos que se calientan, mientras que son en cambio muy importantes para el intercambio térmico las condiciones que facilitan, o que sirven para orientar, el movimiento del fluido. El movimiento de los fluidos puede depender de una posición concreta de la fuente de calor con respecto al conducto de aspiración de los humos, del uso de los quemadores soplados o de alta velocidad, de los ventiladores que provocan una circulación forzada. La convección puede ser acentuada si se enhornan los objetos de modo de permitir a los fluidos de circular libremente entre ellos, y si se disponen los quemadores de alta velocidad en las paredes, a tresbolillo en los lados opuestos, para generar turbulencias y una circulación de gas transversal al movimiento del material. En la propagación de calor por radiación, el calor se transmite por los rayos infrarrojos que son emitidos por todos los cuerpos calientes. La cantidad de calor transmitida depende de la temperatura, de acuerdo con la relación: Q = σ (T24 - T14) siendo T2 y T1 las temperaturas del cuerpo caliente y del ambiente envolvente. Por lo tanto, este mecanismo se hace cada vez más importante con el aumento de la temperatura del horno, tanto que en algunos casos, sobre todo en los hornos de llama libre donde las llamas pueden llegar hasta las proximidades inmediatas de los objetos, se provee a proteger sus superficies con material refractario. La transmisión del calor por radiación es típica de los hornos mufla y la cocción en cacetas: en efecto, es la estructura del refractario que irradia el calor recibido a los objetos enhornados. La radiación también se aprovecha para producir un enfriamiento rápido de los objetos cocidos a alta temperatura: en este caso las radiaciones emitidas por los cuerpos son captadas por tubos de carburo de silicio (dotados de alto poder absorbente para los rayos infrarrojos) dentro de los cuales circula aire tomado del ambiente. La realización del horno Ciertamente, en la actualidad, los hornos más difundidos para la fabricación de baldosas cerámicas son los de monoestrato, donde el material a cocer, transportado de diferentes maneras, pasa en una único estrato por la estructura del horno. También el horno de rodillos bicanal se utiliza por el menor espacio requerido (figura 5). En todo caso, el material crudo avanza por el horno, encontrando sectores cada vez más calientes (zona de precalentamiento), hasta alcanzar la temperatura máxima (zona de cocción), que se extiende durante un cierto tramo (tiempo); el material continúa su desplazamiento encontrando una zona de fuerte y repente enfriamiento, que se suaviza ligeramente para obviar los problemas debidos a la presencia de cuarzo, para luego, ser retomado de manera turbulenta hasta la salida del horno, a una temperatura que oscila entre 40 y 60 °C. El tiempo empleado por el material a recorrer el canal corresponde a la duración del ciclo de cocción y, junto con el caudal de la sección transversal del horno y 223


Figura 5. Horno monoestrato

el número de capas de material, contribuye a determinar su productividad. La velocidad de avance del material es, de hecho, generalmente constante. El cuerpo del horno monoestrato, con transporte de material sobre rodillos, que es el más utilizado, se compone normalmente de módulos de unos 2 metros, uno al lado de otro, con bastidores tubulares y perfiles metálicos que sostienen la estructura de la pared aislante, en ladrillos refractarios y morteros refractarios aislantes sobre la solera, con placas refractarias y módulos de tapices de fibras aislantes instalados en la pared y en la bóveda. La figura 6 presenta la realización de una pared de horno mediante el acoplamiento de diferentes materiales y muestra el aislamiento térmico obtenido de este modo. La composición de los módulos puede ser extremadamente variada, en función de las exigencias productivas: generalmente se construyen, para la producción masiva de monococción, hornos de 60 a 120 metros de longitud o más, con secciones útiles de 1.3 a 3 metros (área útil de 80 a 360 m2), subdivididas, aproximadamente, en: Prehorno Precalentamiento Cocción Enfriamiento rápido Enfriamiento lento Enfriamiento final

(10% de la longitud total del horno) (31%) (19%) ( 6%) (20%) (14%)

La sección vertical de la cámara de tratamiento térmico se reduce al máximo para acelerar la velocidad de los humos y, por consiguiente, aumentar el intercambio térmico humos-baldosas. La aportación de aire está garantizada por ventiladores apropiados, habitualmente 6, con las siguientes funciones, en orden de la dirección de avance: - aspiración de humos; - soplado de aire combustión; - soplado de aire de enfriamiento rápido; 224

Cocción

AISLANTE DE LA PARED DEL HORNO Temperatura en °C

Figura 6. Esquematización de una pared del horno que muestra el aislante térmico.

- aspiración de los intercambiadores de calor en el enfriamiento lento; - aspiración de aire caliente en el enfriamiento final; - soplado de aire frío en el enfriamiento final. La figura 7 representa una visión lateral y en sección de un típico horno monoestrato de rodillos de última generación. En la figura anterior se aprecia también el tipo de uso de los humos de cocción, que prevé, en las configuraciones más extendidas, el avance del material en contracorriente a los humos de la zona de cocción, que se transportan hacia la chimenea principal que se encuentra a la entrada del horno. Este planteamiento es de una gran relevancia para la gestión energética del horno, ya que, de este modo, se aprovecha el calor transportado por los humos generados y calentados en la zona de cocción para efectuar el precalentamiento del material que avanza; en el caso de las emisiones tóxicas o indeseadas en la zona de precalentamiento, estas se llevan directamente a la chimenea, realizando los oportunos tratamientos de depuración más o complejos y caros. 225

226 Granito cerámico contracción 8%

Monococción contracción 7% (200x200)

Monococción contracción 7%

(100x100)

Figura 7. Sección longitudinal de un horno monoestrato y detalle de las diferentes secciones.

(200x200)

RKS 2070

RKS 1650

RKS 1003

(200x200)

Granito cerámico contracción 8%

RKS 2230


Cocción

Instalación de combustión Los combustibles gaseosos o gasificados, metano y GPL, se queman directamente en la cámara de combustión para ser luego expulsados como humos dentro del horno, donde transitan las baldosas. Para la combustión se utilizan quemadores con la mezcla de combustible y aire soplado en los conductos adecuados, que puede ser subdividido en aire de tipo primario, como comburente para el combustible, y secundario, para la obtención de la atmósfera de cocción apropiada. Sin embargo, en la mayoría de los casos se utiliza el mezclado directo de aire y combustible en las toberas: en función del diámetro de salida de las cámaras de combustión se pueden obtener así diferentes perfiles térmicos en la sección transversal del horno. La fuerte carga térmica que grava sobre las cámaras de combustión es soportada por materiales constitutivos apropiados y, en especial, por SiC (carburo de silicio) cristalizado de varias formas o impregnado. Al alimentar el aire de manera conveniente, se pueden obtener gases calientes que salgan del quemador a una velocidad superior a 100 m/s, generando chorros direccionales que mantienen inalterada la temperatura a lo largo de un amplio tramo de su recorrido, que coincide, generalmente, con la sección del horno. Ya que los quemadores están dispuestos a tresbolillo por encima y por debajo del plano de los rodillos, se obtiene el máximo remolino de los humos calientes, que contribuye a la obtención de la mayor homogeneidad de calentamiento. Los sistemas tradicionales de modulación de la combustión por medio de los quemadores pueden resumirse en: - sistema de modulación de aire fijo y gas modulado; - sistema de modulación de aire modulado y gas modulado. En el primer caso, una vez regulada, la cantidad de aire que llega al quemador se mantiene constante, independientemente de las variaciones de carga u otro factor que pueda cambiar el valor de la temperatura de consigna en aquella zona: el valor de la temperatura de consigna se mantiene solo por la modulación del gas. De este modo es evidente que el quemador puede trabajar en una correcta relación estequiométrica gas/aire solo en un estrecho intervalo de funcionamiento, siendo el exceso de aire la situación más común. Este sistema es sencillo de construir, permite una buena estabilidad de presión del horno en el caso de lagunas en la carga, pero se demuestra más costoso con respecto al consumo de combustible. En el segundo caso, la cantidad de aire y gas varía en función de una relación constante que depende de las eventuales variaciones de carga dentro del horno u otro factor que pueda modificar el valor de la temperatura de consigna en la zona. El valor de la temperatura de consigna se mantiene por medio de la variación simultánea del aire y del gas y esto comporta una variación de los volúmenes al interior del horno. Por otra parte, los quemadores trabajan mayoritariamente en una relación estequiométrica que es óptima en términos de consumo de combustible. La inestabilidad de presión a causa de las lagunas en la carga, la mayor complicación constructiva y la dificultad de recuperar transiciones de temperatura son algunos aspectos negativos importantes, sobre todo cuando se unen a la progresiva ampliación de los 227


hornos en términos de anchura y longitud. En los hornos de grandes producciones (anchas secciones) y ciclos particularmente rápidos, donde existe la necesidad de especiales requisitos de estrechas tolerancias dimensionales, se ha ido también consolidando la realización de sistemas de regulación pulsada, en oposición de fase entre las paredes opuestas o la realización de sistemas de distribución ajustable de la llama del quemador por transportadores o deflectores de material refractario: en ambos casos, se pueden obtener de este modo controles térmicos óptimos que, gracias también al desarrollo de la electrónica de proceso y los sistemas de medida cada vez más fiables, permiten limitar las oscilaciones de temperatura absoluta en un intervalo de unos pocos grados centígrados y permiten obtener óptimos resultados de homogeneidad de calentamiento de pared a pared. Finalmente, con relación al sistema de combustión, queda por señalar el gran esfuerzo que se ha realizado para optimizar los consumos energéticos. En este sentido, basta recordar que, para la producción de 1 kg de baldosas esmaltadas, de 300 × 300 mm con absorción de agua del 5-6%, se necesitaba 967 kcal en 1980, mientras que hoy hace falta aproximadamente 480-500 kcal. Una solución sencilla y eficaz es la utilización de aire comburente a una temperatura más elevada que la de ambiente. De este modo se pueden obtener ahorros de combustible del orden de 5-6% con aire a una temperatura próxima a 100 °C. Actuando con una recuperación más radical de la zona de enfriamiento, que permite utilizar aire comburente a temperaturas hasta 230-250 °C, se puede llegar a ahorrar el 12-14% (tabla 4). Sin entrar en el mérito de la distribución de planta, en la tabla a continuación se muestra el desarrollo de los consumos específicos, referido a un horno de boca de 2.5 m, con una longitud de 110 m, ciclo de cocción de 47 minutos, Tmáx de 1220 °C, para la cocción de baldosas tipo gres porcelánico, con contracción de 8%, peso de 20 kg/m2, producción de 6400 m2/d (5350 kg/h producto cocido):

Tabla 4. Consumo específico de un horno monoestrato con relación a la temperatura del aire comburente (aire recuperado).

De acuerdo con las reacciones que deben desarrollarse a las diferentes temperaturas y a la realización estructural del horno, es entonces posible describir esta máquina térmica mediante la siguiente esquematización: 1 - Prehorno Es la zona de entrada de las baldosas en el horno, destinada a la eliminación del agua higroscópica residual después del proceso de secado principal, después del esmaltado y después de la estancia en un ambiente higroscópicamente desfavorable: es aceptable una humedad máxima no superior al 2% en peso. Se inicia también la eliminación del 228

Cocción

agua zeolítica de las arcillas. Generalmente, esta sección no está dotada de un equipo de calentamiento autónomo; los humos proceden de la cocción, aspirados por el ventilador por tomas dentro del horno, por encima y por debajo del plano de rodillos al inicio del prehorno. La temperatura está registrada por un único termopar en la bóveda. El prehorno trabaja en el intervalo de temperatura de 200-500 °C: teniendo en cuenta el ciclo rápido y la endotermia de la evaporación, el material presenta una temperatura de 50-200 °C. El único dispositivo disponible para la determinación de la temperatura es una toma de aire de ambiente, en la bóveda y en el suelo al final del prehorno, ajustable con el registro. La sección vertical de la cámara de paso del material (lugar de trabajo) es reducida para acelerar la velocidad de los humos y, por consiguiente, aumentar el intercambio térmico humos-baldosas. El aislamiento de las paredes y bóveda es de fibra aislante, en placas rígidas ancladas en la estructura metálica de los módulos; para el suelo se emplea albañilería aislante, de mayor resistencia mecánica, para no generar degradaciones en las intervenciones de eliminación de las piezas rotas que se pueden acumular. 2 - Precalentamiento Es la fase del proceso de cocción dedicada a la desgasificación del cuerpo cerámico, indispensable para que no se ocasionen luego, en la cocción, hinchamientos, burbujas, agujeros, porosidad del esmalte y tonos. El intervalo de temperatura que le compite está condicionado en gran medida por la tipología del producto a cocer y, aún más, por la tipología del esmalte más o menos bajofundente. Es aplicable, por lo tanto, el concepto que el precalentamiento acaba donde empieza la fusión; la porosidad superficial de las baldosas se reduce, perdiendo rápidamente permeabilidad a los gases. Planteadas estas premisas, el intervalo de temperatura del precalentamiento puede estar entre 500-700 °C o 500-1000 °C, si el esmalte es de buena factura; se puede extender de forma excepcional hasta los 1100 °C para las pastas y esmaltes excepcionalmente alto-fundentes. Otra función del precalentamiento es la de acompañar la transformación alotrópica del cuarzo α en cuarzo β, sin que se produzcan roturas por un exceso de tensiones durante el fuerte aumento de volumen del cuerpo cerámico. Como consecuencia de la diferencia de temperatura entre el ambiente y las baldosas en rápido avance, los fenómenos que se desarrollan en el precalentamiento deben ser parametrizados con las temperaturas en el canal de cocción para, de este modo, identificar los intervalos de temperatura más eficaces para dichos fenómenos. El precalentamiento está dotado de una robusta instalación de quemadores alojados en la pared, por encima y por debajo del plano de rodillos. Únicamente en los hornos destinados a la cocción del esmalte faltan los quemadores debajo del plano de rodillos, con excepción del final de la zona de cocción. Los quemadores se subdividen, para el abastecimiento de combustible, en grupos de múltiples piezas distribuidos en dos módulos del horno, escalonados simétricamente entre el lado derecho e izquierdo. Los grupos por encima y por debajo del plano de rodillos siempre se separan para la regulación. La sección vertical de la cámara del horno está aumentada con respecto a la del prehorno y el dimensionado de los módulos es mayor para albergar un aislamiento de mayor espesor. Las paredes están construidas de ladrillos aislantes en la sección delante de la cámara de paso y con fibras refractarias en un segundo orden. La bóveda está realizada con 229


bloques de refractario ligero, suspendidos con anclajes metálicos en sistemas tubulares apoyados en la estructura de los módulos. En el segundo y tercer estrato encontramos fibras refractarias y una placa aislante de cobertura. El suelo está construido completamente de albañilería aislante de diferentes calidades o de material refractario triturado. Para la protección de los esfuerzos mecánicos, el aislante del suelo está protegido por sutiles láminas de material refractario denso, colocadas en seco. Para el paso de los rodillos a través de la pared se utilizan piezas especiales perforadas de material refractario denso, montadas en seco. El aislamiento de las paredes a este nivel se completa con fibra aislante de borra, comprimida alrededor de los rodillos. 3 - Cocción Se trata de la zona de las máximas temperaturas, a partir de aproximadamente 1000 °C. Con relación a la calidad del aislamiento térmico, las paredes presentan al fuego ladrillos de tipo refractario aislante con características refractarias muy destacadas y fibras aislantes para complementar el aislamiento. En particular, los espesores del aislamiento presentan un dimensionado diferente, por las temperaturas previstas necesarias para las características específicas del producto. Hay que tener en cuenta, que para adecuar de forma óptima el aislamiento a las temperaturas en la zona de 1100-1250 °C, se utilizan 3 diferentes niveles de aislamiento: esto es necesario para el funcionamiento no crítico del horno a expensas de una planta optimizada. Toda la zona de cocción está dotada de quemadores en la pared, dispuestos por encima y por debajo del plano de rodillos. Es casi exclusivamente en la zona de cocción donde la baldosa adquiere las características finales de dimensión, planaridad, gresificación y desarrollo del esmalte. Por lo tanto es indispensable el control particularmente ajustado de las temperaturas y la óptima factura del plano de rodillos, teniendo en cuenta que determinados productos sufren un reblandecimiento decisivo. Para controlar y gestionar la influencia de la zona contigua de enfriamiento rápido, la zona de cocción termina con una doble barrera física, constituida por un muro transversal que secciona la parte baja del canal de cocción hasta el límite del plano de rodillos y por placas rígidas de fibra aislante (reductores de tiro), integradas mediante una adecuada apertura practicada en la bóveda del horno, que secciona el canal de cocción por encima del plano de rodillos. Otros seccionamientos análogos del canal de cocción en la zona de cocción o precalentamiento, fuentes de un mantenimiento frecuente y a veces incómodo, no suelen aportar resultados apreciables: por consiguiente, se plantean solo en casos de potencial utilidad, es decir, en hornos muy cortos o para la cocción de productos de exigencias concretas muy específicas. 4 - Enfriamiento rápido Se trata de la zona de temperatura entre la máxima temperatura de cocción y los 600 °C. Sirve para enfriar las baldosas el más rápidamente posible hasta temperaturas netamente por encima de la transformación alotrópica del cuarzo. Esta fase del proceso de cocción, por la impresionante velocidad de reducción de temperatura y la reconducción al estado sólido del soporte y del esmalte, es sin duda bastante crítica para las baldosas. La instalación para el enfriamiento rápido está constituida esencialmente por tubos de 230

Cocción

soplado integrados en la pared por encima y por debajo del plano de rodillos, que introducen aire frío por medio de perforaciones alineadas en la cámara del horno. La perforación de los sopladores permite distribuir, con buena homogeneidad, el aire en la sección de carga del horno; los tubos de soplado pueden orientarse en función de las necesidades; están elaborados de acero austenítico o, cuando se quiere, de carburo de silicio para los más expuestos a alta temperatura. La temperatura en la zona de enfriamiento rápido está controlada por un termopar por encima y otro por debajo del plano de rodillos. Un equipo accesorio para el enfriamiento rápido es un intercambiador de calor elaborado con tubos de acero insertados debajo de la bóveda del horno, transversal al canal de cocción: en su interior circula el aire de combustión destinado a los quemadores. La doble función del intercambiador reside en la posibilidad de potenciar la acción de enfriamiento del soplado y de proporcionar aire precalentado, normalmente a unos 100120 °C, como aire de combustión para los quemadores. Esta temperatura asegura un aire ya suficientemente dilatado en volúmenes, sin humedad, que no resulte perjudicial para las estructuras internas de la cámara en el caso de apagarse los mismos quemadores. El aislamiento térmico de las paredes de la zona de enfriamiento rápido está elaborado con ladrillos refractarios aislantes delante del canal de cocción y fibras aislantes en un segundo orden. Los espesores son reducidos, a consecuencia de las temperaturas relativamente bajas de la cámara de paso. 5 - Enfriamiento lento Es la fase del proceso de cocción dedicada a la delicada retransformación alotrópica del cuarzo. El acontecimiento comporta una fuerte disminución volumétrica del cuerpo cerámico; debe desarrollarse con la debida lentitud y gradación para que la transformación se desarrolle con suficiente simultaneidad en toda la baldosa: en el cuerpo cerámico, ya rígido, las tensiones pueden producir fácilmente la característica rotura “de vidrio” que, en los productos de gresificación medio-alta, proporciona a la fractura un aspecto liso, brillante, concoidal y con aristas cortantes. El intervalo de temperatura en cuestión está comprendido entre 600 y 450 °C, a lo cual corresponden temperaturas reales de la baldosa entre 700 y 500 °C. La instalación de esta zona está constituida por un sistema de tubos intercambiadores de calor transversales al horno debajo de la bóveda, por los que un ventilador hace circular aire frío aspirado del ambiente. El sentido de la circulación del aire, en tubos sucesivos, se alterna de la derecha a la izquierda y de la izquierda a la derecha. El sistema puede seccionarse en su longitud con adecuadas válvulas sobre el colector de aire caliente. La sección vertical de la cámara del horno es de nuevo reducida, así como el dimensionado de los módulos, para albergar el aislamiento más ligero, suficiente para las bajas temperaturas. El aislamiento de la bóveda está realizado con placas rígidas de fibra, ancladas en la carpintería de los módulos; las paredes en la sección delante de la cámara de paso presentan ladrillos y fibras en un segundo orden; el suelo está construido de ladrillos aislantes. El material refractario en esta zona del horno desempeña un papel de aislamiento térmico secundario, lo cual es útil para mantener una temperatura adecuada 231


en la cámara de paso durante los huecos de carga. La zona acaba con una doble barrera transversal al horno, a una distancia cercana. Ambas barreras están constituidas por un muro en seco que secciona la cámara de paso debajo del plano de rodillos y por placas de chapa de acero austenítico introducidas en las aberturas correspondientes en la bóveda; la parte final de estos reductores de tiro puede bascular si resulta impactada por el material que avanza. Estos seccionamientos tienen el objeto de controlar el tramo en contracorriente con la carga de los grandes volúmenes de aire en juego en el enfriamiento final. 6 - Enfriamiento final Es la última fase del proceso de cocción y tiene la función de reducir al máximo el calor latente del producto que ya ha superado el punto crítico de la retransformación del cuarzo. Está equipada de un sistema de soplado de aire frío directo por encima y por debajo del material, por grupos de tres tubos transversales perforados, con la posibilidad de ajustar el caudal de aire de cada grupo mediante un registro en la alimentación de aire. Un segundo ventilador extrae de la cámara de paso el aire que se ha calentado en contacto con el producto mediante tomas en la bóveda, por tolvas con válvula de mariposa de regulación. Las tomas de aspiración del aire caliente se extienden hacia la zona de enfriamiento lento con una toma entre las dos barreras entre la zona de enfriamiento lento y la final, y una toma inmediatamente aguas arriba de las barreras: esta toma es útil en las fases de calentamiento de los hornos y para establecer el equilibrio necesario en el tramo de los volúmenes de aire hacia la zona de cocción. Movimentación de los rodillos El sistema de movimentación de los rodillos más utilizado consiste en la transmisión de movimiento a los rodillos con engranajes: para la transmisión angular del movimiento a los rodillos se utiliza un par de engranajes de dientes inclinados. La sucesión de los engranajes motores está acoplada a un árbol de acero: uno por cada módulo del horno. Dos, tres o cuatro árboles están conectados entre sí por empalmes con cajas bicónicas de expansión, elaboradas de modo de obtener en su exterior un doble engranaje: se obtiene de este modo un “arrastre de rodillos”. El árbol recibe el movimiento de un motovariador con reenvío en cadena con regulación automática de la velocidad por medio informático. Adquiere cada vez más favor el alternador del motorreductor actuado por un modulador de frecuencia. Todos los engranajes están protegidos por un cárter cerrado, que sirve también de depósito para el baño de aceite. Circulación de los volúmenes en el horno. Situación de presión en la cámara de paso El balance de los volúmenes en el horno es de notable importancia y se puede deducir a partir del dimensionado de los ventiladores utilizados. Los volúmenes se introducen por medio del ventilador para el aire de combustión, así como por aquel para el enfriamiento rápido directo y aquel para el soplado de aire frío en el enfriamiento final. Los volúmenes se extraen mediante el ventilador de humos y el ventilador de aspiración de aire caliente en el enfriamiento final. 232

Cocción

Las tomas en el horno del ventilador de humos están situadas al inicio del prehorno, simétricamente dispuestas por encima y por debajo del plano de rodillos. No están orientadas en el sentido del recorrido de los humos procedentes de la zona de cocción: generan simplemente una depresión hacia la que fluyen los humos. Las tomas individuales por encima del plano de rodillos y las por debajo del plano de rodillos en su conjunto pueden ser reguladas con válvulas de mariposa: dichas válvulas funcionan como válvulas de distribución del tiro por encima y debajo del plano de rodillos. Se puede limitar el caudal del ventilador de humos en función de las diferentes soluciones de la planta: una válvula de mariposa de gobierno manual, aguas arriba de la boca del ventilador, representa la ejecución tipo. La actuación de la válvula con servomotor controlado por el cuadro del horno o la aplicación de moduladores de frecuencia (variadores de frecuencia) en el motor del ventilador constituyen, con o sin dispositivo para la regulación automática de la presión en horno, soluciones opcionales realizadas a petición. Está disponible además una toma de aire de ambiente en el colector de humos, ajustable manualmente con una válvula de mariposa, que permite reducir la temperatura de los humos cuando esta puede resultar excesiva para el ventilador. Asimismo, representa un órgano de regulación fina de la cantidad de humos aspirados. La distribución del tiro por encima y por debajo del plano de rodillos posee una eficacia limitada: se observa en efecto que ya a 10-12 metros de las tomas en el horno, los humos siguen el recorrido más natural, por encima del plano de rodillos. Esto resulta favorecido por la fácil comunicación entre los dos niveles de la cámara de paso, por los espacios huecos entre rodillo y rodillo de las porciones de la rodillera sin cubrir por la carga. El aire de combustión suministrado a los quemadores, en una cantidad que suele variar entre 5 y 35 m3/h por quemador, se define en función de las necesidades. Dilatado por la temperatura, este representa la gran parte de los volúmenes a evacuar. A estos volúmenes se suma por lo menos una parte del aire soplado en el enfriamiento rápido. El aire soplado en el enfriamiento rápido puede ser completamente o parcialmente aspirado por el ventilador de humos o por aquel de aspiración de aire caliente en el enfriamiento final. Aspirado por el ventilador de humos, al menos en parte, desempeña un papel positivo en el consumo de combustible, puesto que, ya en gran medida sobrecalentado, permite suministrar cantidades inferiores de aire a los quemadores (más frío) y asegura una buena oxigenación de la cámara de paso (figura 8).

Aire de enfriamiento

Aire de combustión

Prehorno

Precalentamiento

Cocción

Enfriam. rápido

Enfriamiento lento

Enfriamiento final

Figura 8. Recorrido de la circulación del aire con aspiración parcial hacia la salida. 233


Aire de combustión Prehorno

Precalentamiento

Aire de enfriamiento Cocción

Enfriam. rápido

Enfriamiento lento

Enfriamiento final

Figura 9. Recorrido de la circulación del aire y transporte del aire hacia la salida.

Aspirado por el ventilador de aire caliente en el enfriamiento final, con un recorrido equicorriente a la carga, puede ser de notable ayuda para conservar el calor de la cámara de paso en presencia de importantes huecos de carga y, por lo tanto, salvar la cabeza de producción de eventuales roturas en la fase de retransformación del cuarzo (figura 8). La cantidad de aire introducida se modula automáticamente para mantener en la zona de enfriamiento rápido la temperatura deseada; por consiguiente, sobre todo si la alimentación de la carga no es continúa y si los parámetros por defecto del termorregulador actuador no están optimizados, se ocasionan oscilaciones de presión en el horno, como si el horno “respirase”. El aire soplado en el enfriamiento final se distribuye por sopladores transversales al horno, dispuestos por encima y por debajo del plano de rodillos. El aire sale por la perforación del soplado, orientado de forma perpendicular a la carga. Esta configuración de enfriamiento final optimiza el rendimiento y la posibilidad de recuperación energética, ya que los volúmenes de aire a 110-160 °C encuentran fácil posibilidad de uso. La situación de presión del horno es ciertamente un elemento notable de regulación, pero poco determinante de cara a los objetivos del resultado de la cocción. Cuando se atribuye un valor a la presión del horno, esto debe ser referido a un punto de registro en el canal de cocción, teniendo en cuenta que la presión es mínima con relación a las tomas de los humos en el prehorno, y máxima en la zona de enfriamiento rápido por la introducción de grandes volúmenes de aire. Además, en la misma zona del horno, la presión es máxima al nivel de la bóveda y mínima al nivel del suelo, con diferencias muy apreciables. Por comodidad, la presión del horno se registra al nivel de los quemadores por encima del plano de rodillos en el penúltimo módulo de la zona de cocción. Otro modo, menos técnico pero muy práctico y significativo, consiste en la identificación del punto de presión ± 0 entre la depresión del precalentamiento y la presión en la zona de cocción. El siguiente diagrama representa un recorrido de las presiones en la cámara de paso bastante característico (figura 10). En todo caso, se recomienda no aumentar la presión del horno por encima del límite de 0.3 mm de ca, de no equilibrar los tiros de modo que una parte de los humos generados en la zona de cocción se conduzcan hacia la salida del horno: como consecuencia sufre el consumo y aumentan los problemas de desgasificación en el precalentamiento. Controles Existen muchos controles importantes a realizar para la correcta gestión de un horno cerámico, por ejemplo sobre la composición de los humos de salida por la chimenea, sobre 234

Cocción

Enfriamiento final

Enfriamiento indirecto

Enfriamiento rápido

Salida aire de enfriamiento

Aire de combustión

Aire de precalentamiento

A la chimenea

Salida de baldosas

Entrada de baldosas

PRECALENTAMIENTO

COCCIÓN

ENFRIAMIENTO RÁPIDO

ENFRIAMIENTO LENTO

ENFRIAMIENTO FINAL

PRESIÓN

DEPRESIÓN

Figura 10. Distribución de las presiones en el horno

la composición, o al menos el contenido de oxígeno, de la atmósfera al interior del horno, sobre la velocidad y el caudal de los ventiladores etc., pero los principales parámetros a tener bajo control son sin duda la presión y la temperatura. El control de la primera se lleva a cabo valiéndose de equipos muy sencillos, capaces de comprobar el modesto régimen de presión o depresión en las diferentes zonas. Es por lo tanto suficiente recurrir a manómetros de tubo en U, que tienen un extremo abierto en comunicación con la atmósfera del ambiente y el otro unido, por adecuados tubos resistentes al calor, con la cámara de cocción. El líquido de llenado puede ser sencillamente agua y el desnivel que se crea con respecto a la situación de equilibrio antes de la medición da el valor, ya tabulado, de presión o depresión. Muy utilizados también son los deprimómetros inclinados, que funcionan de acuerdo con el mismo principio, y proporcionan buenas resoluciones, hasta 1/20 de mm. Para el control de la temperatura existen varios equipos, basados en diferentes principios de medida, cuya limitación principal es la dificultad de obtener un cuadro verdadero de la distribución de temperatura en las piezas cerámicas o los materiales estructurales, ya que la medida debe realizarse casi siempre sin contacto, porque el material está en movimiento y la cámara de cocción es amplia y cerrada. Entre los equipos más sencillos y de mayor uso cabe destacar los pirómetros termoeléctricos, habitualmente conocidos como termopares, en los cuales dos conductores soldados entre sí a un extremo, por el efecto Seebeck, dan lugar a una fuerza electromotriz proporcional a la temperatura a la cual se encuentra la conexión. De acuerdo con el intervalo de temperatura a controlar es necesario utilizar diferentes pares metálicos: hasta 600 °C cobre y una aleación de cobre/níquel, llamada constantan; hasta 1000 °C una aleación de cromo/níquel, llamada cromel, con una aleación de aluminio/níquel, llamada alumel; para temperaturas más elevadas, hasta unos 1600 °C, varias aleaciones de platino con rodio (Pt/Pt-Rh). Como hemos indicado, la limitación de los termopares deriva de la dificultad de obtener una medida por contacto: se utilizan para el control en continuo 235


de las varias zonas del horno o para controles ocasionales de los materiales, por ejemplo insertándolos dentro de los rodillos hasta diferentes niveles dentro del horno. Otros medios eficaces de medición de la temperatura son los pirómetros ópticos, que basan su medida, de un objeto focalizado mediante un centrado óptico, en la comparación entre el color de la radiación emitida por el objeto a medir y aquel de una muestra a una temperatura conocida (p. ej. un filamento calentado eléctricamente). Se pueden obtener mayores prestaciones mediante el uso de instrumentos capaces de medir la radiación infrarroja emitida, los pirómetros IR. En este caso, es de extrema importancia la correcta calibración del instrumento, por medio de la selección de un coeficiente de emisión significativo. Asimismo, un método de estimación de la temperatura efectivamente alcanzada por las piezas cerámicas sometidas a cocción es aquel de hacer pasar en el horno, junto con ellas, objetos concretos, realizados con materiales cerámicos de contracción conocida y calibrada con la temperatura: los más utilizados son sin más los anillos de Buller, con un diámetro de unos 63.5 mm, elaborados con una pasta de porcelana. Midiendo el diámetro después de la cocción se puede remontar, mediante las tablas apropiadas, a una temperatura. Estas mediciones tienen la importante limitación de ser en gran medida dependientes también del tiempo de paso por el horno, y solo pueden dar, por lo tanto, una indicación relativa, nunca absoluta, de la temperatura. Pueden ser útiles para controlar la estabilidad térmica transversal en un horno. Ya que el diámetro en crudo no está calibrado, es absolutamente aconsejable registrar la diferencia dimensional efectiva entre la pieza en crudo y cocido, y no realizar atribuciones solamente en función del diámetro en cocido. Con relación a los controles de temperatura señalamos, finalmente, la posibilidad de utilizar adecuados sistemas de adquisición de datos, oportunamente aislados, que se pueden introducir directamente en el ambiente de cocción, junto con el material de carga; estos tienen la capacidad de adquirir y registrar, a lo largo de toda la duración del ciclo, la señal que proviene de los diferentes termopares conectados con ellos. De este modo es posible, mediante la oportuna colocación de los termopares, obtener también informaciones valiosas sobre la inercia térmica del material y sobre la distribución de temperatura entre el exterior y el interior de la pieza. Va más allá de los objetivos del presente tomo profundizar en temas de optimización de la gestión de los hornos para la cocción de baldosas cerámicas, especialmente con respecto a los consumos específicos de combustible, de energía eléctrica, etc. Resulta muy interesante, en cambio, citar un ejemplo del balance térmico indicativo, que permite tener algunos parámetros medios de evaluación sobre los principales consumos; en las figuras a continuación se presentan dos de estos esquemas, relativos a la fabricación de baldosas, calculados para el caso del uso de aire comburente a temperatura ambiente, o de recuperación, con aire precalentado (figuras 11 y 12).

236

Cocción

22%

13%

2.15 kg de humos + aire tecnológico T=250ºC 114 kcal/kgp

9.5%

Pérdidas estructura 70 kcal/kgp

1 kg de mat. a cocer

52.5% Aire caliente 12 kg

Reacciones endotérmicas 50 kcal/kgp

T= 126 °C 276 kcal/kgp

1 kg de mat. cocido T= 90°C 15 kcal/kgp

Horno de Rodillos

Aire comburente

3%

Combustible 525 kcal/kgp

T=30ºC e=1.10

Balance térmico indicativo de un horno de rodillos

Aire comburente T=30ºC

Figura 11. Balance térmico indicativo de un horno de rodillos con aire comburente a 30 ºC. 10%

0.82 kg de humos + aire tecnológico 45 kcal/kgp T=250ºC

16.7%

Pérdidas estructura 70 kcal/kgp

1 kg de mat. a cocer T=30ºC

12%

57%

Reacciones endotérmicas 50 kcal/kgp

1 kg de mat. cocido T=90ºC 15 kcal/kgp

Horno de Rodillos

Aire comburente 0,74 kg 36 kcal/kg T=230°C e=1,10

Aire caliente 104 kg 240 kcal/kgp T=126 °Ckcal/kgp

3.5%

Combustible 420 kcal/kgp

Aire comburente precalentamiento con recuperación de la zona de enfriamiento T=230ºC

Figura 12. Balance térmico indicativo de un horno de rodillos con aire comburente a 230 ºC.

237


Rodillos Uno de los principales componentes del horno, el rodillo, ha sufrido una evolución paralela a aquella del horno mismo. De hecho, hemos pasado de los rodillos metálicos a los rodillos cerámicos, “adaptándolos” a medida que las temperaturas de cocción sufrieron un incremento por las necesidades técnicas del producto a cocer, por los ciclos de cocción cada vez más rápidos y por el continuo aumento de anchura de la boca del horno. Se ha observado en efecto que la superación de los 1160-70 °C ha determinado el abandono de los rodillos metálicos, que a estas temperaturas, experimentaron un rápido deterioro, también cuando se construyeron de aceros muy valiosos y caros como el INCONEL 601. Los fabricantes de rodillos cerámicos han proporcionado luego para el técnico cerámico una gama de rodillos, formulados en base a óxidos y no óxidos, optimizados para las diferentes zonas del horno, que presentan una calidad excelente a un coste relativamente contenido, tal de comportar casi completamente el abandono del uso del rodillo metálico. Rodillos metálicos Como hemos indicado en la introducción, los primeros hornos de rodillos fueron equipados exclusivamente con rodillos metálicos, cuya calidad iba del simple rodillo Mannesmann a los rodillos de acero inoxidable, de tipo cada vez más valioso, a medida que se avanzaba en el horno hacia la zona de cocción. Los rodillos empleados normalmente fueron de las siguientes calidades: - Mannesmann para temperaturas hasta 300 °C - Aisi 310 S para temperaturas hasta 900 °C - Inconel 601 para temperaturas hasta 1170 °C Las principales cualidades de los rodillos metálicos pueden resumirse de la siguiente forma: - gran facilidad de limpieza; en efecto, el coeficiente de dilatación mucho más alto con respecto a los compuestos cerámicos cuyo rodillo se “ensucia” determina la separación de estos compuestos en el momento que el rodillo metálico se enfría bruscamente, por lo que es suficiente extraer el rodillo del horno a temperatura para efectuar su limpieza; - insensibilidad al choque térmico, el rodillo metálico no sufre en absoluto el apagado de emergencia del horno mismo. Por otra parte, el calentamiento también requiere menos precauciones, por lo que los hornos con rodillos metálicos y aislamiento interior de fibra pueden ser encendidos y apagados repetidamente, incluso con una frecuencia semanal; - gran durabilidad en el tiempo, en ausencia de agentes químicos agresivos presentes en la atmósfera del horno; - buena rectilinearidad en aquellas zonas del horno donde existen diferencias pronunciadas de temperatura entre la parte superior e inferior del plano de rodillos. Esto se debe a la gran conductividad térmica de los rodillos metálicos que impide la deformación del rodillo a causa de calentamientos diferenciales. 238

Cocción

Por el contrario, los factores negativos que han determinado el progresivo abandono de los rodillos metálicos con el tiempo han sido los siguientes: - coste, los rodillos metálicos presentan costes aproximadamente tres/cuatro veces superiores a los de los rodillos cerámicos; - durabilidad muy limitada en presencia de agentes químicos agresivos en la atmósfera del horno; en este sentido, son particularmente perjudiciales los compuestos de azufre que reaccionan con el níquel presente en los aceros formando sulfuro de níquel bajo-fundente; asimismo, en casos extremos, se ha observado la presencia de perforaciones en los rodillos después de solo 72 horas de funcionamiento; - imposibilidad de uso a altas temperaturas por el rápido deterioro y por las curvaturas muy marcadas a temperaturas superiores a 1160 °C, excluyendo por consiguiente la posibilidad de su uso para la monococción de pavimento blanco y de gres porcelánico; - imposibilidad de uso en hornos anchos por problemas de curvatura, incluso cuando se someten a cargas de bajo peso. El balance de las ventajas y desventajas ha llevado hoy en día prácticamente al abandono de los rodillos metálicos, con excepción de algunos casos muy específicos como: - monococción porosa blanca de formato grande donde, por las características de la pasta, es necesario tener, en el precalentamiento, grandes diferenciales entre la zona superior e inferior del plano de rodillos; - bicocción poroso donde, siempre por las características de las materias primas empleadas en la pasta, se genera un rápido ensuciamiento de los rodillos en la zona de precalentamiento en el horno del bizcocho. Sin embargo, son casos bastante limitados y se trata normalmente de optimizar las pastas, cuidar la limpieza de la parte inferior de las baldosas, modificando si es preciso también la albañilería y optimizando la gestión del horno para evitar de tener que utilizar los rodillos metálicos. Rodillos cerámicos La evolución de la tecnología de fabricación de las baldosas cerámicas ha comportado el desarrollo paralelo e incremento de las características físico-químico-cerámicas de los rodillos, para adecuarlos a las necesidades de los nuevos productos a fabricar. Ha sido necesario formular nuevas composiciones de rodillos que permitieron alcanzar temperaturas cada vez más altas, ciclos cada vez más reducidos, formatos cada vez más grandes acompañados de deformaciones, sobre todo de planaridad, piezas cada vez más delgadas. Los fabricantes de rodillos han respondido a estas demandas elaborando rodillos más específicos para el uso requerido, diversificando los rodillos, no solo en función de las temperaturas de funcionamiento, sino también teniendo en cuenta las tipologías del material que tuvieron que soportar los rodillos. Hay que destacar asimismo, que en el ámbito de la misma clase de rodillos, ya se ha demostrado claramente que los rodillos responden de manera diferente en función de las 239


materias primas que componen la pasta del producto a cocer. Se verifica, en efecto, que incluso ligeras diferencias de formulación entre los rodillos de la misma categoría, preparados por proveedores diferentes, pueden dar lugar a resultados diferentes con relación a la vida útil de los rodillos mismos. La diversificación de los rodillos fabricados ha determinado la creación de rodillos de clases diferentes, que pueden resumirse en: - rodillos estándar; - rodillos semitécnicos; - rodillos técnicos; - rodillos especiales. Puesto que es lógico que cada categoría de rodillo presente también un coste muy diferente, se ha convertido ya en una costumbre normal diferenciar la categoría del rodillo utilizado en las diferentes zonas del horno para limitar los costes de la instalación. Materias primas y formulaciones En la fabricación de los rodillos se utilizan materias primas y semielaborados de calidad elevada, que inciden por lo tanto de modo significativo en el coste final del rodillo. En las tablas siguientes se presentan las composiciones típicas de los rodillos utilizados más frecuentemente:

Tabla 5.

Tabla 6. 240

Cocción

Las diferentes temperaturas y ciclos a los que se cuecen los rodillos son responsables de la formación de las fases cristalinas de diferente calidad y proporción, que luego determinan las características del rodillo acabado. Consideraciones sobre las causas más comunes de la rotura de rodillos Las posibles causas de rotura de los rodillos son esencialmente atribuibles a: Problemas mecánicos Era previsible que el rodillo, siendo un material cerámico, presentara una fragilidad bastante marcada; por esta razón, los esfuerzos mecánicos, como los golpes o presiones excesivas, pueden determinar también la rotura de rodillos nuevos. Por lo tanto, los rodillos deben tratarse siempre con cuidado, empezando por las operaciones de apertura de la caja que los contiene. Otra operación a realizar con cuidado es la limpieza con la máquina apropiada, que debe estar regulada oportunamente para no solicitar excesivamente el rodillo en la limpieza. Otro momento de riesgo de rotura es la introducción del rodillo en el horno; en efecto, si el rodillo no se ha secado con precisión, la salida demasiado brusca del agua puede provocar la rotura. Rotura por fatiga Como hemos visto anteriormente, los rodillos comercializados actualmente se distinguen por su composición mineralógica y, por lo tanto, por su temperatura límite de funcionamiento. Los fabricantes de rodillos proporcionan tablas adecuadas que indican estos límites, pero la temperatura por sí sola es únicamente indicativa, ya que está ligada estrechamente a la carga sobre el rodillo, además de las características del horno y la naturaleza del material a cocer. Para examinar el esfuerzo mecánico que el rodillo debe soportar durante el funcionamiento, esto se calcula aplicando la siguiente fórmula: σ (kg/cm2) = M/W siendo: M = P1 L/8 + P2 (2L-I)/8 W = PGR/32 (De4. Di 4) / De M = momento estático (kg/cm2) W = módulo resistente (cm3) P1 = peso del rodillo entre los apoyos (kg) P2 = peso de la carga (kg) L = distancia entre los apoyos (cm) I = anchura de la carga (cm) De = diámetro externo (cm) Di = diámetro interno (cm)

241


Agresión química Es la causa principal de la rotura anticipada de los rodillos. Dicha rotura puede producirse dentro del horno durante el normal funcionamiento, en la extracción de un rodillo del horno para las operaciones de limpieza, a causa de una parada de emergencia del horno, o también con ocasión de paradas programadas del horno para el mantenimiento normal. El aspecto de la rotura es bastante característico, ya que normalmente tiende a aparecer como una grieta longitudinal de algunas decenas de centímetros de largo o como una grieta transversal que secciona el rodillo en forma de múltiples cilindros de 15-20 cm de longitud. La parte de los hornos donde se manifiestan los daños tiene una longitud de unos 10 metros y está entre las zonas de precalentamiento y el inicio de la cocción; las temperaturas correspondientes van de 680 °C a unos 880 °C y se pueden observar depósitos salinos en la bóveda y en las paredes del horno. La composición de estas sales, predominantemente K2SO4 y K3Na(SO4)2, señala la presencia de vapores alcalinos y vapores de azufre en la atmósfera de los hornos: las primeras proceden evidentemente del material en cocción y las segundas principalmente del combustible. En algunos casos, estudiados en profundidad, las materias primas empleadas fueron arcillas de alto contenido de sales solubles constituidas por sulfato de sodio, con proporciones menores de sulfato de calcio y sales complejas de potasio y sodio (SO3 = 0.8%). Los rodillos degradados muestran haber sufrido un ataque alcalino, principalmente de parte del potasio, con la formación de fases cristalinas como leucita, kalsilita y sanidina, completamente ausentes en los mismos rodillos antes de su uso. La hipótesis es que el ataque alcalino ocurriera principalmente por un proceso de deposición de sulfato potásico en la superficie expuesta y en los poros de los rodillos y la reacción con la mullita contenida en estos, como por ejemplo: 3Al2O3.2SiO2 + 3K2SO4 → 6KAlSi2O6 + SO3 mullita leucita Precauciones en el uso de los rodillos Existe un conjunto de precauciones sencillas a observar para asegurar un uso correcto de los rodillos, asegurando así su máxima duración posible, compatible con las condiciones de funcionamiento. Las modalidades aconsejadas para el uso óptimo son las siguientes: - El secado de los rodillos antes de la introducción es obligatorio y debe realizarse del modo más uniforme posible. Se aconseja utilizar para este objetivo la parte inicial del horno, ya que el secado que se obtiene colocando los rodillos sobre o en proximidad del horno no es suficiente. - Con el fin de evitar infiltraciones de humedad, los rodillos no deben estar guardados al aire libre, sino siempre en lugares secos y calentados. - Con el fin de obtener un calentamiento homogéneo en toda la longitud del rodillo, la instalación en el módulo del horno debe ser efectuada lo más rápidamente posible y por personal experto. - Con el fin de reducir eventuales pérdidas de calor hacia el exterior del horno y cuando se crea necesario desgasificar el interior del rodillo mismo, el tamponado por me242

Cocción

dio de fibra cerámica debe ser efectuado por una sola extremidad (lado de arrastre). - La velocidad de rotación para la inserción y extracción del rodillo debe ser equivalente, en la medida de lo posible, a la operativa. Después de la extracción, el rodillo debe mantenerse en rotación durante algunos minutos. - En la extracción, los rodillos no deben entrar en contacto con elementos metálicos fríos. Para su movimentación es aconsejable emplear útiles aislados con fibras cerámicas. Para evitar que el rodillo se enfríe demasiado rápidamente, es aconsejable, especialmente para los rodillos técnicos, cubrirlo con fibra cerámica. - Para la zona de máxima temperatura del horno es siempre preferible utilizar rodillos nuevos cuando se sustituyen rodillos para las limpiezas. Los rodillos sometidos a la operación de limpieza deben integrarse siempre hacia el principio de la zona de cocción, reemplazando rodillos todavía limpios que aún pueden ser utilizados en la zona de máxima temperatura. Cuando se realizan estas operaciones, es conveniente que la temperatura de los rodillos no se reduzca por debajo de los 500 °C. Se aconseja el taponado con fibra cerámica dentro de los rodillos para disminuir los fenómenos de agresión química, debidos al efecto “chimenea” del rodillo mismo. - Con el fin de espaciar al máximo las paradas de limpieza y de limitar (en lo posible, la formación de costras), los rodillos deben ser engobados, utilizando, por ejemplo, los siguientes tipos de engobe: Para la fabricación de baldosas porosas de base carbonática: 80.0% ALÚMINA ANHIDRA 20.0% CAOLÍN Para la fabricación de baldosas gresificadas o de baja porosidad: 12% ALÚMINA ANHIDRA 88% MAGNESITA (MgCO3) Engobe universal:

RODILLOS ROTOS CAOLÍN

80% 20%

NOTA: Las modalidades de preparación y aplicación son parecidas para los tres tipos de engobe: - Residuo de molienda: 1.0% sobre tamiz de 45 micras - Adhesivo: 0.3% de CMC - Agua: 68-72% - Densidad de aplicación: 1160-1200 g/litro Problemas originados por los rodillos Excluyendo el problema ligado a la presencia en el horno de rodillos sucios, los rodillos limpios pueden causar problemas con relación al avance del material en el horno. 243


Zona de cocción El material avanza dispuesto de acuerdo con el siguiente modelo (figura 13). Zona de enfriamiento El material se presenta de acuerdo con el esquema de la figura 14 o, incluso peor, se solapa. Para solucionar el problema se puede intervenir en la zona de cocción o en la zona de enfriamiento. Zona de cocción En la zona de cocción coexisten dos estados del rodillo que tienden a ralentizar el material en el centro con respecto a la zona de las paredes. El primero es el efecto natural de la temperatura que, como se sabe, genera un abombamiento en el centro del rodillo por piroplasticidad. También una variación de solo algún décimo es suficiente para crear un retraso en el avance del centro. Este estado es conocido y presente en todas las cocciones en función de las temperaturas alcanzadas. El otro estado se debe a la tecnología de fabricación del rodillo mismo, la cual, creemos útil recordar, prevé una cocción suspendida, sujetando el rodillo a uno de sus extremos. Esto comporta una “fluencia” hacia abajo, obteniéndose la sección del rodillo que puede representarse de la forma indicada a continuación (figura 15). El rodillo se corta luego a la medida por las líneas punteadas. De este modo, al final de la cocción, el material debería presentar un frente de avance más rectilíneo. En el caso que la nueva disposición del plano de rodillos todavía no diera

Figura 13. Avance del material en la zona de cocción.

Figura 14. Avance del material en la zona de enfriamiento.

244

Cocción

Figura 15. Esquematización del proceso de fabricación del rodillo cerámico.

el resultado deseado, es decir, que el avance del material resulta insatisfactorio, se puede recurrir a rodillos de forma bicónica, para imprimir una velocidad periférica máxima al centro y en disminución hacia el extremo. El uso de estos rodillos se aconseja en bloques de 5-8 piezas por módulo de horno después de la zona de cocción, para un total máximo de 30-40 rodillos, hasta la salida de las piezas. Zona de enfriamiento Con relación al enfriamiento “directo”, se crea una situación del tipo presentado en la figura 16. Esta diferencia de temperatura provoca una deformación de los rodillos con una curvatura hacia arriba, creando un efecto opuesto a aquel de la zona de cocción. Está claro que el avance de las baldosas será ahora más veloz en el centro que en la pared. Naturalmente, la creación de un enfriamiento más homogéneo, entre la zona superior e inferior del plano de rodillos, puede ser de gran ayuda.

DONDE T2>T1

Figura 16. Deformación de los rodillos en la zona de enfriamiento. 245


246

Líneas de clasificación, empaquetado y paletización

Capítulo VII LÍNEAS DE CLASIFICACIÓN, EMPAQUETADO Y PALETIZACIÓN

Introducción Antes de proceder a analizar la maquinaria y los equipos que componen una sección de clasificación, es conveniente considerar brevemente algunos aspectos fundamentales: la sección de clasificación se sitúa al final de la fase de elaboración, cuando la baldosa ya ha adquirido todas sus características físicas y estéticas. La sección de clasificación no va a influenciar en modo alguno estas características, solamente puede comprobar y clasificar el producto. La función fundamental de la sección de clasificación es llevar a una subdivisión del producto, con el empaquetado correspondiente, realizada en función de parámetros cualitativamente objetivos, así como criterios sujetivos, a imponer de acuerdo con la relación que la empresa cerámica quiera mantener con el mercado de consumo. En otras palabras, los parámetros sobre los que se basa la división de las baldosas en clases de calidad no son ajenos a consideraciones de carácter comercial con relación al perfil de la empresa y adquieren por tanto un valor relativo. Las funciones desarrolladas en esta sección han estado durante mucho tiempo relativamente poco automatizadas, confiadas principalmente a la pericia de los operadores humanos, precisamente por la dificultad objetiva de concebir y realizar sistemas de “visión” artificial eficientes y fiables; estas funciones son ahora objeto de una continua puesta al día tecnológica, mediante la aplicación de sistemas de formación de imagen, basados en sensores cada vez más sofisticados, por lo que resulta muy difícil hipotetizar los desarrollos del próximo futuro. Análisis y clasificación de las baldosas Se realiza un análisis visual y un análisis de control dimensional y geométrico automático; el análisis visual determina: • Defectos de las baldosas. • Subdivisión de las baldosas en función de tonalidad. El análisis dimensional y geométrico determina: • Subdivisión en clases dimensionales. • Análisis cualitativo correlacionado con defectos de forma. Por consiguiente, hace falta distinguir entre el defecto, entendido como elemento de alteración del valor de la baldosa, y la diferenciación dimensional y de tono que no altera el valor de la baldosa, para que se tenga una agrupación de las mismas en paquetes y palets homogéneos en tono y calibre. 247


Para una información más detallada referimos al lector a la normativa internacional (ISO 13006) y al capítulo relativo a la clasificación de los productos acabados (figura 1). Configuración de una sección de clasificación Una sección de clasificación no está compuesta por una máquina individual, dimensionada de forma conveniente en función de la tipología de producto y la productividad requerida, sino más bien de una serie de equipos cuya adopción, en función de las exigencias particulares de la empresa, así como de sus especificidades productivas, origina una configuración de instalaciones fruto de las diferentes posibilidades de combinación de los varios equipos disponibles en el mercado. A continuación se tratará de analizar las principales características de las máquinas que pueden entrar a formar parte de una sección de clasificación, empaquetado y paletización de baldosas cerámicas. Líneas de enlace El enlace con las máquinas aguas arriba, directamente conectadas con el horno o constituidas por sistemas de almacenamiento del material, está formado por líneas de transporte de baldosas encargadas de preparar el flujo de material, generalmente discontinuo y no uniforme, para obtener la mejor condición de entrada a la zona de clasificación. Se introducen por tanto, en el caso de no estar previstos aguas arriba, equipos destinados a uniformar el flujo: el objetivo es la obtención de una continuidad uniforme en el río de baldosas de entrada al banco de clasificación, recuperando las eventuales discontinuidades y no uniformidades, reconstruyendo así un flujo continuo, homogéneo y sin huecos entre una baldosa y otra. La consecución de esta simple condición es básica para la obtención de la máxima linealidad de funcionamiento; basta considerar lo que supone, tener que hacer frente al eventual flujo no homogéneo, incrementando, a igualdad de las baldosas a tratar por unidad de tiempo, la velocidad de los sistemas de transporte sobre los que las baldosas transitan con las consiguientes incomodidades para el operador dedicado a la clasificación, que observa cómo se reduce el tiempo a su disposición para analizar la baldosa a causa la mayor velocidad. Junto a esta función, el transporte de enlace está organizado generalmente para poder acoger diferentes equipos auxiliares, como p. ej. sistemas de control, uno detrás de otro (normalmente cuando están a la salida del horno), sistemas de limpieza con cepillo y ventilador, giradores de baldosas (para orientar oportunamente las baldosas rectangulares), sistemas de acumulación con pulmón compensador vertical para la gestión de las microparadas de la clasificación. Estación de clasificación visual La estación de clasificación visual, el banco de clasificación (figura 2), es la zona donde se produce el análisis cualitativo de las baldosas por el operador u operadores humanos. Las baldosas llegan a alimentar el banco de clasificación con un flujo que debe ser uniforme, continuo y sin huecos entre una baldosa y otra. Así, delante del operador se va creando una especie de plano que, iluminado de manera conveniente (luz rasante y/o luz difusa), permite el análisis y la identificación de los defectos. En concreto, el análisis consiste por una parte en la identificación de defectos superficiales debidos a errores en el ciclo de fabricación (puntos negros, gotas de esmalte, desconchados...), pero también en un análisis dirigido a determinar la pertenencia de la baldosa a grupos homogéneos 248


Criterios estéticos 1ª CALIDAD La superficie de uso de las piezas cerámicas debe aparecer integral en cada una de sus partes; para una evaluación estética se debe someter a ensayo una muestra de por lo menos 1 m2 o un número mínimo de baldosas, de acuerdo con lo establecido por la norma. La evaluación se realiza observando la superficie de uso de las piezas a una distancia de 1 m y bajo una intensidad luminosa de 300 lux. El resultado se expresa como porcentaje de baldosas con defectos. Requisitos para la 1ª calidad. Porcentaje de baldosas con defectos. 2ª CALIDAD Se debe someter a ensayo una muestra de al menos 1 m2 o un número mínimo de 30 piezas. La evaluación se realiza observando la superficie de uso de las piezas a una distancia de 2 m y bajo una intensidad luminosa de 300 lux. Requisitos para la 2ª calidad. Porcentaje de baldosas con defectos. 3ª CALIDAD Las piezas que pertenecen a este grupo incluyen todas las baldosas que no cumplen los requisitos establecidos para la 1ª y 2ª calidad. Criterios funcionales Requisitos para la 1ª calidad Las piezas deben satisfacer los requisitos exigidos por la 1ª calidad, establecidos por la norma específica de producto del grupo de pertenencia. Requisitos para la 2ª calidad Dimensionales Las piezas deben satisfacer los requisitos establecidos por la norma específica de producto para el grupo de pertenencia, con una desviación máxima admitida superior al 25% con respecto a las tolerancias indicadas por dicha norma. Propiedades físicas y químicas Las baldosas deben satisfacer los requisitos establecidos por la norma específica. Requisitos para la 3ª calidad Las piezas pertenecientes a este grupo incluyen todas las que no cumplen los requisitos establecidos para la 1ª y 2ª calidad.

Figura 1. Tabla resumida de la normativa.

249


Figura 2. Banco de clasificación.

de tono, tomando este término en su sentido más amplio, como baldosas que poseen características de afinidad que las permiten ser agrupadas en paquetes cuyo contenido será necesariamente destinado a una colocación común. La acción de análisis realizada por el operador se traduce en un marcaje de la baldosa, destinado a permitir su sucesivo apilado por clases homogéneas. Dicho marcaje puede realizarse de forma material con rotuladores apropiados de tinta especial fluorescente (en este caso la señal será leída a continuación por una fotocélula adecuada) o de forma virtual, por medio de vagonetas codificadas o mesas magnéticas. En este caso, el código de pertenencia de la baldosa se gestiona por un control de posición de la misma que la acompaña hasta la fase de apilado. La capacidad humana de analizar un flujo continuo de material, observando y señalando sus eventuales defectos o variaciones de tonalidad, presenta un límite tanto de constancia temporal como de repetibilidad objetiva. En otras palabras, la necesidad de alternar diferentes operadores y la aleatoriedad de las variables en el examen convierten en delicada una fase orientada a subdividir la producción en función de parámetros no siempre objetivos, pero de elevado valor comercial. Por otra parte, esto se complica a menudo, cuando la necesidad de incrementar la capacidad productiva entraña el funcionamiento de una estación de clasificación visual con dos operadores y, por lo tanto, con un flujo de productos en dos filas, cada una confiada al análisis por una persona distinta, pero cuyas evaluaciones se funden enseguida a valle, dando lugar a paquetes únicos aunque generados por clasificaciones procedentes de dos operadores diferentes. Tanto el límite como la magnitud de la clasificación están todo aquí: una operación delicada y tan impregnada de caracterizaciones y variabilidades que incluso hoy día resulta difícil encontrar una alternativa automática (con relación al reconocimiento de los defectos y las tonalidades), pero al mismo tiempo una operación que precisamente por su 250


naturaleza humana constituye una fuente de potenciales errores, así como de la disminución de la velocidad de la productividad; en efecto, la capacidad productiva de una línea de clasificación no depende tanto de la velocidad de ejecución de los ciclos confiados a los equipos automáticos, sino de la presencia de un cuello de botella debido al límite objetivo de la capacidad humana de observar, decidir y actuar. Todo lo anterior justifica el fuerte interés con el cual en el mundo cerámico se sigue el progresivo desarrollo y consolidación de los equipos automáticos dedicados al control de las baldosas. Tramo de controles Enseguida, aguas abajo del banco de clasificación, se sitúa el dispositivo automático de control dimensional y geométrico, que se compone de dos secciones (figura 3): - Dispositivo de control de las dimensiones (calibre) y de los defectos dimensionales (luneta). - Dispositivo de control de la planaridad. El calibre registra las dimensiones de la baldosa, clasificando su flujo de acuerdo con clases homogéneas dentro de los umbrales fijados por el operador: las variaciones de calibre no son, de hecho un defecto, ni del punto de vista exquisitamente técnico, ni de un referente comercial más general. Lo importante es una subdivisión del producto dentro de unos límites estrechos, para evitar que puedan llegar a colocarse de forma contigua baldosas con fuertes diferencias dimensionales. Desde un punto de vista técnico, las medidas se obtienen con fibras ópticas y sensoriales lineales digitales que “fotografían” la baldosa, obteniendo una medida directa, resultante de la comparación con la huella dejada por la muestra patrón; la precisión es

Figura 3. Dispositivo de control del calibre y de la planaridad.

251


del orden de 0.1 mm y la repetibilidad es buena, así como la estabilidad con respecto a las perturbaciones introducidas por el sistema de transporte cerámico. Otras soluciones prevén la obtención de las medidas mediante el uso de fotodiodos y codificadores, para obtener así un valor de tiempo y velocidad a partir de cuya interpolación es posible remontar al valor de la distancia; también en este caso, la precisión de la lectura es del orden del décimo de milímetro. Las medidas se efectúan sobre la baldosa, tanto de forma longitudinal como transversal (figura 4).

Figura 4. Medidas realizadas por el calibrador.

Las medidas X1, X2 y X3 identifican las secciones longitudinales paralelas al sentido de avance, las medidas Y1, Y2 y Y3, las secciones transversales perpendiculares al sentido de avance; por lo tanto, no se determina una medida, sino una serie de medidas. A partir de estas, se remonta a un valor único de “calibre” de atribución por medio de varios algoritmos de elaboración y, por consiguiente, a la asignación de la baldosa a una clase de calibre, es decir a un umbral, programable, de un grupo de baldosas dimensionalmente parecidas. Método de las aproximaciones sucesivas Este método se caracteriza por un algoritmo de cálculo que asegura una buena inmunidad a las perturbaciones asociadas a la precisión del sistema (figura 5). Esto se basa en la programación de calibres centrales que representan precisamente el valor “central” de una clase de calibre. A partir de los calibres centrales y de las medidas X1-2-3, Y1-2-3, se obtiene la com252

Líneas de clasificación, empaquetado y paletización Calibres centrales

Baldosa

Método

Clase de calibre

Figura 5. Método de evaluación del calibre mediante el “calibre central”.

pilación de la tabla 1 donde se presentan los calibres centrales en la primera línea, mientras en cada columna se indica la diferencia entre el calibre central de aquella columna y la medida de la sección correspondiente a la línea. De este modo, en cada recuadro se obtiene un valor de desplazamiento; se seleccionan los valores máximos de cada columna (por lo tanto, el máximo desplazamiento de la medida del calibre central correspondiente) y el valor mínimo de estos valores máximos: en definitiva la desviación mínima del máximo desplazamiento de un calibre central identifica su clase de pertenencia. A modo de ejemplo, véase la tabla con los datos numéricos (tabla 2).

Máximo por columna

Tabla 1. Decimi di millimetro

Máximo por columna

26

Tabla 2.

253


Están programadas 4 clases de calibre. El fuera de calibre es =12; se elige el calibre central inferior y se establece por lo tanto la asignación de la baldosa a la clase C2 (4493). Método del lado medio (indicado por las normas UN EN 98) La ventaja de este método reside en la extrema comprensibilidad de la atribución. Se determinan también en este caso las clases de calibre, entendidas sin embargo como intervalos dimensionales (figura 6) con un valor mínimo y máximo impuesto para cada calibre. El calibre es un número calculado como valor medio de las medidas de las secciones: = (X1+X2+X3+Y1+Y2+Y3)/6. Baldosa Método

Calibre

Clase de calibre

• Umbrales de clasificación: Para la determinación de la clase de calibre es necesario introducir umbrales de clasificación que presentan las siguientes características: - Formación de intervalos consecutivos adecuados para la determinación de la clase de calibre. - Los umbrales de clasificación son en número iguales a las clases de calibre programadas menos uno. Clase de calibre

Umbrales de clasificación

• Determinación del calibre: El calibre es el número calculado como promedio de las medidas de las secciones: calibre = (X1+X2+X3+Y1+Y2+Y3)/6. • Determinación de la clase de calibre: Es suficiente identificar el intervalo de pertenencia del calibre calculado. Como se puede observar en la tabla, las clases de calibre C1 y C6 son intervalos abiertos en el sentido que todas las piezas que tengan un calibre inferior a S1 y superior a S5 serán respectivamente de la clase C1 y de la clase C6.

Figura 6. Método del lado medio.

254


La clase de calibre se da sencillamente a partir del intervalo de pertenencia del valor calculado anteriormente. Método del lado máximo Este método se basa también, como el anterior, en la definición de umbrales, intervalos, dentro de los cuales se hace recaer un valor, en este caso obtenido sencillamente a partir del valor máximo de las secciones X1-2-3, Y1-2-3. Los equipos más modernos ofrecen la posibilidad de utilizar, indistintamente, cualquiera de los métodos indicados previamente. Para establecer la no conformidad de la planaridad de las superficies, se trabaja por medio de sensores telemétricos con calibrado mediante una muestra patrón, y se construye un plano ideal de referencia: la comparación con el plano tomado de la baldosa en tránsito permite detectar sus defectos y desviaciones (tanto de tipo estadístico como de tipo local), determinando por consiguiente la clase de calidad de la misma. En este caso el análisis es meramente cualitativo, en otras palabras la desviación del plano ideal constituye un defecto. La imposición del umbral por encima del cual la presencia de este defecto conduce a la salida de la clase de calidad con la que el producto se introduce en el mercado puede fijarse por el operador. La figura a continuación representa gráficamente los defectos más habituales detectados por los equipos de control descritos anteriormente (figura 7).

Diferencia de lado

Luneta negativa, luneta positiva

Descuadres

Puntas hacia arriba

Concavidad bordes y diagonal

Convexidad bordes y diagonal

Alabeo, coeficiente global

Flechas en los lados

Concavidad diagonal

Convexidad diagonal

Figura 7. Representación gráfica de los defectos dimensionales más comunes. 255


Una aplicación recientemente implantada es la medición de los descuadres: estos se pueden medir mediante la aplicación directa de la correspondiente normativo ISO, midiendo por lo tanto en cada lado la magnitud de la desviación de la posición ideal (figura 8), o con equipos presentes en el mercado que proporcionan una medida de la ortogonalidad de los lados a través de una medida indirecta: midiendo la diferencia entre las diagonales y tomando este valor como índice de desviación de los lados perfectamente ortogonales. La indicación es precisa dentro de los límites en que se pueden considerar iguales y paralelos los lados de la baldosa. En efecto, es evidente que las diagonales de un trapecio regular, con lados de dos en dos iguales (por lo tanto de geometría de los ángulos no ortogonales), resultan iguales entre sí. La aplicación de esta otra posibilidad de medida cualitativa encuentra una aplicación después de las líneas de rectificación de los lados de las piezas de gres porcelánico; en este caso, la sucesiva colocación a junta cero impone también el cumplimiento de una elevada clase de precisión en esta característica geométrica.

Sentido de las lecturas positivas o negativas

Figura 8. Dispositivo para la medida de la ortogonalidad de los lados de acuerdo con la normativa.

La inspección automática de las baldosas Introducción Desde hace años la automatización de los procesos productivos representa una garantía de mejora de la producción y consiguiente reducción de los costes y los tiempos. También la industria de la fabricación pavimentos y revestimientos cerámicos conoce desde hace tiempo un alto grado de automatización de todas las fases de proceso. La clasificación de las baldosas es actualmente ya la única fase del proceso productivo dentro de una planta cerámica realizada enteramente por operadores humanos. Esta tarea se desarrolla predominantemente en las secciones de cernido, por operadoras que clasifican las baldosas en función de tono y defecto. 256


Normalmente las operadoras están sentadas en un banco, aguas arriba de la línea de clasificación donde pueden inspeccionar visualmente todas las baldosas que se desplazan por el sistema de transporte. En un panel colocado delante de la operadora misma se encuentran muestras de los diferentes tonos del producto que se está inspeccionando. La clasificación de tono de las piezas se realiza contrastando las que pasan con el conjunto de referencia. Al mismo tiempo, la operadora debe ser capaz de identificar eventuales defectos presentes en la pieza con vistas a determinar su disminución de clase de calidad. La operadora misma debe efectuar un marcaje conveniente de las baldosas en función del criterio formulado. En este punto, de acuerdo con los códigos que la operadora ha aplicado sobre las baldosas, la línea de clasificación aguas abajo de la operadora puede empaquetar las baldosas de manera automática. El proceso de inspección y clasificación de las piezas depende completamente de las habilidades e inteligencia del operador humano. De entrada, se puede afirmar que la habilidad del operador en el desarrollo de este trabajo monótono y repetitivo consiste en concentrar su atención sobre las anomalías y defectos que se presentan delante de sus ojos, sin considerar en cambio lo que está correcto. Esta capacidad de la inteligencia humana también permite identificar defectos muy pequeños y nunca vistos antes, también en presencia de baldosas con decoraciones y/o superficies muy complicadas, donde la distinción entre lo que es un defecto y lo que no lo es, no es siempre inmediata. La clasificación de las baldosas efectuada por el operador humano presenta en todo caso aspectos críticos. Esta criticidad no se debe a la capacidad de notar los defectos, sino principalmente a la falta de objetividad y fiabilidad en el tiempo. La introducción de sistemas automáticos para la clasificación de tonos y defectos significa entonces eliminar estos elementos de criticidad, al perseguir los objetivos que la automatización industrial se propone, es decir la mejora del nivel cualitativo y la reducción de los costes. Por este motivo, ya desde principios de los años 90, algunas empresas y consorcios oportunamente creados han concentrado sus energías y competencias en este campo específico. El objetivo de estas máquinas automáticas es indudablemente muy ambicioso y no exento de dificultad por la tendencia de fabricar baldosas que tratan cada vez más de reproducir los efectos y las características de las piedras naturales, o baldosas donde la aleatoriedad y falta de homogeneidad son características estéticas difícilmente distinguibles de los defectos. Una máquina que realiza la clasificación automática de las baldosas debe intentar, en primer lugar, reproducir las actividades desarrolladas por la operadora en la ejecución de la tarea misma. Hemos dicho que las operadoras, sentadas en el banco de clasificación, inspeccionan visualmente las baldosas que llegan bajo su mirada sobre la cinta de transporte. En la práctica, la tarea primaria de la operadora es observar cuidadosamente las baldosas que pasan delante de sus ojos. Está claro, por lo tanto, que el primer paso adoptado por una operadora en el procedimiento de clasificación es el uso del sentido de la vista. Al ob257


servar una baldosa, la operadora es capaz de extraer informaciones de tipo global, que concurrirán en la identificación del tono, e informaciones de tipo local que, en cambio, serán utilizadas para la individuación de los defectos. Durante el paso de las baldosas, la operadora debe mantener siempre un cierto nivel de atención que sufre un brusco aumento en caso de detectar anomalías en la baldosa bajo inspección. Sin embargo, en ciertos casos el funcionamiento de la sola función visual puede llegar a engañar a la operadora en el reconocimiento de los defectos. A veces, a lo largo del transporte, sobre las baldosas pueden caer partículas, polvo, pequeños detritos o gotas de líquidos. A primera vista, las baldosas afectadas por estos cuerpos extraños, pueden ser consideradas defectuosas; sin embargo, ya no lo son una vez eliminados estos elementos. Estos son los casos donde la operadora recurre a una veloz limpieza de la baldosa, repasándola con la mano (con guantes). Por consiguiente, podemos concluir que el sentido humano principalmente implicado, en la fase de adquisición de informaciones sobre la baldosa, es la vista, coadyuvada por el tacto en el caso de necesidad para aclarar situaciones dudosas. Las informaciones adquiridas permiten a la operadora evaluar la baldosa y asignarla a una cierta clase. La automatización de esta actividad significa, por lo tanto, ser capaz, en cierto modo, de emular los sentidos humanos implicados y simular sus funciones intelectivas. Es natural, por lo tanto, recurrir a sistemas de visión capaces de “ver” los objetos que deben ser inspeccionados y capaces de tomar las decisiones correspondientes. En un sistema de visión genérico, la función visual está desarrollada por telecámaras. Una telecámara oportunamente guiada es capaz de adquirir una imagen del objeto a inspeccionar y trasladarla al sistema de elaboración capacitada para desarrollar la función decisoria. Sin embargo, un sistema de visión genérico no es capaz de emular el sentido del tacto y, por lo tanto, puede ser fácilmente engañado cuando los objetos, en nuestro caso las baldosas, llegan sucios bajo las telecámaras. Para obviar este inconveniente, que llevaría a evaluaciones erróneas de las baldosas, es necesario equipar el sistema de visión de un sistema de limpieza de las baldosas situado aguas arriba del mismo, a lo largo de la línea de transporte. La complejidad de la realización de un sistema de visión para las baldosas, que se propone como objetivo último aquel de reemplazar a la operadora y, por consiguiente de simular de algún modo los mecanismos decisorios, requiere múltiples competencias en sectores como la óptica, el procesamiento de la imagen y la inteligencia artificial. A pesar de eso, desde hace algunos años se encuentran en el mercado sistemas automáticos para la clasificación de las baldosas y numerosas empresas cerámicas han incorporado estos sistemas en sus líneas de clasificación, de hecho, reemplazando al personal de clasificación. Características y funcionamiento de un sistema de visión para baldosas Ya hemos indicado que la primera tarea de cualquier sistema de visión, que se propone como objetivo la sustitución del operador, es la simulación de la función visual del hombre a través del uso de telecámaras. En el caso concreto de las baldosas, se necesitan telecámaras de alta resolución para 258


adquirir las imágenes con el detalle suficiente de permitir también la detección de defectos pequeños en baldosas de gran formato. La segunda tarea es la relativa a la fase decisoria, actividad que en un sistema de visión está desarrollada por el ordenador donde se trata de reproducir, mediante el uso de algoritmos complejos, los mecanismos decisorios adoptados por el operador. La tercera tarea es la de comunicar a los dispositivos automáticos de empaquetado a valle el resultado obtenido a partir de la elaboración de cada imagen individual adquirida. En el caso en estudio, el sistema de inspección puede proceder al marcaje de cada baldosa con códigos análogos a aquellos utilizados por los operadores, por lo tanto, fácilmente comprendidos por los lectores normales ya presentes en las líneas. Aparte de las soluciones técnicas y ópticas adoptadas y del software de elaboración de imaginas utilizado, casi todos los sistemas automáticos de inspección de baldosas presentan aspectos comunes. Teniendo en cuenta que la clasificación de las baldosas se realiza en función de la tonalidad y los defectos, los sistemas de inspección resultantes suelen dividirse generalmente en varios módulos, dedicados a cada uno de estos aspectos que elaboran en paralelo. Esta distinción nace del hecho que se trata de problemáticas diferentes que el personal de la clasificación afronta de modos diferentes. La comprensión de los diferentes automatismos que las operadoras aplican en la evaluación de los tonos y defectos no puede prescindir del análisis de las condiciones de iluminación en las cuales se observan las piezas. Estas condiciones deben permitir a la operadora misma de recoger las informaciones discriminatorias para las decisiones a continuación. También para un sistema de visión existe la necesidad de adquirir, por medio de la telecámara, imágenes que contienen las informaciones útiles para poder extraer las características y/o detectar los defectos de la baldosa bajo observación. Estas consideraciones ponen de relieve la criticidad de la selección de la fuente luminosa y la óptica a utilizar, una selección que, si equivocada, compromete la eficacia del sistema de visión. Con relación al análisis de tono, la operadora observa las baldosas desde lo alto en condiciones de luz difusa. Una visión completa de la baldosa le permite, no solo evaluar el tono en su totalidad, sino también recoger detalles de la pieza que comprometen la integridad de la decoración. Considerando entonces el módulo de análisis de tono, observamos que las baldosas están iluminadas generalmente con una fuente de luz difusa y con la telecámara en posición perpendicular al plano de desplazamiento de las baldosas (figura 9). Este planteamiento puede justificarse como un intento de simular, para la telecámara, condiciones análogas a las existentes cuando la operadora observa las baldosas. La clasificación de las baldosas en función del tono es un problema de colorimetría, es decir, de la medida cromática de una baldosa y de la identificación de este tono en función de clases de tono predefinidas. Mediante la elaboración de lo observado por la telecámara, un sistema de visión para la clasificación de baldosas debe ser capaz de simular la percepción humana del color. Al igual que la percepción del ojo humano, las informaciones relativas al color pueden clasificarse en función de tres parámetros “hue” (tonalidad), “saturation” (saturación) e “intensity” (intensidad), que definen un espacio entre los posibles espacios, el espacio HSI, para la representación del color. 259


cámara fotográfica

iluminación

iluminación

baldosa

Figura 9. Método de iluminación y observación automática

Cuando nos referimos a un color, en realidad nos referimos a una “hue” o tonalidad particular. La “hue” permite distinguir entre colores como el verde y el amarillo. La “hue” no es más que la percepción del color que un observador tiene cuando está sometido a diferentes longitudes de onda de luz refleja. Para un observador, la percepción de una imagen empieza en el ojo (figura 10). Los músculos ciliares modifican la córnea que actúa de lente con el objeto de focalizar la luz en la retina, la membrana que reviste la parte interna del ojo. En la retina se encuentran presentes millones de fotorreceptores, que son subdivididos en dos categorías en función del papel que desarrollan en la percepción de las imágenes.

Percepción Visual

iris

retina lente nervio óptico

eje visual fóvea

cornea músculos ciliares

Figura 10. Estructura del ojo humano.

260


Estos fotoreceptores transforman la información de la densidad de la luz y los colores en impulsos nerviosos que llegan al cerebro por el nervio óptico, donde estos impulsos se interpretan como una imagen. Los fotorreceptores, que son sensibles a la luz y permiten de ver en condiciones de escasa iluminación, se llaman bastoncitos. Estos fotorreceptores no contribuyen al reconocimiento del color. Esta tarea la desarrolla en cambio los fotorreceptores concentrados en la fóvea, designados conos. Existen tres tipos de conos identificados de forma aproximada como rojos, verdes y azules que responden a diferentes longitudes de onda de la luz. En la figura 11 se puede observar la intensidad de la respuesta de estos conos con respecto a la longitud de onda. Si aprecia que, en realidad, el pico de respuesta de los conos no corresponde siempre al color con el cual se identifican. En la figura 11 se observa que para las longitudes de onda entre 430 y 480 nanómetros, la percepción predominante es el azul, entre 500 y 550 nanómetros el verde, y por encima de 610 nanómetros el rojo. La saturación indica el grado de pureza del color, es decir, mide en cierto sentido la ausencia de mezclado con la luz blanca. Un color no saturado aparece como ‘decolorado o apagado’ mientras un color saturado es intenso y vivo. Por ejemplo, el rojo presenta un alto nivel de saturación mientras que el rosa posee un nivel muy bajo. El grado de saturación va de 0 al 100% para los colores puros que, por lo tanto, no contienen luz blanca. En cambio, la intensidad expresa la cantidad de luz reflejada y percibida por el observador. El análisis del valor de estos parámetros permite el reconocimiento del tono y de sus variaciones con relación a una medida de desviación del tono mismo. Las telecámaras de colores utilizadas en los sistemas de visión para las baldosas proporcionan imágenes expresadas en función de las componentes del espacio de color RGB (red, green y azul o rojo, verde y azul). Por lo tanto, resulta necesaria una transformación de la imagen en el espacio de color HSI (hue, saturation e intensity), que se presta mejor

Figura 11. Longitud de onda de las componentes principales, recibidas por los conos presentes en el ojo humano. 261


a la determinación del tono. Por otra parte, a través de un análisis de las variaciones locales de hue, saturation e intensity dentro de una imagen, es posible identificar los defectos cromáticos, como p. ej. manchas de color, impurezas, gotas de esmalte... Un sistema automático de clasificación de tono ofrece muchas ventajas con respecto a una clasificación manual. Normalmente, una operadora de clasificación es capaz de detectar ligeras diferencias cromáticas entre dos baldosas que aparecen al mismo tiempo en su campo de visión; sin embargo, no es siempre capaz de evaluar o recordar el color absoluto de una baldosa. Por el contrario, un sistema automático asegura una constancia de criterio en la identificación de un tono. Esta constancia también está asegurada por el hecho que los diferentes sistemas de clasificación en el mercado cuentan con mecanismos de calibración luminosa que permiten que las baldosas se ‘observen’ por la telecámara en condiciones tales a permitir una reproducción constante del color en el tiempo. Es por este motivo que la clasificación automática del tono asegura una estabilidad y una objetividad en el tiempo que no se puede alcanzar con una clasificación manual. Por lo que se refiere en cambio al módulo encargado de la adquisición de los defectos superficiales, se ha observado que los mejores resultados se obtienen observando las baldosas en reflexión directa. La figura 12 presenta el efecto provocado por un defecto que afecta la superficie de la baldosa, en el recorrido óptico de la luz procedente de la fuente de iluminación y dirigido a la telecámara. En condiciones normales, es decir en ausencia de un defecto, la luz que incide en la superficie llega a la telecámara siguiendo el recorrido normal en la reflexión. La luz que incide en la baldosa defectuosa experimenta en cambio una desviación de su recorrido óptico natural y solo una porción de la luz incidente alcanzará por reflexión la telecámara. En la imagen adquirida se podrá notar cómo una imperfección de forma de la baldosa se traduce en una anomalía óptica. En síntesis, se ha tratado una vez más de simular el mecanismo adoptado por la operadora dedicada a la clasificación, que percibe la presencia de un defecto de superficie como una anomalía en la reflexión de la luz con la que se ilumina una baldosa que transita por cámara fotográfica

iluminación

cámara fotográfica

baldosa

iluminación

baldosa

Figura 12. Efecto provocado por un defecto superficial.

262


el banco de clasificación. Si observamos detenidamente a la operadora, podemos apreciar que a menudo tratará de modificar su punto de vista sobre la baldosa para poder incluso detectar mejor las anomalías en la reflexión luminosa bajo ángulos diferentes. Estas consideraciones señalan la necesidad de adoptar dos diferentes módulos de iluminación-adquisición para el análisis del tono y para el análisis relativo a los defectos. En el módulo de defectos se emplean telecámaras de blanco y negro, siempre de alta resolución para poder identificar así también los defectos pequeños como grumitos y pinchados en las baldosas de grandes dimensiones. También en el caso de la clasificación manual de los defectos, los resultados dependen de la sensibilidad y tempestividad del operador a la hora de identificar la presencia de anomalías en la baldosa. Sin embargo, la necesidad cada vez más imperativa de aumentar los volúmenes de producción obliga muy a menudo a los operadores de clasificación a trabajar en condiciones que perjudican la eficacia de sus capacidades. Muy a menudo, en particular en el caso de los pequeños formatos, las baldosas pasan muy velozmente bajo los ojos de la operadora que dispone realmente de poco tiempo para analizar el tono y los defectos. Por otra parte se añade el hecho que a menudo las baldosas en la cinta están muy próximas, las unas a las otras, por lo que la operadora las ve pasar como un tapiz, como si se tratase de un proceso continuo. Este hecho impide a la operadora poder inspeccionar visualmente los bordes de la baldosa que están en contacto con los de la baldosa anterior y la siguiente en el sistema de transporte. Incluso cuando las baldosas llegan por separado al banco de clasificación, la operadora logra ver los dos bordes en el lado de avance de la baldosa, pero difícilmente tiene la posibilidad de inspeccionar los bordes más distantes. En algunos sistemas automáticos de clasificación, este problema está solucionado con cuidadosas selecciones ópticas que permiten adquirir imágenes en las cuales, con los oportunos algoritmos, es posible identificar contracciones de esmalte, desconchados y despuntados, incluso de pequeñas dimensiones que podrían escapar a la rápida mirada que la operadora debe aplicar. Con estas soluciones también se pueden identificar roturas y defectos en el bizcocho, no visibles desde lo alto, que no comprometen la estética de la baldosa pero que pueden comprometer su resistencia mecánica. Para que un sistema de visión sea capaz de inspeccionar un producto concreto, este sistema debe someterse a una fase de aprendizaje, análoga a la que seguiría una operadora en el caso de tener que inspeccionar un producto nuevo. El entrenamiento de la máquina se realiza adquiriendo un conjunto de muestras representativas para aquel tono. En este punto, el sistema está capacitado para extraer automáticamente aquellos parámetros característicos que identifican el producto bajo inspección y que serán utilizados para los algoritmos de elaboración de la imagen durante la fase de inspección. El operador que supervisa la máquina debe definir las tolerancias del tono y de los defectos (dimensión mínima, contraste mínimo, umbrales para las clases de calidad...). Es posible también monitorizar la desviación del tono y plantear la creación de un umbral de alarma relativo al fuera de tono, el cual, cuando se supera, requiere la intervención del operador para la creación de un nuevo tono. 263


Todo esto se realiza por medio de una interfaz gráfica, fácil de usar, que puede ser utilizada también por personal no experto en la informática. Instalación de un sistema automático de clasificación A partir de las consideraciones anteriores queda claro que, dentro de una planta cerámica, la posición natural de un sistema automático de clasificación de baldosas está dentro de la línea de selección, sustituyendo al banco de clasificación aguas arriba de la máquina de empaquetado. En el caso que toda la gama de baldosas fabricada por una empresa cerámica debe ser inspeccionada de manera automática, se puede considerar la sustitución definitiva del banco de clasificación. En el caso que existen productos sobre los que la clasificación automática no asegura buenos resultados, el sistema de clasificación puede coexistir entonces en la misma línea con el banco de clasificación ocupado por el operador. En este caso, el banco de clasificación tendrá que situarse aguas abajo del sistema automático de clasificación, de modo que cuando se desactiva este sistema, la clasificación se remite integralmente al operador, mientras que cuando se encuentra activo, al operador le ayuda en la clasificación misma. En efecto, en estas condiciones el operador puede ver, a través del adecuado marcaje, cómo se ha realizado la clasificación del sistema, y puede corregir eventualmente el criterio que el sistema ha asignado a la baldosa bajo observación. Por lo tanto, de acuerdo con el planteamiento que se configura, la inserción de un sistema automático de clasificación en una línea existente debe someterse a los vínculos de espacio disponibles en la línea misma. El problema de los estorbos del sistema y los espacios disponibles asume claramente una menor importancia cuando el sistema está incorporado en una línea de clasificación nueva. En general, casi todos los sistemas automáticos de clasificación están dotados de una propia cinta de transporte sobre la que se desplazan las baldosas procedentes del transporte aguas arriba. La necesidad de dotar el sistema automático de clasificación de una propia cinta de transporte nace de la exigencia que las baldosas pasen por las tomas de imagen en las mejores condiciones posibles, es decir, a una velocidad constante y, en lo posible, sin perturbaciones en su movimiento por vibraciones procedentes del resto de la línea. En la definición de las velocidades relativas entre las diferentes cintas de entrada y salida con aquella del transporte del sistema hace falta tener en cuenta un vínculo muy importante. Para que las telecámaras puedan adquirir por separado cada baldosa que se desplaza por la cinta es necesario que las baldosas pasen debajo de la toma de imagen suficientemente espaciadas. La separación de las baldosas puede obtenerse mecánicamente, manteniendo una velocidad de la cinta transportadora mayor que aquella de la cinta de entrada. De este modo las baldosas también pueden viajar pegadas sobre la cinta aguas arriba, pero, llegadas a la cinta transportadora del sistema, se aceleran, en virtud de la variación de velocidad, hasta obtener el espaciado deseado. Típicamente, una cinta transportadora puede desplazarse hasta 40 metros/minuto con puntas de 60 metros/minuto para los sistemas dotados de mayor potencia de cálculo. 264


La velocidad de la cinta de salida debe ser tal de no constituir un freno para las baldosas que salen de la cinta transportadora. A la embocadura de la cinta transportadora del sistema de clasificación se encuentra un sistema mecánico de centrado de las piezas, que debe asegurar que las baldosas pasen debajo de las tomas de imagen con una posición lo más perpendicular posible al sentido de movimiento. Si las baldosas no llegan perpendiculares debajo de las tomas de imagen, será necesario contar con una ulterior elaboración electrónica de las imágenes, con el objetivo de devolverlas a la condición de perpendicularidad. De hecho, esto supondría un notable agravio desde el punto de vista informático y, por lo tanto, un potencial empeoramiento de las prestaciones de velocidad de inspección entendidas como número de baldosas inspeccionadas por minuto. En la fase de aproximación a la entrada de la cinta transportadora, la cinta aguas arriba debe estar dotada de guías que conducen las baldosas a la entrada del dispositivo de centrado real. Por otra parte, es conveniente que la cinta de entrada esté en el mismo plano que la cinta transportadora del sistema por un tramo igual a unas 3-4 veces la longitud de la baldosa. Al considerar los espacios necesarios para instalar un sistema en una línea existente, no hay que omitir el espacio necesario para el posicionamiento de un sistema de limpieza, equipado por ejemplo de cepillos y sistemas de soplado y aspiración. Un sistema de estas características tendrá que estar necesariamente aguas arriba del sistema mismo, para asegurar que las baldosas lleguen debajo de las tomas de imagen sin suciedad y detritos que podrían engañar el sistema de clasificación de las baldosas mismas. Por otra parte, teniendo en cuenta las elevadas temperaturas ambientales que caracterizan las plantas cerámicas y el hecho que los equipos electrónicos pierden estabilidad con el aumento de la temperatura, es necesario dotar el sistema de un conveniente sistema de acondicionamiento. Esto debe asegurar que el sistema trabaje a temperaturas inferiores a 40 °C. Defectos detectables por un sistema automático de clasificación Generalmente los defectos, tanto superficiales como de color, se clasifican en función de la tipología y la extensión. Dentro de una imagen, los defectos se detectan por contrastes anómalos y/o alteraciones del contenido cromático de la imagen. Sin embargo, existen algunos límites en la detección de los defectos. Un primer vínculo está representado por la dimensión mínima del defecto que depende de la resolución con la cual las baldosas se adquieren. Considerando que cada imagen puede ser visionada como una matriz de píxeles o puntos, a cada uno de estos puntos corresponde una cierta dimensión física real que depende del campo encuadrado por la telecámara. En la práctica, si consideramos que el campo encuadrado por la telecámara en una dirección, por ejemplo aquella transversal al sentido de movimiento, es de 600 mm y el número de píxeles de la imagen en la correspondiente dirección es 2000, obtendremos una resolución a lo largo de esta dirección de 0.3 mm. Podemos hacer un razonamiento análogo a lo largo de la dirección paralela al movimiento. De acuerdo con estas dos reso265


luciones, a cada píxel corresponde por lo tanto una cierta área. Está claro que los defectos inferiores a esta área no podrán ser vistos en la imagen. En general, podemos decir que para que un defecto sea detectable, su dimensión debe superior a 0.5 mm2. Otro vínculo está representado por el contraste del defecto mismo. Cuanto mayor es el contraste del defecto, mayor es la probabilidad de detectarlo. La fiabilidad en la adquisición de los defectos depende por consiguiente del contraste que dichos defectos generan en la imagen en las mejores condiciones de iluminación. La adquisición de los defectos superficiales requiere algoritmos más sofisticados a medida que la superficie misma de la baldosa resulte más compleja: esto el caso de las baldosas muy estructuradas, donde la rugosidad y/o las zonas lisas se mezclan intencionadamente con zonas mates y/o brillantes. La misma consideración puede valer para la detección de los defectos de color en aquellas baldosas donde la decoración presenta un amplio contenido cromático mezclado con elementos aleatorios. Hemos visto por lo tanto que el contraste y la dimensión son dos elementos discriminatorios en la detección de los defectos. Otro aspecto a no descuidar es la identificación del tipo de defecto adquirido. Pueden surgir dificultades cuando un defecto esté identificado solo en parte y no en su totalidad. Este puede deberse al hecho que un defecto genere un contraste significativo solo en una pequeña parte del mismo. También en este caso es preciso recurrir a algoritmos que permitan reconstruir el defecto en su totalidad. Todos los defectos detectados e identificados contribuyen, en función de lo programado por el usuario por medio de la interfaz, a determinar la eventual reducción de la clase de calidad de la baldosa inspeccionada. Prestaciones y ventajas de un sistema automático de clasificación Desde el punto de vista de las prestaciones, entendidas como número de baldosas por minuto, un sistema automático de inspección puede asegurar resultados superiores a los de un operador. Formato (lado paralelo al modo en cm) Sistema de visión Operador en banco individual

20 125 120

25 115 96

30 100 85

33 90 75

40 80 65

45 60 52

50 50 45

En la tabla se presentan los valores medios que permiten comparar las prestaciones de un sistema automático de inspección y las de un operador. De hecho, con el continuo progreso tecnológico del hardware y software, el problema de la velocidad de inspección pierde consistencia. El uso de procesadores cada vez más potentes en paralelo permite trabajar a una alta velocidad de inspección, a pesar de la complejidad de las operaciones requeridas en un normal proceso de tratamiento de imá266


genes y el recurso a algoritmos de inteligencia artificial, actividades desarrolladas con el paso de cada baldosa individual. En el estado actual, existen muchos sistemas capacitados, en virtud de estas potencialidades informáticas, para inspeccionar baldosas incluso complejas. Las principales tipologías de productos que puedan ser inspeccionados son las siguientes: • Monococción y bicocción esmaltada con diseños repetitivos, aleatorios, marmoleados con superficie plana o estructurada. • Gres porcelánico (brillante, rectificado y rugoso). • Piedras naturales. Veamos en síntesis cuáles son las ventajas que ofrece un sistema automático de clasificación de baldosas: • sustitución de la estación de clasificación manual; • inspección y control de todas las baldosas fabricadas; • posibilidad de realización de una planta continua desde el horno al empaquetado; • permite reducir los stocks de tono en el almacén; • asegura la objetividad y repetibilidad en el tiempo inalcanzable en la clasificación manual; • puede asegurar una operatividad diaria de 24 horas; • permite una reducción considerable del personal dedicado a la clasificación; • asegura una reducción de los costes fijos de producción. Está claro entonces que la posibilidad de automatizar esta función, para una amplia gama de productos, con todas las ventajas que entraña, suscita un gran interés en la industria cerámica donde desaparecería así la última actividad confiada todavía a los operadores. Otros usos de un sistema automático de clasificación De lo anterior resulta evidente que la incorporación de un sistema de clasificación a final de la línea, aguas arriba del empaquetado, ofrece una serie de claras ventajas. Cuando en una empresa cerámica se lanza un lote de producción es evidente que el objetivo ideal sería conseguir solo fabricar baldosas de primera calidad. Sin embargo, la realidad a veces es muy diferente. A la clasificación también llegan baldosas que, por razones evidentes, serán clasificadas como de tercera calidad e incluso como rechazos. Cuanto mayor es el porcentaje de las baldosas clasificadas en calidades inferiores, más se reduce el rendimiento del lote fabricado: reducción del beneficio, energías y materias primas en parte desperdiciadas, problemas de eliminación de residuos, costes de gestión del almacén…, todos aspectos que concurren a reducir la rentabilidad de la producción. Cuanto más frecuentes son estas condiciones en la producción de una empresa cerámica, más falta hace tratar de identificar y eliminar aguas arriba aquellas causas que provocan el deterioro de la producción. El uso de un sistema a final de la línea no permite, evidentemente, eliminar las causas de la reducción del rendimiento de una planta, ya que las baldosas llegan allí al final del ciclo productivo. 267


Por lo tanto, puede resultar útil instalar sistemas automáticos de clasificación aguas abajo de las fases de proceso donde las eventuales anomalías pueden comprometer el resultado final. Se trata en realidad de aplicar un tipo de control de calidad distribuido a lo largo de la línea de producción. Un típico ejemplo podría ser el posicionamiento de un sistema automático de clasificación aguas abajo del secadero para controlar el bizcocho todavía crudo, o aguas abajo del primer horno en una planta de bicocción. Un sistema de clasificación tendrá que ser capaz de detectar defectos mecánicos como grietas, despuntados o imperfecciones en los bordes, y defectos superficiales como partículas extrañas, agujeros y relieves, y de eliminar del proceso productivo las piezas defectuosas. Esto evitaría añadir valor, evitando por lo tanto el gasto de energía y materias primas en las piezas que al final del ciclo de producción serán indudablemente clasificadas en términos de calidades inferiores. A esto hay que añadir que cuanto más tempestiva es la determinación de las piezas defectuosas a lo largo del ciclo productivo, mayor es la posibilidad de poder reciclar al material rechazado: una pieza cruda es reutilizable al 100%, mientras que la eliminación de tiesto es más onerosa. Por consiguiente, a partir del análisis de los defectos que han determinado los rechazos en una determinada fase del proceso productivo, se puede remontar a su causa y, entonces, a la solución de la misma. En consecuencia, poder controlar todas las fases de proceso de una manera sistemática permite aumentar la rentabilidad de la producción, al intervenir directamente en las fases intermedias del proceso productivo.

Zona de repartición y apilado Cuando sale del tramo de controles, la baldosa ha sido examinada en todos sus aspectos. Por el operador humano o por el sistema automático de visión, la pieza ha sido clasificada en función de tono y calidad (p. ej. tono A 1a clase, tono B 1a clase, tono A 2a clase, tono B 2a clase, 3a clase, rechazo; esta podría ser una clasificación típica). Generalmente, el tono dominante no se señala y así el operador intervendría a marcar solamente las baldosas en los otros casos. Una fotocélula dedicada, situada aguas arriba de la zona de conformación de las pilas se encarga de leer y descodificar la señal de marcaje. El dispositivo de calibre divide las baldosas en clases de calibre y en clases de calidad. El dispositivo de planaridad divide las baldosas en clases de calidad. En este punto, la estación de control y gestión posee todos los elementos para llegar a una clasificación de la baldosa: la atribución de la clase cualitativamente más negativa identifica la clase de pertenencia final de la baldosa. En otras palabras, una baldosa que está clasificada de primera calidad por el operador y por planaridad, pero que está rechazada por calibre, acaba rechazada, al igual que una baldosa perfecta por calibre y por planaridad, pero que el operador ha rechazado a causa de varios defectos superficiales.

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Posibles criterios de subdivisión.

La baldosa clasificada de esta forma entra, conducida por dos correas laterales dotadas de un juego elástico para permitir la acogida de calibres diferentes, dentro de la zona de repartición y apilado. Es en esta máquina que se realiza la subdivisión de las baldosas en función de las clases de calidad descritas anteriormente, enviando todas las baldosas homogéneas a una misma estación de apilado donde son extraídas por las cintas para constituir una pila, lista para mandar a la estación de empaquetado a continuación. Aparte de la fase final de obtención de las pilas de baldosas de calidad homogénea, se han adoptado básicamente dos metodologías para realizar la operación: - Apilado directo. - Apilado indirecto. En el primer caso, la extracción de la baldosa se suele llevar a cabo con un par de ventosas accionadas por cilindros neumáticos que intervienen sobre la pila extrayéndola de las cintas de repartición y depositándola sobre la pila en formación, situada a una distancia inferior al espesor mismo de la baldosa (figura 13). Existe, por lo tanto, un juego combinado entre el movimiento del cilindro extractor y del plato del apilador que permite un control de la extracción, asegurando la máxima productividad así como la óptima suavidad de deposición, ya que la velocidad relativa entre la baldosa en extracción y la pila debajo se minimiza para evitar cualquier fenómeno de choque y rozamiento relativo; es, por lo tanto, una solución que se presta también para el uso en aquellos materiales de superficie delicada, donde podrían resultar perjudiciales los apilados que contemplaran 269


Figura 13. Apilado.

una mayor aspereza en el contacto relativo entre la baldosa y al apilador. La precisión en la ejecución depende totalmente del control informático del mando eléctrico, sin necesidad de interponer ninguno elemento entre la baldosa y el apilador; en las últimas versiones de las máquinas de apilado directo más evolucionadas, también se ha pasado a la sustitución de los motores de CC por motores trifásicos tipo, actuados por variadores de frecuencia sin que esta transformación quitase nada a la bondad de los resultados descritos anteriormente, sino asegurando, por el contrario, una mayor sencillez de funcionamiento y sustitución de los componentes. En el apilado indirecto, la extracción de la baldosa de la cinta se realiza siempre mediante ventosas accionados por cilindros neumáticos (2 o 4), pero la deposición sobre la pila en formación no se produce directamente a una distancia de caída mínima, sino por la interposición de equipos en forma de ruedas o pequeños planos intermedios que se encargan de acompañar la baldosa, partiendo la diferencia de posición existente entre la altura de extracción y la altura de deposición, la cual en este caso es mucho mayor con respecto al apilado directo. Las motorizaciones generalmente son del tipo paso-paso de CC. Otra característica a notar en estos equipos reside en la filosofía puesta en la base del número de estaciones de apilado presentes. Las líneas equipadas de apiladores de resignación dinámica, y en este caso el número de los apiladores es igual al número de las clases de calidad + 2 posiciones de reserva, preparadas para ser empleadas durante las fases de descarga en una girándula donde todas las estaciones acogen alternativamente las varias clases de calidad, conduciendo a una adecuada subdivisión de la carga de trabajo y, por lo tanto, de desgaste, entre todos los apiladores presentes. En cuanto a las líneas equipadas de estaciones de apilado donde cada estación individual está dotada con dobles movimientos autónomos, de forma que al completar una pila, la misma estación enseguida está lista para acoger nuevas baldosas, en esta tipología el número de estaciones obviamente es igual al número de clases de calidad que se quieran plantear. Independientemente de las modalidades de extracción de la baldosa, de la conformación de la pila y deposición de la misma sobre un sistema de transporte, la máquina tiene la tarea muy precisa de desarrollar la función de recogida de información relativa a la 270


asignación de clase, y de proceder a una subdivisión segura del material en pilas homogéneas que se entregan a la sucesiva fase de empaquetado del producto. Empaquetado El empaquetado del producto puede realizarse de modo automático o semiautomático; en este último caso la operación se lleva a cabo a través de la interacción entre el dispositivo mecánico y un operador humano que coadyuva las operaciones, interviniendo a realizar su cumplimiento; de otra manera sería totalmente automática y exento de cualquier intervención del operador que no estuviera ligada a condiciones de alarma de la maquina o de reintegro de materiales de consumo. El empaquetado trata de encerrar el material preventivamente preparado en pilas de homogénea composición dentro de un soporte de cartón que facilita su contención, movimentación y transporte hasta al punto de colocación final. La tipología de empaquetado adoptada mayoritariamente para los formatos de pequeña y media dimensión es la de un sistema de troquelaje de cartón alrededor del perímetro de la pila de baldosas mediante varios mecanismos mecano-electrónicos de empuje sobre la pila, recogida y transporte de cartón, con cierre y pliegue de los bordes; se señala en particular la posibilidad de envolver con cierre sobre el último borde (4 puntos de cola) o de realizar el cierre simétrico central sobre la línea central de toda la caja (5 puntos de cola); algunas de las máquinas presentes en el mercado permiten adoptar ambas tipologías con la consiguiente mayor flexibilidad y potencialidad de uso (figura 14).

Sistema de cierre con 4 puntos de fijación adhesiva

Sistema de cierre con 5 puntos de fijación adhesiva

Figura 14. Empaquetado central y lateral con cierre.

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El troquelaje perimétrico se caracteriza por la limitada presencia de bajas de producto y, por lo tanto, de costes reducidos, pero tiene su límite en la apertura de la cara superior de la baldosa, y en la dificultad de desarrollarse para longitudes superiores a 2500 mm, manteniendo mientras tanto aquel grado de rigidez y constancia de reacción en la manipulación que ayudan a obtener elevados grados de fiabilidad en el funcionamiento de la máquina. Es por esta razón, que en los formatos medios, grandes y de dimensiones superiores se está consolidando el empaquetado de bandeja, donde el cartón envuelve la pila cubriéndola desde lo alto, envolviéndola y dejando destapada la parte inferior. En este caso, se generan menos problemas asociados al desarrollo del troquelaje, aunque en la distribución representada se puede observar que la incidencia de bajas es porcentualmente superior (figura 15). Las dos tipologías de máquina pueden presentarse por separado o en combinación, dando origen a configuraciones de empaquetadoras donde estén presentes las dos posibilidades de empaquetado, para adecuar, de este modo, la máquina al tratamiento de una gama de formatos más amplia (figuras 16-17-18).

ÁREA CARTÓN CON BAJAS DE PRODUCTO

DIAGRAMA ÁREA CARTÓN / FORMATO

BANDEJA

TROQUELAJE PERIMÉTRICO

FORMATO

Figura 15. Comparación del troquelaje perimétrico (wrap around) y de bandeja (cover).

Una última consideración se refiere a la tipología del adhesivo a utilizar en el cierre: en efecto, en función de la temperatura de las baldosas, se pueden adoptar grupos de aplicación de cola en caliente o en frío. El primer tipo es el más difundido y se caracteriza por la aplicación de puntos de cola mediante dispositivos de fusión y pistolas adecuados; ofrece una óptima adherencia y limpieza de funcionamiento, junto con un mayor rendimiento en la continuidad operativa. Sin embargo, requiere una temperatura de uso que permita la salida de la fase de reblandecimiento y la consiguiente realización de una buena toma entre los materiales puestos en contacto; su límite resulta por lo tanto identificado para aquellas aplicaciones 272


Figura 16. Empaquetado de bandeja (cover).

Figura 17. Empaquetado de troquelaje perimétrico (wrap around).

Figura 18. Empaquetadora.

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donde el empaquetado se realiza inmediatamente a continuación de la salida del horno con baldosas de temperatura elevada (producto no superior a 60-65 °C). En estos casos se recurre a aplicaciones de cola vinílica en frío, aplicada con nebulizadores de alta presión; en este caso, el tiempo de toma se convierte en función inversa de la anterior aplicación considerada, aunque estando de todas formas lejos de los resultados de la cola en caliente, que requiere la ejecución de un túnel de prensado donde los bordes a unir (con cola interpuesta) se presionan por dispositivos apropiados para asegurar la consecución completa del objetivo, evitando la sucesiva apertura de las cajas con los consiguientes huecos de productividad por las intervenciones de resolución de estos problemas. Independientemente del sistema de cierre utilizado, tenemos en todo caso a la salida de la máquina empaquetadora una caja de baldosas preparadas para ser adecuadamente marcada y paletizada. Zona de impresión y etiquetado A la salida de la empaquetadora, el paquete se introduce en la zona de impresión donde se procede a la impresión de los datos principales relacionados con el producto empaquetado y expresamente señalados por la normativa. Generalmente, se requiere que estos datos se sitúen en una posición tal de permitir una fácil lectura del paquete después de su depósito sobre el palet. Por esta razón, las posiciones utilizadas normalmente son el lado corto de un tamaño rectangular (o cuadrado) o la parte superior de la caja, sobre el llamado lado de cara vista. El tipo de impresora utilizado suele ser de chorro de tinta y la tinta es generalmente de color negro, ya que es más resistente que los coloreados al efecto decolorante muy a menudo provocado por la luz solar a la cual el producto empaquetado está sometida muchas veces por períodos incluso prolongados. Junto a la información impresa relacionada con la descripción del producto y de su clase de pertenencia (calibre, tono, calidad…), a veces se requiere la impresión de códigos de barras de uso directo por la empresa cerámica o para su uso a continuación en el camino distributivo. La impresión de un código de barras requiere equipos de características superiores; se recurre por tanto a rotuladoras que imprimen sobre un soporte adhesivo que se pega a continuación sobre la pared del paquete o a impresoras especiales de alta definición que ejecutan directamente el código de barras sobre la caja; en este caso, la bondad de la ejecución y la consiguiente bondad de lectura no son funciones perfectamente asegurables, por lo que se procede a menudo al posicionamiento de una fotocélula de verificación inmediatamente después de la impresora misma: en caso de detección de error se activa la alarma correspondiente. Zona de paletización Después de su impresión, el paquete se presenta en la zona de paletización. Se trata de un robot cartesiano, capaz de moverse a lo largo de las 3 direcciones del 274


espacio, llevando así a cabo la operación de recogida de los paquetes y el siguiente depósito sobre los palets (figura 19). Para finalizar la operación de homogeneización de la producción, iniciada en la fase de apilado, todas las cajas que llevan el mismo código tendrán que ser depositadas en el mismo palet. Tendremos, por tanto, un número de posiciones de palet igual al número de clases de producto, además de una ulterior posición que actuará de reserva y permitirá continuar con la paletización cuando la terminación de un palet requiere la intervención de evacuación del mismo por medio de carretillas elevadoras manuales o lanzaderas automáticas.

Figura 19. Robot de paletización.

Aparte de estas características fundamentales, la arquitectura con la que se presentan las paletizadoras en el mercado es esencialmente de dos tipos: dispositivos con riel a tierra o con un riel aéreo de carro puente; la mayor flexibilidad de los primeros de poder adaptarse con modularidad y economía a las variables exigencias del mercado cerámico (hay que considerar por ejemplo que la longitud de la vía del trayecto es una función del número de clases de calidad presentes en la clasificación) les hace más difundidos como equipos a situar aguas abajo de una línea de clasificación y empaquetado de baldosas cerámicas. El paquete preparado suele llegar a la zona de paletización desplazándose sobre el sistema de transporte con motorización friccionada, para poder permitir así la acumulación de los paquetes y el consiguiente enlace entre la diferente frecuencia de llegada de los mismos y su siguiente recogida y deposición sobre el palet de destino. Generalmente, el transporte del paquete se produce con la misma base de apoyo con la que ha sido confeccionado (que suele ser la mayor y, por lo tanto, la más estable): llegados al punto de recogida, un dispositivo adecuado de vuelco gira los paquetes sobre la vertical (90°), presentándolos en la posición idónea para las pinzas de agarre y la paletización (figura 20). 275


Figura 20. Pinza de agarre de paquetes.

Es preciso, en efecto, considerar que generalmente hace falta mediar entre la necesidad de asegurar la estabilidad del paquete en la posición, asegurando la mayor base de apoyo posible, y al mismo tiempo depositar las baldosas con apoyo en el borde, para permitir así la siguiente superposición de otras cajas y otros palets sin comprometer la integridad de las baldosas mismas. De todo eso se deduce que la base de apoyo se da por la dimensión más grande de la baldosa y el espesor del paquete. Si tomamos como ejemplo entonces un paquete que contiene 10 baldosas de espesor de 10 milímetros y una dimensión de 300 × 400, es fácil entender que se paletizará, apoyándolo en el palet sobre la base de 400 × 100 de modo que la altura del paquete sea la dimensión 300. La ecuación de estabilidad del paquete puede indicarse empíricamente por la relación h × 0.2 + 40 = mm de anchura del paquete (300 × 0.2 + 40 = 100 en el ejemplo anterior), aunque en realidad aparecen otros factores no geométricos como la tipología y la calidad del palet sobre el que el paquete está destinado a apoyarse; está claro que los paquetes de escasa base de apoyo no pueden paletizarse individualmente. Por esta razón, en este caso, por ejemplo para los formatos de forma orientativa mayores de 330 × 330 mm, se recurre a una configuración dedicada, no solo de paletización, sino también de la línea de clasificación; en efecto, se empieza por la introducción del dispositivo divisor de pilas en el repartidor para poder configurar de esta forma una pila de baldosas con una dimensión doble de la requerida y poder proceder de este modo a la división en dos partes y el sucesivo empaquetado contiguo de los dos paquetes con el mismo código. Enseguida a valle, está presente el dispositivo de superposición de los mismos y de unión por medio de la cola o de una cinta colocada por un dispositivo dedicado correspondiente (figura 21). Una alternativa, aunque no muy extendida, a un volcador en el punto de recogida, que se vuelve por tanto fijo, reside en volcar en la posición idónea para la paletización enseguida al principio de la rodillera de la paletizadora, de modo que esta última procede 276


Figura 21. Divisor de pilas y acopladora.

a la recogida del paquete, yendo a su encuentro y procediendo solamente a la operación del pinzado de agarre cuando esto se encuentre en una posición la más próxima posible delante del palet de destino; esta lógica de funcionamiento, auque por un lado aporta alguna agilización a la operación total, requiere una mayor base de apoyo para asegurar una buena estabilidad del paquete durante la fase de movimentación a lo largo de toda la frente de palets (a veces con una longitud de decenas de metros); por otra parte, esta lógica se presta mal al pinzado de agarre simultáneo de los paquetes que tengan un código diferente y, por lo tanto, están destinados a sucesivas descargas por separado. Volviendo a la operación de recogida y deposición, considerada en su genericidad, observamos que el paquete está agarrado por las pinzas mediante el dispositivo adecuado y con deposición a continuación, girado eventualmente, de manera tal de presentar hacia el exterior del palet, en posición de posible visión la impresión que presenta las indicaciones de producto, así como la llamada cara vista de la baldosa, de forma de señalar todas las características y propiedades de las baldosas. La distribución de la deposición, llamada también la conformación, varía en función del producto, de sus características, dimensiones, exigencias de transporte y presentación; por esta razón, el instrumento para la realización y modificación de esta distribución se integra en el ordenador de mando de la clasificación y está realizado generalmente para responder a las exigencias de sencillez y velocidad en el aprendizaje y en el uso (figura 22). Todo lo indicado hasta ahora es válido esencialmente para los formatos normales de trabajo. Cuando se pasa a dimensiones superiores a las más habituales, cuando desde baldosas se pasan a productos designados más adecuadamente como láminas (600 × 900, 900 × 900, 600 × 1200), entonces el planteamiento adquiere un aspecto que corresponde menos a los cánones normalizables, tanto por lo que se refiere al empaquetado (a veces estos productos no se confeccionan en cajas, sino que son tratados individual y manualmente), como por lo que se refiere a la paletización, que se efectúa apoyando las baldosas directamente en el palet, ya que para alcanzar dimensiones totales estables, la operación de acoplamiento llevaría a tener que levantar masas de magnitudes muy elevadas, que necesitarían equipos de paletización dimensionados de otra manera, dedicados específicamente a la problemática resultante, directa e indirecta. 277


Figura 22. Interfaz de creación de la configuración.

No se puede concluir el apartado relativo a la paletización sin señalar que en algunas realidades productivas se encuentra la implantación de una empaquetadora semiautomática; con más razón, en estas realidades también la paletización sigue la lógica del uso de una mano de obra dedicada, la cual, por lo tanto, hace superfluos todos aquellos mecanismos precisamente dedicados a la rotación, vuelco y acoplamiento automático, siendo la lógica del operador humano perfectamente capaz de evaluar la eventual necesidad, caso por caso, de intervenir con soluciones para asegurar la estabilidad necesaria para el paquete individual, así como para el palet en conformación. El intercambio de los datos entre la clasificación y la paletizadora se realiza normalmente por contactos limpios y el funcionamiento de un mecanismo de FIFO (First In First Out: es decir, primer producto que entra, primer producto que sale): cada paquete de salida de la empaquetadora se introduce en una memoria (entra en el FIFO), cada paquete retirado por la paletizadora se elimina de la memoria (sale del FIFO); en otras palabras, la paletizadora sabe que hay (p. ej.) 10 paquetes de llegada, que el primero de estos es de código 1, que el segundo es siempre de código 1, que el tercero es de código...; cada vez que un paquete sale de la empaquetadora, el relativo código de pertenencia se comunica al robot que lo añade a la cadena, así como de esta cadena se retira cuando se agarra por las pinzas y se lleva. Cada alteración de los paquetes contenidos dentro de la cadena en la memoria debe ser transmitida a la paletizadora, bajo pena de errores en la fase de deposición con el mezclado erróneo de paquetes de características no homogéneas. El sistema encuentra su límite en la presencia de largos tramos de transporte en el enlace entre la clasificación y la paletizadora. En este caso, resulta más fácil determinar la posibilidad descrita anteriormente. Se obvia estos problemas mediante la introducción de un control directo en la tipología del material a paletizar: sobre el paquete de salida por la empaquetadora se realiza con impresión de chorro de tinta una señal de definición gruesa (claro oscuro con un tamaño de algunos mm); esta señal será leída sucesivamente en el punto de recogida para así transmitir la información del código de pertenencia. Otro sistema consiste en la redacción de un código de barras adecuado, con algunas líneas que contienen los datos necesarios para la paletización; sucesivamente, en el punto de recogida, un escáner apropiado procederá a la lectura. En esta segunda hipótesis, la ti278


pología de impresión requerida y el lector necesario son de otra clase de finura y calidad, con respecto al sistema de macromanchas descrito previamente. Dimensionado de una sección de clasificación y paletización Una sección de clasificación no es una máquina, sino un conjunto de equipos individuales, algunos indispensables, otros opcionales, que pueden combinarse en función de las innumerables posibilidades para configurar la planta que mejor responde a las exigencias del cliente. Hemos señalado que los datos fundamentales de entrada a considerar de partida son la producción a desarrollar, los tiempos de trabajo en los cuales distribuir esta producción y la gama de formatos, sin olvidar finalmente que el rendimiento total de la planta o, en otras palabras, el grado de uso de la maquinaria sea una función, aparte de las entradas anteriores, también de la configuración de la línea y de la cultura técnica del personal encargado del uso y del mantenimiento de la maquinaria. En pocas palabras, de igual importancia a la correcta configuración de la clasificación es un uso de los equipos que asegure un rendimiento global de la sección lo más libre posible de huecos productivos asociados a defectos de mantenimiento y el uso inapropiado de dichos equipos. Estos primeros datos se integran dentro de la filosofía de base de la planta: máximo grado de automatismo o fuerte presencia de personal. En este segundo caso tendremos líneas caracterizadas por un empaquetado semiautomático y una paletización manual; la línea se caracteriza por un elevado grado de flexibilidad debido a la fuerte presencia de operadores en las diferentes fases del flujo material; asimismo, la capacidad de un operador humano de adaptarse a las cambiantes condiciones de ambiente y contorno puede gestionarse más fácilmente que las modificaciones informáticas a realizar sobre un PLC. Por otra parte, la presencia de los operadores a lo largo de la línea fija las máximas productividades alcanzables dentro de la capacidad finita de un operador de desarrollar una cierta función. Como valores de referencia, de carácter indicativo, pero no determinantes ya que pueden estar sujetos a notables variaciones, podemos indicar una velocidad de tránsito del flujo de baldosas delante del operador de unos 20 m/min (la bicocción o decoraciones se reducen incluso a 15 m/min) y a una frecuencia de producción del operador encargado del empaquetado de 4/5 paquetes por minuto; alrededor de estos valores se construye la línea. Más complejo sin embargo es el tema de las líneas con empaquetado y paletización automático. En este caso, la presencia humana se limita al banco de clasificación; aquí el operador debe observar el flujo de baldosas en tránsito y para cada unidad individual realizar valoraciones con respecto a la observación cualitativa y el tono, y la consiguiente clasificación de la pieza a través del marcaje. Dejaremos para más adelante, a las reflexiones relativas a la defectología de las baldosas, la consideración de la importancia de esta fase dentro del proceso productivo cerámico, así como la falta de una objetividad general en los criterios a utilizar en la asignación de un determinado defecto o tonalidad dentro de parámetros fijos. Si puede entender entonces la dificultad de establecer a priori cuántas baldosas por 279


minuto pueden ser analizadas por una persona individual: esto depende del formato, aunque no en una medida estrechamente proporcional a la superficie a examinar, depende de la defectología a investigar, del cuidado puesto en la evaluación de la tonalidad, de la posibilidad de migraciones de las tonalidades a considerar y presenciar, de la tipología del producto, de las selecciones comerciales y estratégicas de la empresa (máximo cuidado en la investigación o, al contrario, minimización de las bajas) etc., con las innumerables otras posibles variables a tener en cuenta. A partir de estas consideraciones, se desprende fácilmente que no posee ninguna veleidad objetiva la indicación de 20 metros por minuto como velocidad a programar en el banco de clasificación, como evaluación de principio del número de piezas (en la hipótesis de flujo continuo y uniforme) analizables por el operador medio sobre un producto medio, con criterios de clasificación medios. Teniendo en cuenta este dato de partida, la configuración de una línea de clasificación, empaquetado y paletización tiene como meta el intento de aprovechar al máximo las capacidades del operador individual (o de la pareja en el caso del banco con una doble fila de baldosas y doble estación de observación). La configuración a investigar es, por lo tanto, la que permite el mejor aprovechamiento de la capacidad humana, evitando la presencia de embudos productivos en los individuales componentes automáticos presentes a lo largo del flujo de material. Esto justifica la oportuna inserción de toda una serie de equipos como: el divisor de pilas, el acoplador de paquetes con cola o cinta, el volcador acoplador en la recogida, la doble pinza de paletización, el dispositivo de agarre y deposición de los palets huecos… La justa combinación de estos equipos proporciona una línea óptima desde el punto de vista de una evaluación global, donde la sencillez ingenieril, maximización del rendimiento y de la economía general y específica, constituyen una ecuación con innumerables incógnitas, no siempre de fácil solución. Los sistemas informáticos de control y gestión de la producción La gestión de la producción de una empresa cerámica se caracteriza en gran medida por el elevado número de códigos necesarios para identificar una producción altamente diferenciada en función de tipología, dimensiones, colores, características… Aparte de productos físicamente diferentes, una empresa cerámica también se distingue por la presencia de diferenciaciones en un mismo producto: basta considerar cómo a una misma denominación nominal pueden corresponder clasificaciones de primera calidad y de segunda calidad, mientras dentro de una misma clase cualitativa, tendremos diferenciaciones de calibre y tono que darán origen a codificaciones diferentes. La inevitable consecuencia es una explosión del número de códigos presentes y una gestión muy complicada del almacén. Todo eso ha llevado a la búsqueda de modalidades informáticas para aumentar el grado de automatismo en la gestión de las informaciones relativas a la producción. Estas informaciones no necesitan crearse, al encontrarse ya presentes en el seno de la lógica de una línea de clasificación, empaquetado y paletización, ya que es precisamente en estos equipos que nace la subdivisión de una única realidad productiva con diferentes 280


clasificaciones, cualitativas y dimensionales, y la consiguiente conformación del palet con los paquetes de productos homogéneos. Se trata por lo tanto de sintetizarlas, ordenarlas y proporcionar su disponibilidad, por ejemplo, en forma de una base de datos que pueda ser consultada en red, con un nivel informático que no sea ya precisamente de las máquinas dedicadas al tratamiento del producto, sino que pertenezca al sistema informático de gestión de la empresa. Configuraciones para el gres porcelánico La consolidación del gres porcelánico ha influenciado e influye en las configuraciones de la sección de clasificación y paletización, no tanto directamente, ya que la maquinaria de la sección no está afectada funcionalmente por las diferentes características físicas del material, sino indirectamente, a causa de las elaboraciones adicionales, cada vez más importantes, que se aplican y, en consecuencia, del desplazamiento del interés del mercado 2 4

3

1

Figura 23. Distribución de la salida de la línea de fabricación de gres porcelánico.

hacia dimensiones de baldosas siempre mayores (figura 23). Por lo que se refiere a las elaboraciones, en efecto, cabe señalar que una notable cuota del material fabricado se destina a elaboraciones de rectificación superficial y mecanización de los bordes; el producto a enviar a estas elaboraciones puede ser identificado mediante una preclasificación donde, en función de las características deseadas, se obtiene la identificación y el apilado del material. La planta de clasificación y paletización puede contar con varias posibilidades para extraer las baldosas destinadas a la rectificación y/o elaboraciones sucesivas: las opciones descritas a continuación deben considerarse como alternativas a elegir en función de la cantidad porcentual del gres porcelánico a enviar a la rectificación y/o elaboraciones sucesivas, o de la forma de organización de las campañas de producción. Salida de baldosas (1) Las baldosas a rectificar, una vez seleccionadas, deben ser enviadas a una máquina de carga de bancos o vagonetas. Estas podrán ser descargadas a continuación por una máquina de descarga ubicada en cabeza a la línea de rectificación. Esta configuración permite desviar todas las baldosas o solo una parte, mientras que las otras podrán continuar en la línea y ser empaquetadas y paletizadas. 281


Salida de pilas para las fases de elaboración siguientes (2) Dispositivo integrado en el cuerpo de la maquina y situado a la salida del grupo de apilado de la línea de clasificación. Se encarga de expulsar las pilas destinadas a la rectificación antes de su entrada en el sistema de troquelaje perimétrico (wrap around). Solo las pilas destinadas a la rectificación se desvían y se aparcan en una cinta con correas. Las pilas se cargan a mano sobre las vagonetas o sobre los palets, y se llevan a la sección de rectificación, donde se cargan a mano en la línea de rectificación. También en este caso las otras pilas pueden seguir y ser empaquetadas. Pase por el troquelaje perimétrico (wrap around) del producto a someter a elaboración (3) Toda la producción se rectifica por campañas: en este caso se puede organizar la estación de troquelaje perimétrico de forma que podrá ser atravesada por las pilas sin ser empaquetadas. El dispositivo evita el desgaste precoz del grupo de troquelaje al desplazar las pilas sin arrastre contra los mecanismos de cierre del cartón. Por lo tanto, las pilas se envían a la paletizadora que las retira, naturalmente sin volcador, y las sitúa sobre un palet previamente dispuesto; tendremos así la paletización del producto empaquetado al mismo tiempo que el producto para las ulteriores elaboraciones. Calibre con control de descuadres (4) Se trata de un equipo que clasifica las baldosas cerámicas por dimensión y forma. Mediante un programa de cálculo, el control dimensional establece la longitud de las secciones que determina tanto la clasificación dimensional como la por defecto de forma. El equipo también es capaz de establecer, gracias al análisis de la ortogonalidad, la producción de baldosas cerámicas procedentes de una máquina de rectificación de los bordes y es, por lo tanto, particularmente indicado para ocupar un lugar en la línea de clasificación y empaquetado alimentados por equipos de orto-cuadratura. Otra consecuencia importante del renovado fervor que acompaña el continuo desarrollo de las tecnologías productivas relacionadas con el gres porcelánico es el progresivo desplazamiento hacia dimensiones siempre mayores: formatos como el 450 × 450 o el 600 × 600 ya son difundidos, las dimensiones todavía mayores como 600 × 900 o 900 × 900 no son infrecuentes, aumentos todavía superiores como 600 × 1200 se están imponiendo. Con esta evolución, la adaptación de las configuraciones de clasificación pasa por un aumento de las dimensiones y robustecimiento paralelo de las estructuras, además de una cuidada atención a los detalles más estrechamente relacionados con el empaquetado, el cual, para estos formatos, resulta preferentemente aquel de bandeja (cover).

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Cocción

Capítulo VIII RECTIFICACIÓN

Introducción La baldosa cerámica, tanto la porosa como la gresificada, de pavimento o de revestimiento, se trata cada vez con mayor frecuencia al final del ciclo productivo tradicional con métodos de rectificación más o menos articulados y sofisticados, con vistas a aumentar su valor estético y, por lo tanto, el valor añadido. Los materiales cerámicos más afectados en este sentido son en todo caso: - GRES PORCELÁNICO: • ESMALTADO (puede comprender también la monococción) • NO ESMALTADO - REVESTIMIENTO POROSO: • ESMALTADO (mono y bicocción) Últimas técnicas y tendencias de las baldosas rectificadas Los primeros planteamientos industriales hacia las baldosas rectificadas se remontan a la mitad de los años 80 y se centran totalmente en el tratamiento puramente superficial de las baldosas de gres porcelánico del tipo granito (sal y pimienta). A continuación, hacia el final de la década se empezaba a rectificar el perímetro de las baldosas que iban aumentando sus dimensiones poco a poco, limitando así la proliferación de calibres en el almacén. Al mismo tiempo, se comenzaba a proponer baldosas realizadas con gránulos grandes, micronizados, escamas, esmaltes peletizados y sinterizados, en la tipología de los productos abigarrados, jaspeados, difuminados, etc. que requerían necesariamente la rectificación superficial y, en mayor medida, la cuadratura, ya que estas baldosas resultaron difícilmente válidas geométricamente. Entonces, se asomaron al mercado los productos de revestimiento pulidos, más tarde solo rectificados, y luego también el gres porcelánico esmaltado (que se puede confundir a menudo con una pieza de monococción bien gresificada) también pulido, pero con tratamientos orientados a efectos muy específicos, como por ejemplo, el lapeado, envejecimiento (anticado), etc. La intención es, concretamente, que el producto asuma un aspecto específico, confundible, especialmente para el pavimento, con materiales hoy visibles en las viejas iglesias, castillos, casas patricias etc., donde el desgaste del tiempo, de los paseos y el encerado superficial han contribuido a modificar su aspecto original y a aumentar su “valor doméstico”, cada vez más buscado en una sociedad altamente tecnificada. Los sistemas “aleatorios” hoy aplicables en las diferentes zonas de elaboración (preparación de la pasta - carga de prensas - estructura de los moldes - corte y elaboraciones 283


mecánicas en crudo, esmaltado y decoración, corte y elaboraciones en cocido, mezclado en el empaquetado, etc.) han permitido acercarse mucho al objetivo, especialmente con referencia a las baldosas individuales, mientras parece todavía lejana la solución de continuidad del material colocado, ya que la transición de una baldosa a otra todavía evidencia claramente la técnica moderna del sistema de fabricación. Líneas y máquinas para la calibración-pulido-cuadratura del gres porcelánico En el ámbito de las máquinas de elaboración de los formatos ‘tradicionales’ de gres porcelánico, la actual tendencia del mercado se orienta predominantemente hacia la productividad: se requieren hoy líneas capaces de pulir 200-250 m²/h (1600-2000 m²/turno) y se prevé que se requerirán pronto mayores producciones. Fases de elaboración CALIBRACIÓN, en el sentido de nivelación superficial, La necesidad de calibrar deriva de la planaridad imperfecta de las baldosas naturales y permite uniformar sus espesores en función de las necesidades. Los mandriles en los cuales están sujetos los rodillos diamantados hacen trabajar los útiles “de rectificación” y deben estar provistos de una regulación vertical (generalmente motorizada y visualizada) para facilitar el posicionamiento del rodillo a la justa altura de trabajo a través de la visualización. Normalmente, los mandriles también cuentan con un sistema neumático que permite mantener constante la presión sobre las piezas y de autolevantarse del plano de la baldosa, cuando se producen interrupciones de línea, y de reposicionarse automáticamente cuando esta vuelve a arrancar. Los rodillos diamantados deben tener una buena capacidad cortante, para poder trabajar con baja presión sobre las baldosas y, por lo tanto, minimizar los riesgos de rotura debidos a la fragilidad intrínseca del material. La operación de calibración deja una superficie rayada por microsurcos, debido a la acción de los cristales de diamante de grana grande con los que han sido equipados los rodillos. Normalmente, se utilizan sistemas combinados de rodillos + cabezales satélites + rodillos o rodillos + girador + rodillos. En los formatos tradicionales de sal y pimienta y de aplicaciones de sales penetrantes, etc., la eliminación de material es de 0.7 ÷ 0.8 mm y de 0.6 ÷ 0.9 mm respectivamente; para los productos jaspeados o con granas grandes, la eliminación media es de 1.0 a 1.2 mm o más, no solamente, por lo tanto, para obtener la nivelación de la superficie, sino también y sobre todo para hacer aflorar el diseño, el color o el motivo buscado; en los formatos grandes (a causa de las curvaturas) se pueden considerar valores de 1.0 ÷ 1.2 mm. Para calcular el espesor eliminado hay que considerar que una diferencia de planaridad de + / - 0.5 mm requiere la eliminación de 0.5 × 2 = 1 mm + al menos 0.2 mm para crear un plano perfecto. Las granas utilizadas van desde malla50÷60 en las primeras estaciones hasta malla 140÷180 en las últimas. Es la fase más crítica de cara a los objetivos de calidad del pro284

Rectificación

ducto y de la productividad de la línea; la velocidad de paso es 6 ÷ 7 m/min. Los nuevos sistemas de calibración más eficaces permiten suprimir los problemas asociados al cambio periódico de los rodillos, por el cambio de formato: las nuevas máquinas calibradoras, en efecto, permiten trabajar con formatos del 300 × 300 al 600 × 600 mm, pero también con formatos de 300 × 600, 450 × 900 etc., sin necesidad de cambiar los útiles diamantados. Los rodillos calibradores (figura 1) presentan crestas perfiladas en espiral constituidas de abrasivo diamantado de espesor inicial de aproximadamente 1 cm, que se utilizan hasta su consumo casi completo (duración de 80000 ÷ 100000 m² rectificados). Las camisas diamantadas pueden ser reemplazadas y regeneradas por el suministrador de útiles. Las máquinas de última generación están dotadas de equipos que permiten la sustitución de los útiles abrasivos, con la cinta en movimiento, asegurando una constante calidad de producción. El cambio de los abrasivos se produce sin ningún peligro para el operador, gracias a sistemas de levantamiento de los mandriles a alturas suficientes para permitir un mantenimiento correcto, y cada zona es independiente de la anterior y de la siguiente, por lo que resulta posible intervenir sin interrumpir la elaboración en la línea. Lo indicado anteriormente es válido para todas las líneas hasta la del pulido, que por estos motivos normalmente está equipada de algún cabezal de más de lo estrechamente necesario, o en los programas de trabajo de la máquina, existen sistemas de intervención sobre la velocidad de la máquina misma que contemplan las necesidades del momento, optimizando el rendimiento cualitativo y cuantitativo del sistema. Ya que entre los extremos del rodillo y el borde exterior de la baldosa paralelo al

Figura 1. Máquina de calibración-aplanado de la superficie de la baldosa, con detalle del rodillo diamantado.

285


lado de avance sobre la cinta queda una luz de 2÷3 mm (la luz es necesaria, porque si el rodillo tuviera el mismo ancho que la baldosa o incluso superior tendería a consumirse de modo no homogéneo y a trabajar de forma inapropiada sobre el borde, favoreciendo los desconchados), existe la necesidad también de calibrar las dos zonas de la baldosa paralelas a la dirección de avance en proximidad de los bordes. Para este propósito, existen dos alternativas (figura 2a): a) girar la baldosa 90° con un girador después de los primeros rodillos y retomar la calibración; b) insertar un cabezal satélite de desbaste con movimiento transversal entre las estaciones de rodillo. La solución a) entraña mayores estorbos, a igualdad de las estaciones de calibración. Una máquina de calibración para producciones de 1200 m²/turno normalmente consiste en: - 3 rodillos diamantados de desbaste; - 1÷ 2 cabezales satélites con útiles diamantados; - 3 rodillos diamantados de acabado.

Figura 2a. Calibración con y sin rotación de las baldosas.

DESBASTE-RECTIFICACIÓN Sistema combinado de cabezales satélites o cabezales cónicos + cabezales tangenciales (figura 3). El objetivo del desbaste/rectificación es la eliminación de la rugosidad superficial introducida con la calibración.

Después de la calibración

Después del desbaste

Los cabezales de rectificación deben estar perpendiculares al plano de trabajo. En el caso de los útiles (de 5 a 7) de tipo satélite, estos son ligeramente basculantes para poder adaptarse a las superficies irregulares sin ejercer una excesiva presión sobre las piezas y no están completamente perpendiculares a estas, sino presentan inclinaciones de 0.5° ÷ 1° con respecto a la vertical y con iguales o diferentes ángulos sobre la horizontal; cada útil describe y produce, así, diferentes circunferencias concéntricas con respecto al eje vertical del cabezal sobre la baldosa, y tan solo una porción del útil está en su momento en contacto con la superficie a tratar, de modo de favorecer la limpieza continua del útil y evitar que este se empaste con el material eliminado. Para que el material se rectifique homogéneamente también en proximidad de los 286

Rectificación

Figura 2b. Calibradora con rodillos transversales.

Figura 3. Cabezales y máquina para la calibración, desbaste y rectificación.

bordes paralelos a la dirección de avance, es necesario que el plano de soporte o, mejor dicho, la traviesa superior portaútiles oscile en dirección transversal al movimiento. El desbaste-rectificación se suele efectuar en la primera sección de la máquina que realiza también el pulido. En el caso del uso de cabezales con útiles diamantados, las granas utilizadas en las primeras posiciones de desbaste son de malla 50/60, 60/80, 80/100. Cuando no se utilizan cabezales con útiles diamantados, sino cabezales con útiles abrasivos de SiC, se empieza también con granas de malla 46. En general, la fase de desbaste-rectificación finaliza con grana de malla 120, 150, 220. 287


Las velocidades de avance van de 5 a 10 m/min, en función de los materiales, de la eliminación del material, de los formatos y de la tipología de la línea. Una sección de desbaste-rectificación para producciones de 1200 m²/turno consiste normalmente en: - 2÷3 cabezales satélites; - 9÷10 cabezales tangenciales. PULIDO Se utilizan cabezales tangenciales. El objetivo del pulido es el refinado de espejo de la superficie sin rayas, sombras y señales de elaboración. Se obtiene con cabezales tangenciales completamente análogos a los empleados para el desbaste, pero con útiles más finos (granas de finura que inician a 400 y terminan con las superiores incluso de malla 1200 y útiles de pulido, constituidos de óxidos metálicos sinterizados). El pulido se efectúa normalmente en la segunda sección de la máquina que realiza también el desbaste-rectificación. También el pulido prevé que el plano de soporte o la traviesa superior portaútiles oscile en la dirección transversal al movimiento. Las velocidades de avance van de unos 6 ÷ 7 m/min. CUADRATURA-BISELADO Se trata de un sistema combinado de mandriles calibradores tangenciales, mandriles calibradores frontales (figura 4) y mandriles biseladores inclinados (figura 5) equipados de útiles diamantados.

Figura 4. Mandril tangencial y frontal.

288

Rectificación

Figura 5. Mandril de biselado inclinado.

Los mandriles tangenciales sirven para efectuar la calibración y para eliminar hasta 3÷4 mm por lado (6÷8 mm totales), mientras que los mandriles frontales sirven para igualar la rugosidad generada por los primeros; los mandriles biseladores sirven para eliminar el canto vivo en el lado de la cara vista de la baldosa y trabajan, sobre el gres porcelánico, con una inclinación de 45°. El sistema de cuadratura-biselado (figura 6) requiere la interposición de un girador entre dos series análogas de mandriles por la necesidad de trabajar sobre los 4 lados. La intensidad de la elaboración requiere un sistema de sujeción de las piezas con la DIMENSIONES DE LA GRANA DIAMANTADA ABRASIVA – (ANSI B74 • 16-1971) TAMIZ EE.UU FEPA

(35/40) no es un tamiz estándar ANSI

de paso

de paso

APERTURAS EN MICRÓMETROS

289

de paso


Figura 6. Máquina de cuadratura.

movimentación particularmente prudente, que se puede realizar con una doble serie de correas sobre (de empuje) y debajo (de tracción) de las piezas. El cumplimiento de las estrechas tolerancias de ortogonalidad de los ángulos y el paralelismo de los bordes requiere equipos de centrado eficientes. En las máquinas, el centrado se favorece mediante un dispositivo de empuje de velocidad superior a aquella de movimentación, situado en correspondencia con las ruedas centradoras. Las velocidades de avance llegan a 10-15 m/min. Una sección de cuadratura-biselado para producciones de 1200 m²/turno consiste normalmente, para cada lado de trabajo, en: - 2 muelas tangenciales con alta eliminación de material; - 2 muelas frontales de acabado; - 1 grupo de mandriles de biselado. Líneas de cuadratura del revestimiento cerámico esmaltado Las características principales son: • elevada eliminación de material lateral (incluso más de 1 cm por lado, es decir más de 2 cm total en toda la dimensión correspondiente); • cuadratura con tolerancias de 0.1 ÷ 0.2 mm sobre la diagonal; • perfecto acabado lateral (ausencia de desconchados de esmalte); • presencia de un biselado poco pronunciado y de ángulo ajustable; • elevada productividad (velocidad de avance de 22 a 24 m/min, con producciones superiores a 5000-5500 m² en 20 h); • versatilidad (posibilidad de variar el número y tipo de muelas). Inicialmente se han probado soluciones con útiles de corte, pero con escasos resultados; por consiguiente, se ha pasado a sistemas de cuadratura potenciados, aunque conceptualmente análogos a los utilizados para el gres porcelánico. Configuración tipo (por cada par de lados de trabajo): - 3 muelas tangenciales diamantadas con alta eliminación de material; - 1 muela frontal diamantada; - 1 muela frontal diamantada resinoide; - 1 muela de biselado, capaz de seguir las irregularidades de la superficie y orientable 290

Rectificación

para obtener un biselado poco pronunciado y casi horizontal, con vistas a no eliminar integralmente el esmalte, descubriendo el soporte. Líneas de pulido-satinado-semirrectificado de cerámica esmaltada y no esmaltada y de tercer fuego Estas máquinas están diseñadas para poder desarrollar, sobre formatos pequeños (10 × 30 cm) y medianos (60 × 60 cm), con producciones superiores a 600 m²/turno, las siguientes funciones. • PULIDO (de espejo) de los relieves presentes en los materiales esmaltados de tercer fuego. Se utilizan cabezales frontales individuales (no satélites) equipados con útiles de SiC o diamantados de diámetro 150 ÷ 180 mm. Para efectuar el pulido es necesario que aguas arriba estén presentes algunos platos diamantados para la calibración. • SEMIRRECTIFICADO: consiste en la rectificación ‘suave’, no de espejo, de superficies esmaltadas y no esmaltadas, incluso estructuradas: los cabezales frontales de SiC o diamantados son basculantes y se adaptan a la estructura superficial. • SATINADO-LAPEADO de gres porcelánico esmaltado y de materiales esmaltados no brillantes: la elaboración sirve para promover el brillo de la superficie a través de la reducción de la rugosidad superficial, sin llegar al acabado de espejo. Los cabezales frontales están dotados de cepillos de caucho semirrígido impregnados en SiC. Se trata de líneas diseñadas para ser muy flexibles en términos de tipo de elaboración y formatos elaborados, pero no pueden competir, en las elaboraciones completas, con la productividad de las líneas para el gres porcelánico. Las tareas para las cuales han sido diseñadas consisten en elaboraciones parciales (rectificación no de espejo o pulido de espejo no de campo completo), sobre formatos también medio-grandes (60 × 60 cm): su productividad es insuficiente para efectuar el pulido de campo completo de formatos incluso medios (30 × 30 cm). Anexo Con vistas a ejemplificar mejor los conceptos hasta ahora expuestos, a continuación se presenta un ejemplo tipo de una línea para la calibración-pulido-corte del gres porcelánico de grandes formatos (1200 × 1800 mm). Planta de producción de 800 m²/turno de formato 1200 × 1800 (producto cocido): - CALIBRACIÓN: • 3 rodillos diamantados de desbaste; • 2 cabezales satélites con útiles diamantados; • 3 rodillos diamantados de acabado. - DESBASTE-RECTIFICACIÓN-PULIDO: rectificadora de 18 cabezales con: • 2 ÷ 3 cabezales satélites; • 15 ÷ 16 cabezales tangenciales. 291


- CORTE LONGITUDINAL Y TRANSVERSAL: cortadoras completamente automáticas de múltiples discos para reducir las placas en formatos más pequeños (paneles/ encimeras de cocina/bancos de baño). - CUADRATURA (por cada lado de trabajo): • 2 muelas frontales (acabado); • 1 muela de biselado. - ELABORACIONES ESPECIALES: • Fresas de corte especial para reducir las placas pulidas en piezas especiales; Máquinas de contorneado de control numérico para la ejecución de los perfiles • de encimeras de cocina, bancos de baño, mesas, etc. Depuración y reutilización de las aguas Problemas y perspectivas de recuperación y aprovechamiento de los fangos de rectificación del gres porcelánico La cantidad de fangos de rectificación del gres porcelánico es muy elevada. La producción en el año 2000 en todo el territorio nacional italiano ha sido valorada en aproximadamente 70,000 toneladas y estas cifras son destinadas a aumentar en paralelo con el creciente éxito nacional e internacional del producto. Actualmente, los fangos de rectificación del gres porcelánico se almacenan provisionalmente dentro de las empresas, en espera de un uso/tratamiento todavía pendiente de desarrollar, o se entregan a terceros para su eliminación en vertederos controlados. Estas soluciones son inaceptables, no sólo del punto de vista ambiental, sino también económico, teniendo en cuenta la notable calidad de este material, constituido principalmente de polvo de gres porcelánico. A la luz de la nueva normativa italiana en materia de residuos (Decreto Ronchi 22/97 y las siguientes modificaciones e integraciones), el sistema productivo cerámico tendrá que adaptarse, para poder cumplir los objetivos principales que se definen para la prevención y reducción de la cantidad y la peligrosidad de los residuos generados, a realizar mediante tecnologías limpias, instrumentos económicos y de certificación ambiental, y productos compatibles con el ambiente, y para la contención de los vertidos que deben llevarse a cabo en condiciones de máxima seguridad. Los fangos de rectificación Los procesos de rectificación se desarrollan en húmedo, generando cantidades muy elevadas de suspensiones acuosas (por ejemplo, la demanda hídrica de una línea de 70 m2 /hora y formato de 60 × 60 cm es de 1800 l/min). Las aguas a reciclar se depuran en una instalación de clarificación-floculación, con vistas a disminuir el problema de la demanda hídrica, sin extraer el agua constantemente del ambiente circunstante, y sin tener que verterla en el ambiente mismo después de la rectificación, utilizando un sistema de ciclo cerrado. La planta se puede considerar compuesta por dos partes principales: una relativa a la depuración de las aguas a reciclar (cla292

Rectificación

rificadora) y otra relativa al tratamiento y deshidratación de los fangos (filtro prensa). La clarificación se basa en el principio de la sedimentación de las partículas suspendidas en el agua, acelerada por coagulantes químicos (cloruro férrico y de aluminio) que fomentan la aglomeración de las partículas y agentes floculantes (polielectrólitos orgánicos) que favorecen el acrecentamiento de los agregados, formando copos o flóculos de dimensiones tales a asegurar la sedimentación. Una vez sedimentados, los fangos se someten a filtroprensado, reduciendo el grado de humedad hasta un 40% aproximadamente y a continuación se secan. Los fangos de rectificación son el resultado de la operación de eliminación en húmedo de la parte superficial de la baldosa de gres porcelánico, ejecutada con elementos abrasivos a base de carburo de silicio (muelas). Los restos generados se componen de polvo procedente del gres (cuarzo, mullita, silicato de circonio cuando que se encuentra presente como blanqueador, y calcita, carburo de silicio y óxidos alcalinotérreos procedentes de las muelas abrasivas) y agua de lavado. El material presenta una consistencia de lodo y la cantidad que se forma es de aproximadamente 2-3 kg de fangos/m2 de gres rectificado. Ya que su composición no es peligrosa del punto de vista ambiental, los fangos se consideran como un residuo inerte especial. El análisis químico medio de los fangos de rectificación detallado en la tabla 1 refleja una composición parecida al material de origen, en particular por el alto contenido de alúmina y sílice. Los altos porcentajes de óxidos de calcio y magnesio procedentes del ligante de las muelas utilizadas para la rectificación acompañan el alto porcentaje de carbono (determinado por análisis elemental), indicando la presencia de SiC. La pérdida por calcinación presenta un valor elevado a causa de la descomposición de los hidróxidos y derivados hidratados de los metales bivalentes. El análisis difractométrico por rayos X realizado sobre el material ha permitido determinar las principales fases cristalinas. Algunas de ellas son representativas de los

(% en peso)

ÓXIDOS

PPC Tabla 1. Composición química de los fangos de rectificación.

293


materiales utilizados en la pasta de gres porcelánico: son particularmente evidentes los picos debidos al cuarzo (SiO2), silicato de circonio (ZrSiO4) y mullita (3Al2O3.2SiO2). Se encuentran también presentes de modo evidente otras fases cristalinas como el carburo de silicio (SiC), calcita (CaCO3) y compuestos solubles de magnesio como el oxicloruro de magnesio (MgOHCl) y la periclasa (MgO), atribuibles al ligante de las muelas abrasivas. El análisis mineralógico de los abrasivos presentado en la tabla 2 muestra la presencia de compuestos atribuibles a la fase ligante: magnesita (MgCO3), sulfato de magnesio (MgSO4), cloruro de magnesio (MgCl2) y a la fase abrasiva: carburo de silicio (SiC) y pómez. COMPONENTES

pómez Tabla 2. Análisis mineralógico de los abrasivos estudiados.

Un análisis realizado sobre las muelas abrasivas de grana diferente ha permitido establecer que existe una correspondencia entre la granulometría y el contenido de cloruros presentes en el ligante. En efecto, el porcentaje de cloruros presente resulta inversamente proporcional a la granulometría de los gránulos de carburo de silicio presentes en ellos, como se puede observar en la tabla 3. g de Cl/kg de muela

Tabla 3. Valores de los cloruros presentes en las muelas abrasivas en función de la grana.

Problemas asociados al uso Los fangos de rectificación del gres porcelánico no pueden ser utilizados en el ciclo productivo porque provocan una serie de efectos indeseables, que incluyen: 1) aumento de la viscosidad aparente y tixotropía de las barbotinas en la fase de molienda en húmedo por acción de las sales solubles (principalmente cloruros); 2) aumento de la fundencia y deformación en la fase de cocción por la presencia de compuestos de calcio y magnesio derivados del ligante (cemento magnésico) de las muelas; 3) elevada porosidad de las 294

Rectificación

piezas debida al notable desarrollo de gas a temperaturas alrededor de 1100-1150 °C por la descomposición del carburo de silicio; 4) emisión de los compuestos volátiles de cloro en la fase de cocción. En particular, la presencia de cloruros volátiles dentro de los fangos, si se incorporan en las pastas, podría comportar problemas de corrosión por la emisión de los gases durante la fase de cocción en los hornos de rodillos industriales. En el laboratorio se ha medido la pérdida gravimétrica a través del análisis termogravimétrica (ATG) de las muestras sometidas a un ciclo térmico entre 20 y 1200 °C; en ello se ha comprobado una reducción importante en el intervalo entre 600 y 800 °C, atribuible a la volatilización de los compuestos de cloro y los carbonatos. Una confirmación de este fenómeno ha venido del análisis químico realizado térmicamente sobre unas muestras tratadas a diferentes temperaturas, midiendo la proporción de cloruros restantes. Como se puede observar en la tabla 4, a partir de 600 °C se produce una reducción importante en la proporción de cloruros (74%), confirmando la liberación indicada por el análisis termogravimétrico.

Tabla 4. Valores de cloro presentes en los fangos de diferentes temperaturas.

Por lo tanto, se puede concluir que no es posible simplemente introducir los fangos de rectificación en proporciones significativas (>5%) en la composición de las pastas cerámicas. Para evitar los problemas asociados al comportamiento reológico de las barbotinas, es posible utilizar procesos de conformación mediante extrusión, evitando la fase de molienda en húmedo de las materias primas; para prevenir los problemas relacionados con el proceso de cocción, podría ser posible aprovechar los fangos en materiales cerámicos esmaltados y no esmaltados, que fueron sin embargo sumamente porosos, para poder consolidarse a temperaturas inferiores a la temperatura de combustión del carburo de silicio. Verificada la causa del problema en la composición química de las muelas de rectificación, se podría proponer, además, el estudio de la revisión del tipo de ligante utilizado, favoreciendo el uso de ligantes de bajo contenido de oxicloruro de magnesio. En el caso de no poder cambiar la tipología de las muelas abrasivas, se podría evaluar la posibilidad de la separación del material procedente de la primera fase del tratamiento 295


superficial (muelas diamantadas) sin carburo de silicio y compuestos de magnesio, de modo de reducir los volúmenes en juego. Estudios alternativos prevén la recuperación, encaminando estos residuos al ciclo productivo de materiales refractarios para bajas temperaturas. La investigación ha sido, por lo tanto, orientada hacia la posibilidad de recuperar estos fangos inertes a través de tratamientos térmicos, para la obtención de nuevos materiales de elevada porosidad con propiedades aislantes.

296

El impacto ambiental de la industria cerámica

Anexo 1 EL IMPACTO AMBIENTAL DE LA INDUSTRIA CERÁMICA

Como todas las industrias de proceso y transformación, la industria cerámica ejerce una inevitable influencia sobre el ambiente que la rodea, ya que interacciona con ello con flujos energéticos y materiales. En otras palabras, una empresa de fabricación cerámica constituye un sistema abierto, que del ambiente pide: - materias primas; - agua; - combustibles; - energía eléctrica; y al ambiente devuelve: - productos acabados; - emisiones gaseosas; - residuos sólidos y fangos de fabricación y/o de depuración; - aguas recicladas; - energía térmica; - ondas sonoras. En la práctica, el balance de materiales y energía generado por una fábrica de baldosas cerámicas podría representarse de forma simplificada como en la figura 1. Es conveniente destacar que el potencial contaminante de la industria cerámica es inferior al de otros sectores industriales, sobre todo por el hecho que una fracción relevante de los contaminantes, especialmente los atmosféricos generados en forma de particulado sólido, puede ser eliminada con buenas eficiencias y costes relativamente contenidos, y que la actual práctica común ya prevé la reutilización de una amplia parte de las bajas de elaboración y de los fangos de depuración, y el reciclado de las aguas de proceso. La fabricación cerámica permite, en efecto, gracias a las transformaciones que se desarrollan en la fase de cocción, la inertización de los residuos sólidos y fangos. Sin embargo, el problema no debe ser subestimado, en particular en los casos donde el desarrollo industrial lleve a una maciza concentración de asentamientos productivos en una determinada área, ya que en estas condiciones, no está garantizada la eficaz dispersión de los contaminantes, condición indispensable para una parcial autodepuración del ambiente. En Italia, el ejemplo del distrito industrial de Sassuolo ha permitido adquirir una notable experiencia con respecto al problema de la contaminación asociada a la fabricación de baldosas cerámicas y de intervenir al respecto con creciente eficacia. Los resultados obtenidos en la reducción de la carga contaminante del sector, fruto de las sinergias puestas en marcha gracias a la dedicación de las estructuras sanitarias de prevención y a la concienciación de los empresarios, son evidentes: en los últimos quince 297

Tecnología cerámica aplicada RUIDO

Emisiones gaseosas

Depuración

Materias primas y reactivos PROCESO PRODUCTIVO de las BALDOSAS CERÁMICAS

Agua

Energía

Producto acabado

• Combustible • Eléctrica

Depuración

Bajas/residuos de fabricación

Vertidos/residuos de depuración

Aguas de vertido

Figura 1. Balance de materiales y energía para una fábrica de baldosas (fuente: “Piastrelle Ceramiche & Ambiente” – EdiCer 1995).

años la concentración atmosférica de polvo en las áreas productivas se ha reducido a un cuarto, aquel de plomo a un vigésimo. Gran parte del mérito debe ser atribuido a la innovación tecnológica: en este sentido, cabe destacar la conspicua difusión de la cocción con ciclo rápido en horno de rodillos, que ha permitido reducir la emisión de los compuestos fluorados asociados a la cocción de materiales arcillosos o a la reformulación de los esmaltes a consecuencia de esta revolución en la metodología de cocción, lo que ha llevado a una reducción del contenido de plomo en las fritas. La participación de las empresas de plantas, equipos y maquinaria y los fabricantes de colores en este proceso forma parte de una subdivisión natural de competencias y responsabilidades, que permite el logro de metas ambiciosas en el campo de la ecología y de la tutela de los trabajadores. 298


Las posibles intervenciones se articulan a diferentes niveles, aguas arriba y aguas abajo de la fase productiva que genera la carga contaminante. Aguas arriba, actuando de modo para favorecer: - el uso de materiales de menor riesgo ambiental (por ejemplo reduciendo el contenido de boro y de los elementos nocivos en los esmaltes); - el uso racional de combustibles de alto rendimiento de combustión y bajo contenido de azufre; - la difusión de soluciones ingenieriles que permitan una racionalización del consumo energético (como las instalaciones de cogeneración para la producción mixta de energía térmica y eléctrica); - la adopción de tecnologías oportunas (como el transporte del polvo con equipos de confinación que evitan la dispersión de las mismas); - la gestión responsable de los procedimientos relacionados con las fases de mayor impacto ambiental (por ejemplo el lavado de los molinos y de las líneas de esmaltado); - el frecuente control de la eficacia del proceso, sobre todo por lo que se refiere a las principales máquinas térmicas (hornos, secaderos, secaderos por pulverización), y mediante el uso de instrumentos informáticos para la supervisión de los parámetros de funcionamiento de las diferentes secciones. A valle del proceso, las estrategias de éxito son: - la realización de eficaces estructuras de captación y eliminación de los contaminantes en las instalaciones de depuración; - la integración de las mejores tecnologías de depuración, compatibles con los costes, en el diseño del proceso y de la planta; - el estudio de las soluciones más eficaces para la dispersión en el ambiente de las emisiones depuradas. El instrumento de control de mayor validez sigue siendo, en todo caso, la monitorización y el registro del desarrollo en el tiempo de los principales parámetros indicadores: - factores de emisión de los diferentes contaminantes por unidad de producto aguas arriba y aguas abajo de las instalaciones depuradoras; - concentración de los contaminantes en las corrientes de emisión; - rendimiento de las instalaciones de depuración. Hay que señalar que un planteamiento serio no puede limitarse a los contaminantes específicos del proceso (principalmente polvo, flúor, plomo y boro), sino que debe extenderse también a una correcta gestión de las cuestiones de relevancia mundial (recursos energéticos, gases de efecto sierra ligados a los procesos de combustión...). Finalmente, no se puede y no se debe subestimar la ventaja competitiva que las empresas más atentas a estas temáticas puedan adquirir en términos de imagen y, por lo tanto, de fuerza promocional, especialmente en los mercados en rápido crecimiento, donde la conciencia de los consumidores y su percepción de la calidad se desarrollan a diario.

299


Los contaminantes en las materias primas del soporte SÍLICE: todo el ambiente de trabajo cerámico lo contiene, ya que gran parte de las materias primas utilizadas son ricas principalmente en SiO2: del punto de vista toxicológico, si se inhala la sílice en la fracción granulométrica correspondiente, puede dar lugar a enfermedades crónicas (silicosis). FLÚOR: se encuentra en porcentajes del orden de: 0.0002÷0.042% en el cuarzo y los feldespatos, hasta 0.3% en las arcillas (0.05÷0.17% en Italia), además de 2% en los materiales micáceos como F- (vicariante de OH-, que posee dimensiones similares, en el retículo arcilloso), F2, HF, H2SiF6, SiF4 (reacción con SiO2 del retículo destruido) y/o fluoruros alcalinos como particulado. AZUFRE: en forma de sulfuros minerales, tipo pirita FeS2 (disociación a partir de 300 °C) y sulfatos - SO42-, que se disocian por encima de 800 °C. ARSÉNICO: 2÷15 mg/kg (ppm) en las pastas de gres porcelánico, hasta 100÷150 mg/kg en los pigmentos para la barbotina. CLORO: en las aguas y en las arcillas. SUSTANCIAS ORGÁNICAS: a base de C, H y también sustancias nitrogenadas, en las arcillas (residuos vegetales, ácidos húmicos…). ADITIVOS ORGÁNICOS: utilizados para la corrección reológica, en la preparación de las pastas (acrilatos, etc.). Los contaminantes en los esmaltes FRITAS: Pb, B, As (50÷600 ppm y en algunos minerales metales cromóforos insolubilizados). ESMALTES y PIGMENTOS: varios elementos tóxico-nocivos: sales de níquel, cadmio, cromo VI, cobalto, etc. SUSTANCIAS ORGÁNICAS: fijadores y fluidificantes, resinas vinílicas, CMC,... vehículos serigráficos: disolventes (glicoles y poliglicoles etilénicos y propilénicos); espesantes (ceras, glicerolado de almidón, otros almidones); fluidificantes (poliacrilatos); fijadores: (CMC, alcohol polivinílico, almidones).

300


Los contaminantes en las emisiones gaseosas Pueden ser de diferente naturaleza, en función obviamente de las materias primas utilizadas en la pasta y el esmalte, pero también de los combustibles empleados, del tipo de secadero y horno, de la velocidad de tratamiento. La figura 2 trata de resumir su naturaleza (PV = polvo). La mayor parte de las emisiones está asociada al proceso de cocción, donde se puede producir la dispersión en forma de partículas sólidas arrastradas por los gases (humos) de gran parte de las sustancias enumeradas anteriormente, además de la evaporación directa de las sustancias más bajo-fundentes y la gran emisión de los principales productos gaseosos de la combustión, es decir, los óxidos de nitrógeno y los óxidos de carbono. En particular, si el combustible es gas natural, el factor de emisión de CO2, con relación a 1 kcal producida en un horno, debe considerarse igual a 0.23 g/kcal. Si el combustible contiene también pequeñas cantidades de azufre, se convierte en relevante también la emisión de los óxidos de azufre. Además de estos, de particular importancia, son:

Fase/Emisión

Operaciones principales/emisiones Molienda en seco

Prep. materias primas soporte

Molienda en húmedo Secado por pulverización (atomización)

Baldosas cerámicas

Conformación (prensado) Secado Molienda esmaltes Prep. esmaltes y esmaltado

Esmaltado Soplado baldosas esmaltadas Gres porcelánico Bizcocho

Cocción

Esmalte Monococción

Biselado Rectificación

Figura 2. Contaminantes en las emisiones gaseosas (fuente: “Piastrelle Ceramiche & Ambiente” – EdiCer 1995).

301


COMPUESTOS DE BORO El ácido bórico (H3BO3) presente en las fritas se evapora en la cocción. Los compuestos de boro pueden formar incrustaciones en las chimeneas. COMPUESTOS DE ARSÉNICO Presentes en pequeñas cantidades en los humos; en el caso de depuración con filtros de manga se acumulan en el reactivo sólido a eliminar y pueden superar el límite legal para los residuos (según la normativa italiana, los residuos de depuración pueden pasar desde residuos especiales a residuos tóxicos y nocivos, con notable agravio de los gastos de eliminación). COMPUESTOS DE AMONIO Se generan en la cocción a partir de sustancias orgánicas nitrogenadas e incluyen también los NOx que se originan en la cocción. Algunos (p. ej. NH4CI) puede condensar, depositándose en las chimeneas. COMPUESTOS DE CLORO Principalmente cloruros que se desprenden en la cocción a partir de la descomposición de los compuestos de cloro contenidos en las materias primas (sobre todo las arcillas). SUSTANCIAS ORGÁNICAS Se trata de los aldehídos, benceno, xilenos, dioxanos, nitroderivados, alcoholes, quetones, ésteres. La presencia en los humos de sustancias orgánicas, introducidas principalmente en el esmaltado, está ligada al funcionamiento en contracorriente de los hornos. Las sustancias orgánicas se evaporan en el precalentamiento (con el desarrollo eventualmente de craqueo), mezclándose con los humos sin alcanzar las condiciones térmicas para la combustión. Pueden tener un efecto cancerígeno (aromáticos) o, más a menudo, un efecto olorígeno de bajo umbral de percepción. Contaminación atmosférica Como hemos visto, las sustancias que se puedan introducir en la atmósfera son de naturaleza muy distinta y se pueden encontrar, sobre todo, en cantidades muy variables; su importancia, en función de los criterios de peligrosidad para el ambiente y, por lo tanto, de la necesidad de medios de prevención y depuración, deben correlacionarse estrechamente también con su toxicidad. Para poder evaluar adecuadamente el impacto de estas emisiones sobre el territorio que rodea la Fábrica y el cumplimiento de la normativa, se requiere por lo tanto un planteamiento técnico riguroso, que no se limita a la simple detección del posible contaminante, sino que define: 1. El caudal específico de las chimeneas (Nm3/kg de producto); 2. La temperatura (para las emisiones calientes); 3. Para cada uno de los contaminantes: FLUJO MÁSICO = masa de contaminante emitida por unidad de tiempo (g/h); FACTOR de EMISIÓN (FE) de un contaminante genérico, siendo la masa de contaminante emitida por unidad de producto (kg). Esto se obtiene a partir de la relación entre el flujo másico del contaminante en g/h y la producción por hora (kg/h). 302


Se distinguen: FEM = Factor de emisión medio aguas arriba de la instalación de depuración (g/kg de producto); FEV = Factor de emisión medio aguas abajo de la instalación depuradora (g/kg de producto); i = Eficacia % de depuración de la instalación depuradora; c = Concentración del contaminante en la emisión depurada (mg/Nm3). Los límites de emisión de los principales contaminantes que se puedan encontrar en las emisiones gaseosas están sometidos a una cuantificación tabulable, que considera sus características de toxicidad, a la vez que limitaciones variables de Provincia a Provincia por lo que se refiere a otras formas de perjuicio e impacto sobre el territorio. La referencia de la normativa italiana prevé los siguientes límites: Emisión

Concentración máxima después de la depuración (mg/Nm3) Polvo

Molienda-Prensado Atomización Esmaltado Cocción Hornos de fusión CLASIFICACIÓN

CONTAMINANTE

FLUJO MÁSICO

Sustancias cancerígenas, teratógenas y/o mutágenas Acrilonitrilo

Sustancias inorgánicas presentes principalmente en forma de polvo

Sustancias inorgánicas presentes en forma de gases o vapores

Sustancias orgánicas

Acetaldehído Formaldehído Acroleína Propionaldehído Alcohol metílico Acetona

Polvos totales Los límites detallados representan los valores mínimos: el valor máximo es igual al doble del valor presentado. Para las sustancias cancerígenas etc., los límites indicados representan, de forma correspondiente, los valores mínimos y máximos.

303


Prevención y Depuración Obviamente, la primera operación a efectuar para una correcta prevención de la emisión a la atmósfera del polvo y de los efluentes gaseosos es una cuidadosa clasificación de las materias primas y de las instalaciones, teniendo presente el objetivo de minimizar el riesgo ambiental, contener la dispersión de contaminantes y optimizar los caudales gaseosos de los sistemas de aspiración, de forma compatible con la exigencia de saneamiento del ambiente de trabajo y optimización de los consumos energéticos. Las instalaciones, en efecto, deben contar con sistemas de transporte y trasiego cerrados, sistemas de aspiración conectados a las diferentes máquinas, diseñados y realizados tal de minimizar la cantidad de polvo; los hornos deben estar diseñados de modo de reducir al mínimo el consumo de combustible, minimizando las emisiones de los productos de combustión y, si fuera necesario, estar dotados de sistemas de recuperación y combustión de los vapores emitidos en el precalentamiento, etc. Todo esto no es fácil de conseguir en un régimen de producción industrial competitiva, por lo que hay que recurrir, necesariamente, a las instalaciones de depuración. Para la depuración de las emisiones gaseosas, las instalaciones correspondientes se diseñan en función de: - Eliminación del polvo; - Depuración de los humos; - Eliminación de las sustancias orgánicas producidas por la combustión. Aunque va más allá los objetivos del presente tomo una descripción específica de las máquinas necesarias para estos objetivos, puede ser conveniente resumir las principales características en las que se basan; para la eliminación del polvo, por ejemplo, se pueden utilizar las siguientes instalaciones: Eliminación del polvo INSTALACIÓN Ciclones Separadores Venturi Equipos electrostáticos Filtros con tela

FUNCIONAMIENTO Aglomeración por turbulencia Aglomeración por turbulencia Aglomeración Separación

ELIMINACIÓN Fuerza centrífuga Impacto inercial y difusión Atracción electrostática Impacto inercial + interceptación

Filtración con tela Representa uno de los principales métodos aplicados en la cerámica, dado la extensa gama de soluciones posibles, que permite también su uso a temperaturas suficientemente elevadas. Un parámetro de indudable importancia, en estos casos, es la pérdida de carga del flujo de vapores filtrados, que es una función creciente de la resistencia opuesta por el medio filtrante al paso de la corriente gaseosa. En cada instante, esta se obtiene a partir de la suma de dos aportaciones: la resistencia del tejido, que representa una contribución constante en el tiempo y la resistencia de la capa de polvo poco a poco depositada que, con 304


vistas a obtener un funcionamiento regular del filtro mismo, debe ser eliminada periódicamente de las paredes filtrantes, por medio de adecuados equipos de sacudida mecánica, inversión de flujo, aire comprimido etc. En la tabla a continuación se presenta un cuadro de los valores típicos de dimensionado y funcionamiento de los filtros de tela, llamados filtros de mangas: Parámetro de dimensionado

Unidad de medida

Valores típicos

m/min

0.8 ÷ 1.2

m/s

0.01 ÷ 0.02

m/min

1.8 ÷ 2.4

Velocidad de filtración

Pérdida de carga

m/s

0.03 ÷ 0.04

Kpa

1.5 ÷ 3.8

mmH2O

150 ÷ 300

Depuración de los humos Esta categoría comprende las instalaciones de depuración capaces de purificar la emisión gaseosa industrial de los contaminantes gaseosos (p. ej. flúor) y de los contaminantes particulados (p. ej. plomo, polvo). Estos últimos son tratados de acuerdo con los principios indicados anteriormente para la eliminación del polvo; los contaminantes gaseosos, generalmente, se tratan en instalaciones que aseguran, en seco o en húmedo, su absorción en una matriz activa (también la simple agua). El reactor de contacto puede estar diseñado como una torre de nebulización, una instalación dinámica tipo Venturi, una columna de platos o de cuerpos de llenado, donde se realiza un lavado de los humos de salida por la chimenea con agua, a menudo aditivada con los oportunos reactivos químicos de absorción, teniendo cuidado de tener una superficie de intercambio la más elevada posible, y de evitar el arrastre de aerosoles o particulado líquido en la salida de la unidad depuradora misma. En los sistemas en seco, de forma idéntica, el gas a expulsar por la chimenea se obliga a circular entre las partículas, convenientemente calibradas, de un adsorbente químico apropiado, o por estructuras de alta superficie de contacto (nidos de abeja o similares) y de alta reactividad con el contaminante gaseoso. Un típico ejemplo de este procedimiento es la captación de flúor por los adsorbentes secos o húmedos a base de cal o caliza dosificada en gran exceso (por lo menos 3:1) con respecto al contaminante. 2HF + Ca(OH)2 → CaF2 + 2 H2O 2HF + CaCO3 → CaF2 + H2O + CO2 El problema principal de estos métodos de depuración, en húmedo o en seco, está en

305


la difícil gestión de los productos de reacción, cales o calizas enriquecidas de fluoruro de calcio, que son difícilmente reciclables en las pastas cerámicas, a causa de la acción reológica que desarrollan y la presencia de carbonato de calcio, que altera las características de fundencia de la pasta. Eliminación de las sustancias orgánicas Como ya hemos visto, especialmente en la fabricación de baldosas esmaltadas, es fácil que entre en el horno una cantidad considerable de sustancias orgánicas; en efecto, aparte de aquellas eventualmente contenidas en las materias primas de partida, que se suelen intentar limitar lo más posible a través de una cuidadosa selección de los materiales para evitar los problemas de “corazón negro”, son muchas las sustancias orgánicas que se incorporan durante la elaboración, p. ej. como los aditivos reológicos durante la molienda, y como los vehículos, espesantes, fijadores, etc., para la decoración serigráfica. Durante el tratamiento térmico dentro del horno, todas estas materias primas estarán sometidas a reacciones más o menos complejas, que van desde la simple evaporación, pasando por la disociación oxidante, hasta la pirólisis más o menos compleja, en función de la complejidad de la cadena polimérica constituida por las moléculas presentes. En definitiva, se puede afirmar sin más, que la presencia de una sustancia a base de carbono prácticamente nunca da lugar a la simple reacción de combustión: CH4 +2 O2 → CO2 + 2H2O a causa gradientesdedecalentamiento calentamientoextreextreel proceso combustión, sinosino queque el proceso de de combustión, a causa dedeloslosgradientes madamente veloces que se alcanzan en los hornos cerámicos, forma una serie de compuestos orgánicos de diferente naturaleza, los cuales, por su toxicidad o por el hecho que poseen olores desagradables con umbrales de registro olfativo muy bajos, deben ser captados o eliminados. Normalmente, la captación se puede realizar mediante instalaciones de lecho fijo o lecho fluido, por medio de carbón adsorbente, conocido como carbón activo, o por soluciones acuosas de reactivos químicos adecuados, en las “scrubbers” (depuradoras en húmedo) donde, en contracorriente, los vapores a depurar encuentran una superficie de agua en movimiento. Estos sistemas de absorción presentan niveles de prestación reducidos y una gestión demasiado compleja para poder ser utilizados eficazmente por la industria cerámica. Un método ciertamente mucho más eficaz para la eliminación de los contaminantes orgánicos, pero de gran complejidad del punto de vista de la ingeniería industrial, dado el elevado caudal de humos y elevado coste, es la postcombustión. Dicho procedimiento prevé la captación de los humos a tratar, o al menos una parte de ellos, y un tratamiento térmico a elevada temperatura, tal de provocar la completa combustión de cualquiera sustancia orgánica presente. Casi siempre es posible recuperar una parte de la energía térmica utilizada, dirigiéndola a otras aplicaciones. Sin embargo la eficacia de la eliminación no es total, pero, dependiendo del tipo de sustancia orgánica y la instalación, alcanza valores de aproximadamente 85 ÷ 95%, sin garantizar, por ejem306


plo, la completa destrucción de las sustancias odorígenas, que pueden ejercer también su acción con presencias de partes por mil millones (ppb) o menos. En general, donde el problema de los contaminantes orgánicos está muy extendido (p. ej. el ladrillo “aligerado” con poliestireno o serrín de madera), se intenta conseguir la reducción de la carga contaminante en los humos a través de un cuidadoso diseño de los hornos de cocción, donde los vapores emitidos en el precalentamiento, entre 400 y 600 °C, se recuperan parcialmente y se transportan a la zona de cocción, donde pirolizan completamente. Contaminación hídrica Como es lógico, en el conjunto de la fabricación de baldosas cerámicas: a) las fases tecnológicas de mayor importancia con relación a los consumos hídricos son las de la preparación en húmedo de las materias primas para el soporte, y la preparación y aplicación de los esmaltes; b) las emisiones de las aguas a reciclar se producen casi exclusivamente en las fases de preparación y aplicación de los esmaltes. Tanto la composición que el caudal de estas emisiones hídricas son extremadamente variables, en función de la cantidad y tipo de producción, de los esmaltes utilizados y de los sistemas de aplicación, además de otras situaciones no siempre fácilmente cuantificables (organización productiva, planimetría de las secciones, manualidad del lavado, etc.). Por este motivo, no es posible establecer correlaciones de ningún sentido entre los consumos hídricos específicos y la tipología y/o potencialidad productiva. Sin embargo, lo que más influye en el balance de las aguas es la tecnología productiva, y en particular el proceso adoptado para la molienda de las materias primas del soporte. El esquema a continuación muestra, para un ciclo productivo genérico, la posible distribución del agua: balance hídrico (figura 3). Por otra parte, en la figura 4 se puede observar, con más detalle, la utilización del agua en una fábrica cerámica. Se observa, en todo caso, cómo las aguas a reciclar derivan, sustancial y cuantitativamente, de las operaciones de preparación de los esmaltes y del esmaltado, ya estando prevista y generalmente implantada la recirculación integral de las aguas de lavado de los molinos para la molienda en húmedo de las materias primas del soporte (del secadero por pulverización), además del agua de enfriamiento de las prensas. La comparación entre los caudales de aguas depuradas y la demanda hídrica, en todos los ciclos tecnológicos considerados, muestra claramente el interés económico y ecológico de la recirculación. La recirculación integral reduce la demanda hídrica en 86% en el caso de la bicocción y en 48% en el caso de la monococción. Por cuanto se refiere a esta última tecnología, en efecto, casi todas las empresas practican la recirculación en cuestión, utilizando el agua, incluso aunque parcialmente depurada, para la molienda de las materias primas del soporte. En el caso de la bicocción con molienda en seco, la recirculación se produce a favor de las contribuciones hídricas para la humectación de la materia y, sobre todo, para el lavado 307


de las líneas de esmaltado. En este caso, sin embargo, el porcentaje de las empresas que recurren a la recirculación integral es inferior. Está claro, entonces, que para poder verter eventualmente a las aguas recicladas en las aguas superficiales alrededor de la fábrica, así como para reutilizar las aguas procedentes de las diferentes fases del proceso productivo dentro del mismo ciclo productivo, es necesario someter los vertidos hídricos a tratamientos de depuración. La observación de los parámetros que determinan la aceptabilidad de un vertido (la concentración máxima en el efluente), tabla 1, permite obtener un cuadro de los contenidos contaminantes a reducir con los oportunos tratamientos.

Efluente gaseoso Demanda hídrica Material de entrada

Agua Fase productiva Material de salida

Aguas recicladas

LEYENDA Los símbolos W representan los caudales específicos, en m3/1000 m2 de baldosas elaboradas en la fase, respectivamente de: WT: demanda hídrica, agua utilizada en la materia prima, así como fluido de proceso. WMI: agua introducida, contenida en el material de entrada. WG: agua formada por reacciones químicas durante la elaboración. Wv: agua emitida como vapor en los efluentes gaseosos o dispersa como vapor en el ambiente de trabajo. WMu: agua emitida, contenida en el material de salida. Ws: aguas recicladas

Agua formada

Balance hídrico de la fase:

Figura 3. Esquema general del balance hídrico para una fase productiva genérica del ciclo de fabricación de baldosas cerámicas y productos para esmaltes (fuente: “Piastrelle Ceramiche & Ambiente” – EdiCer 1995).

308


Prod.

Fase

Operaciones principales

Agua utilizada con función de:

Agua emitida como:

Materia prima

Vapor en los efluentes gaseosos

Fluido de proceso

Aguas recicladas

Molienda en seco Humectación Prep. materias primas soporte

Molienda en húmedo Secado por pulverización (atomización)

Baldosas cerámicas

Conformación (prensado) Secado Molienda esmaltes Prep. esmaltes y esmaltado

Esmaltado Soplado baldosas esmaltadas Gres porcelánico

Cocción

Bizcocho Esmalte Monococción

Productos para esmaltes (fabricante de colores)


Prod. fritas Molienda óxidos Prod. colorantes y compuestos

Secado por pulverización (atomización)

Figura 4. Uso y reciclado hídrico en la fabricación de baldosas cerámicas (L = lavado; R = enfriamiento - fuente: “Piastrelle Ceramiche & Ambiente” – EdiCer 1995).

309


Tipo

Parámetros químico-físicos

Sustancias sólidas en dispersión

Parámetro/elemento

En el alcantarillado

pH

5,5 - 9,5

5,5 - 9,5

Materiales gruesos

Ausentes

Ausentes

Materiales sedimentables (ml/l)

0,5

2

Materiales totales en suspensión (mg/l)

80

80-200 <40% del valor aguas arriba de la planta

Aluminio, como Al (mg/l)

1

2

Boro, como B (mg/l)

2

4

0,02

0,02

Cadmio, como Cd (mg/l)

Metales y no metales en solución y suspensión

En aguas superficiales

Cromo III, como Cr (mg/l)

2

4

Cromo VI, como Cr (mg/l)

0,2

0,2

Ferro, como Fe (mg/l)

2

4

Manganeso, como Mn (mg/l)

2

4

Níquel, como Ni (mg/l)

2

4

Plomo, como Pb (mg/l)

0,2

0,3

Cobre, como Cu (mg/l)

0,1

0,4

Selenio, como Se (mg/l)

0,03

0,03

Estaño, como Sn (mg/l)

10

Cinc, como Zn (mg/l)

0,5

1

Fluoruros en disolución, como F (mg/l)

6

12

Cloruros en disolución, como Cl- (mg/l)

1200

1200

Sulfatos en disolución, como SO4- (mg/l)

1000

1000

DBO5 (mg/l)

40


DQO (mg/l)

160


-

Sustancias orgánicas

Tabla 1. Parámetros que determinan la aceptabilidad de un vertido (concentración máxima en el efluente).

310


Depuración En la figura 5 se puede observar el esquema de una planta de depuración tipo. El principio de funcionamiento está basado en el tratamiento químico-físico del efluente, por la acción de los reactivos alcalinos (normalmente sosa en solución acuosa), de los floculantes inorgánicos (en la mayoría de los casos FeCl3, AlCl3 o Al2(SO4)3) y de los coagulantes orgánicos, polielectrólitos aniónicos de alto peso molecular. En las balsas de sedimentación se produce una primera clarificación, en función de las dimensiones y la densidad de las partículas. Dimensión de las partículas

Tipo

1 cm 1 mm 0,5 mm 40 μm 10 μm 1 μm 0,1 μm 0,01 μm

Grava

Velocidad de sedimentación (m/s)

Tiempo de sedimentación para una caída de 1 m

1 1 . 10–1 5,3 . 10–2 2,1 . 10–3 1,5 . 10–4 1,5 . 10–6 1,5 . 10–8 1,5 . 10-10

1 segundo 10 segundos 10 segundos 8 minutos 2 horas 8 días 2 años 200 años

Arena gruesa Arena fina Bacterias Arcilla Sustancias coloidales

Tamizado

Acumulación-igualación-homogeneización

Aguas a reciclar Pre-sedimentación

Homogeneización Fangos Aguas depuradas Clarifloculación

REACTIVOS: 1. Neutralizante (Ca(OH)2) 2. Coagulante (p. ej. FeCl) 3. Floculante

Fangos

Figura 5. Planta de depuración. 311


En el clarifloculador se produce el crecimiento de los flóculos, su sedimentación, y su separación por la corriente de agua ascendente, favorecida por el efecto filtrante de la capa de fango que se forma en consecuencia del hecho que, durante la ascensión, el agua disminuye progresivamente la velocidad misma de flujo, hasta igualar la velocidad de sedimentación de las partículas suspendidas de mayores dimensiones, las cuales alcanzan por tanto una condición de equilibrio dinámico y forman una capa filtrante, capaz de retener también las partículas de dimensiones menores. El agua depurada sale de la parte superior del clarifloculador (la salida generalmente se efectúa por un orificio de vertido en un rebosadero); los fangos, en cambio, se descargan periódicamente por la base de la balsa de sedimentación y pueden ser incorporados eventualmente en los tanques de acumulación, para su ulterior espesado. El tipo de planta presentado es, como hemos indicado, el más difundido, aunque también existen otros. Las depuradoras instaladas permiten, en la mayoría de los casos, obtener tasas de eliminación de los metales pesados relativamente buenas, aunque a veces no suficientes, dado las elevadas concentraciones de entrada, para asegurar el cumplimiento de los límites previstos. El parámetro que más parece influir en la eficacia de la eliminación de los metales pesados es el pH (además, evidentemente, del tiempo de retención, asociada al dimensionado de la planta). En el 90% de los casos, el valor de entrada del pH oscila entre 7.5 y 8.5, a causa de la hidrólisis básica de los materiales contenidos en el agua. El pH se regula con precisión, en función de los reactivos agregados, para controlar las concentraciones, p. ej. de plomo y cinc en las aguas depuradas. Se sabe, en efecto, que al aumentar el pH, el Zn (OH)2 presente como precipitado tiende a redisolverse, pasando en disolución como anión cincado, mientras para los pH ácidos se produce la estabilización de las sales de Zn con la formación de Zn2+. Un comportamiento análogo se halla en el caso del plomo: en el ambiente ácido se encuentra presente en disolución como catión, mientras para valores de pH decididamente básicos, se produce la redisolución del hidróxido de plomo precipitado con formación de plumbitos. El pH óptimo para obtener la precipitación de Pb y Zn oscila entre 8 y 9, sobre todo por lo que se refiere al cinc, incluso en la dispersión previsible de los datos recogidos; para valores de pH superiores a 9 se pueden obtener reacciones posteriores indeseadas, mientras para valores superiores a 10 se manifiesta decididamente el fenómeno del la redisolución de los precipitados. El límite técnico fundamental de este tipo de instalación es la ineficacia casi absoluta con respecto al boro y sus compuestos. El problema de la eliminación del boro no parece hoy de fácil solución, puesto que los sistemas de depuración disponibles para este contaminante, como los basados en el uso de las resinas de intercambio iónico, son de difícil aplicación a los vertidos cerámicos y no aportarían, con relación al coste bastante elevado, suficientes garantías de fiabilidad y duración. Los problemas principales, aparte de los costes, tanto de inversión como de gestión, tendrían que ver con la necesidad de tener que dotar la instalación también de todos los equipos necesarios para la regeneración de las resinas, además de la eliminación de los eluidos, con una elevada concentración de boro. Una propuesta interesante sería la de recurrir a unidades de intercambio iónico fácilmente transportables, destinadas a su posterior regeneración en un centro especializado. 312


Gres porcelánico Un problema que adquiere cada vez mayor importancia, con relación a la gestión y depuración de las aguas industriales procedentes de las instalaciones de fabricación de baldosas cerámicas, es aquel ligado al uso, siempre más difundido, de la elaboración mecánica superficial y lateral (rectificación y calibración) de las baldosas cocidas. La demanda hídrica de estas operaciones es bastante elevada, y va de 800 a 1000 m3 de agua/m2, y el fango separado del agua reciclada resultante es de difícil aprovechamiento, puesto que contiene, además de grandes cantidades de material cerámico cocido y particularmente duro, abundantes gránulos de materiales abrasivos (diamante artificial, corindón, SiC) y amplias cantidades de materiales procedentes de las matrices de engobado (a base de metales o MgCl2), en su conjunto con cantidades que van desde 2.5 a más de 10 g/l. La creciente demanda de tratamientos mecánicos de acabado, también sobre los materiales esmaltados, complica aún más el cuadro de la posible reutilización de los fangos y la recirculación de las aguas depuradas. Véase las observaciones al respecto en el apartado correspondiente a la depuración y reutilización de las aguas en el capítulo sobre la rectificación. Bajas y residuos sólidos Las diferentes fases que componen el ciclo de fabricación de las baldosas cerámicas y los esmaltes pueden generar residuos, asociados directamente a las operaciones productivas y, como acabamos de ver, a las operaciones de depuración de las emisiones gaseosas y hídricas. En la tabla 2 se presenta una propuesta de clasificación de las bajas y residuos en función de la fase productiva. Para una mejor comprensión del problema tal y como se podía evaluarlo alrededor de los años 80, al intentar cuantificar cada uno de los residuos sólidos enumerados en la tabla, al final de los años 90, cuando la recirculación dentro de las empresas es prácticamente completa, se puede observar el alcance del esfuerzo realizado para la mejora del impacto ambiental de las fábricas cerámica. En efecto, se ha pasado de aproximadamente 40,000 t/año de residuos, en el distrito de Sassuolo, de lo cual casi el 50% se destinaba al vertedero, a una asignación de aproximadamente 2000 t/año para una suma de fangos más que duplicada, en función del aumento de la cantidad de producción. Analizando las categorías individuales del residuo sólido, se puede obtener un cuadro de este tipo: reciclado total - Polvos de la PREPARACIÓN DE LA PASTA - Polvos y bajas del PRENSADO reciclado total - Polvos y bajas del SECADO reciclado total - Fangos de la línea de ESMALTADO (Producción media fango (seco) = 12% de esmalte apl.) 68% - Chamota de tiesto 85% 40% - Cal exhausta de depuración poco - Fangos de los tratamientos mecánicos sobre materiales cocido - Soluciones concentradas de boro, de la depuración por intercambio iónico ningún reciclado 313


Prod.

Fase

Bajas/Residuos De producción

De depuración Polvos (fangos) retenidos por las instalaciones de depuración de las emisiones gaseosas.

Prep. materias primas soporte Conformación (prensado)

Bajas crudo no esmaltado

Secado

Bajas crudo no esmaltado

Baldosas cerámicas

Bajas crudo/ crudo (esmalte crudo sobre soporte crudo)

Prep. esmaltes y esmaltado

Bajas crudo/ cocido (esmalte crudo sobre soporte cocido) Restos y residuos de fritas, esmaltes, etc. Desbarbado/rascado de esmalte

Cocción


Polvos retenidos por las instalaciones de depuración de las emisiones gaseosas.

Polvos (fangos) retenidos por las instalaciones de depuración de las emisiones gaseosas. Fangos de la depuración de las aguas (instalación químico-física). Soluciones concentradas de boro de la depuración de las aguas (eluidos del proceso de intercambio iónico, concentrados del proceso con membrana). Cales exhaustas de la depuración de los humos.

Tiesto (*)

Polvos (fangos) retenidos por las instalaciones de depuración de las emisiones gaseosas.

Tiesto (*)

Productos para esmaltes (fabricante de colores)

Fangos de la depuración de las aguas (instalación químico-física). Prod. fritas

Prod. colorantes y compuestos

Polvos retenidos por las instalaciones de depuración de las emisiones gaseosas. Restos de producción

Cales exhaustas de la depuración de los humos.

(*) Incluye las piezas defectuosas rechazadas en las sucesivas fases de clasificación.

Tabla 2. Clasificación de las bajas y residuos por fase productiva (fuente: “Piastrelle Ceramiche & Ambiente” – EdiCer 1995).

Las posibilidades de reutilización, naturalmente, están relacionadas, como para las aguas, con las condiciones en las que la separación de la fase sólida recuperada ha sido realizada, por lo tanto, con la eventual acumulación de sales o componentes cromóforos o materiales duros que pueden tener una gran influencia en la reología de las suspensiones donde se introduzcan estos residuos, sobre el color de las pastas y esmaltes, sobre el aspecto de las superficies y sobre la curva de gresificación de las pastas. 314


El reciclado externo a la empresa productora, aunque se ha complicado por la normativa sobre la movimentación de los materiales residuales, con eventuales sustancias clasificadas como tóxico-nocivas, puede resultar oportuno y conveniente: esto se produce, principalmente para el sector de la fabricación de ladrillos (que puede permitir el aprovechamiento del 5 al 20% en la pasta), para la arcilla expandida (60 ÷ 90%) y para el cemento (no más del 2%, pero sobre tonelajes muy grandes). Donde no es posible, de ningún modo, proceder a un reciclaje interno o externo, los residuos sólidos deben ser eliminados en un vertedero: cuando dichos residuos no contienen sustancias de naturaleza tóxica, el almacenamiento se produce directamente ; en cambio cuando, y esto es el caso más común, se encuentra presente una concentración que supera los límites de sustancias tóxicas, el residuo se somete a un tratamiento de solidificación/estabilización, por medio de una oportuna digestión ácida, seguida de la incorporación en una matriz cementosa, que fija sus componentes en una especie de unión químico-mecánica, mediante la cristalización y la polimerización obtenida con el envejecimiento. El posible “ciclo” de tratamiento de los residuos sólidos puede representarse entonces de la siguiente forma: PROCESO PRODUCTIVO BALDOSAS CERÁMICAS

Reciclado en el proceso productivo

Bajas/Residuos

Controles

Almacenamiento Bajas

Residuos Tratamiento previo

Transporte

Inertización (para materiales tóxicos y nocivos) Vertedero

Reutilización en otros productos/ procesos

315


316


Anexo 2 CONTROLES DE PRODUCCIÓN

En el primer tomo se ha descrito ampliamente la importancia de un correcto planteamiento de la formulación de una pasta cerámica, describiendo las principales técnicas de investigación que, si adecuadamente aplicadas e interpretadas, pueden conducir a una comprensión exhaustiva del papel de cada materia prima para la obtención de las deseadas características tecnológicas finales de la pasta. Naturalmente, aparte de lo anterior, una vez seleccionadas las materias primas individuales es necesario cuidar con atención el control de producción sobre las individuales materias primas, principalmente plásticas, pero también no plásticas, efectuando una caracterización tecnológica continua destinada a la determinación de las características físico-mecánicas y tecnológicas. A continuación, se detallan algunas recomendaciones de carácter general, que deben adaptarse a los casos productivos individuales, en función de la mayor o menor homogeneidad de las muestras. Controles sobre las materias primas o sobre las pastas La preparación de las muestras, sobre las que se deben determinar diferentes características, debería ser la siguiente: - molienda en un molino de laboratorio en húmedo y evaluación de la cantidad de agua necesaria para obtener una barbotina de viscosidad tipo, predeterminada. La molienda debe ser siempre controlada mediante la comprobación del residuo sobre tamiz de 63 o 45 µm, según los casos; - tamizado de la barbotina con 1000 mallas/cm2; - secado de la suspensión agua + material; - disgregación del material en un pequeño molino de martillos, o con mortero a mano; - humectación del polvo y tamizado a 90 mallas/cm2; - envejecimiento normalizado; - prensado de polvo en una prensa hidráulica de laboratorio de 4 t, con una presión específica de al menos 300 kg/cm2, preferiblemente con molde cilíndrico, con diámetro de 50-70 mm o, si es rectangular, de dimensiones de por lo menos 50 × 100 mm. En el caso de materiales sin una propia plasticidad, las probetas se podrán preparar utilizando el mezclado con una proporción tipo (p. ej. 30%) de una arcilla illítica pura normalizada: este procedimiento es generalmente preferible al método, utilizado a veces, de aditivar a la materia prima no plástica un ligante orgánico (típicamente CMC en el agua de humectación). 317


Sobre las baldosas de la muestra, obtenidas de la forma que sea, se determina: 1a) Porcentaje de expansión después del prensado Se mide con calibre centesimal una dimensión de la muestra después del prensado (L2). La diferencia entre dicha medida y aquella del molde (L1), multiplicada por 100 y dividida por el valor de L1, da directamente el porcentaje de expansión de prensado: E=

L2 – L1 L1

x 100

siendo: E = Expansión de prensado Se consideran valores de expansión bajos los inferiores a 0.4%, medios los entre 0.4 y 0.7%, y altos los superiores a 0.8%. 1b) Resistencia mecánica a la flexión El módulo de ruptura a la flexión expresado en kg/cm2, o mejor en N/mm2, se determina sobre la muestra con dimensiones de por lo menos 50 × 100 mm, utilizando el adecuado dispositivo de tres puntos (figura 1) y aplicando la siguiente fórmula: MRF =

3×P×L 2 × h2 × b

siendo: MRF = módulo de ruptura a la flexión P = lectura sobre la escala

Figura 1. Dispositivo para la medida del módulo de ruptura a la flexión.

318

Controles de producción

h = espesor mínimo de la muestra en cm L = distancia entre las dos cuchillas de apoyo de la probeta b = anchura de la probeta correspondiente a la sección de rotura, en cm En general los resultados obtenidos se evalúan de la siguiente forma (kg/cm2): MRF en verde MRF en seco

BAJO <6 < 20

MEDIO 6 ÷ 12 20 ÷ 30

ALTO > 12 > 30

Sobre las muestras secados a 110 °C en una estufa de laboratorio hasta peso constante se determinan: 1c) Porcentaje de contracción de secado Con calibre centesimal se mide la dimensión de la muestra recién prensada (L2) y aquella de la pieza secado (L1). La diferencia entre las dos medidas, multiplicada por 100 y dividida por la dimensión de la muestra prensada (L2), da el valor buscado absoluto; normalmente nos referimos, sin embargo, a la dimensión nominal del molde: Cs =

L1 – L2 L2

x 100

siendo: Cs = contracción de secado 1d) Resistencia mecánica a la flexión de la baldosa secada Se realiza la misma operación sobre la baldosa secada. A continuación, las muestras secas se someten a cocción en un horno eléctrico de mufla a diferentes temperaturas (1060°-1220 °C), o en un horno de gradientes con ciclo de 1 hora a las temperaturas adecuadas: p. ej. 1100-1150-1200 °C; sobre las probetas cocidas se realizan las siguientes determinaciones: 1e) Pérdida por calcinación % La muestra cocida a 1060 °C se pesa; entonces la diferencia entre el peso de la baldosa seca (P1) y el peso de la muestra cocida (P2), multiplicada por 100 y dividida por (P1) da el porcentaje de pérdida por calcinación: PPC =

P2 – P1 P1

x 100

1f) Color y aspecto de la superficie Se observan y se registran las variaciones de tonalidad a las diferentes temperaturas 319


de cocción, además de la descripción de eventuales impurezas, pinchados, desventados, etc. que se presentan en la superficie del material. 1g) Contracción % Se toma la muestra cocida y se mide la dimensión con calibre centesimal (L1); se calcula la diferencia entre el valor de la correspondiente dimensión del molde (L2) y la medida anterior; se multiplica por 100, y entonces se divide por (L2): Cs =

L2 – L1 L2

x 100

siendo: Cs = contracción de secado 1h) Absorción de agua % Las muestras cocidas a las diferentes temperaturas se pesan (P1); entonces se introducen en un baño de agua sobre un mechero de Bunsen para una prolongada ebullición (2 h). Se dejan enfriar a temperatura ambiente y con un paño húmedo se elimina el exceso de agua de las superficies de las baldosas. A continuación, las probetas se pesan de nuevo (P2). El porcentaje de absorción de agua se obtiene a partir de la fórmula: AA =

P2 – P1 P1

x 100

siendo: AA = absorción de agua Los resultados de todos los ensayos descritos anteriormente se resumen luego en las fichas tecnológicas de las materias, de las cuales se debe mantener un archivo ordenado y puesto al día, también mediante la realización, a intervalos regulares de tiempo, de los análisis estructurales, químicos, granulométricos, térmicos, etc., por una entidad externa a la empresa. Sin embargo, en el caso de los materiales no plásticos se realizan los normales análisis químicos, eventualmente los análisis difractométricos, y se controlan el punto de reblandecimiento y fusión (véanse las tablas 1 a 8). A continuación se presentan las fichas tecnológicas como ejemplo de la posible agrupación de las principales características físicas y mecánicas de las materias primas plásticas y duras utilizadas para la fabricación de baldosas cerámicas. Naturalmente, para mantener la constancia del producto, el rendimiento de la planta, la obtención del producto óptimo deseado, además del conocimiento de las características técnicas de las materias primas, hace falta realizar, en el Laboratorio Tecnológico de la fábrica, o donde se pueda, una serie de controles con una frecuencia bien determinada, también sobre todos los semielaborados, en todas las fases del ciclo de producción. 320


Tabla 1. Arcilla plástica de cocción roja, con características de fundencia incipiente.

321


Tabla 2. Arcilla plástica de cocción roja, con características bastante refractarias en la cocción.

322


Tabla 3. Arcillas con características interesantes en crudo. La gresificación en cocido debe considerarse gradual, sin manifestar una fusión incipiente.

323


Tabla 4. Arcilla con características plásticas limitadas. Se observa una baja resistencia en crudo. En la cocción debe considerarse refractaria.

324


Tabla 5. Material no plástico, que presenta valores a considerar medios de óxido de potasio y de sodio.

325


Tabla 6. Material no plástico, con contenido muy interesante de óxido de potasio (roca feldespática con alta concentración de ortoclasa).

326


FELDSPATO SODICO

Tabla 7. Material no plástico, con contenido muy interesante de óxido de sodio (roca feldespática con alta concentración de albita).

327


QUARZO

Tabla 8. Material no plástico, con contenido muy alto de SiO2.

328


Entre estos controles, de particular importancia son los descritos a continuación. Controles a realizar en la sección de preparación de la pasta En la sección de preparación de la pasta el personal del Laboratorio de Control debe realizar una serie de controles periódicos para mantener un óptimo rendimiento de las instalaciones y la producción. •

Controles sobre la barbotina a la salida de los molinos o en la segunda balsa:

2a) Residuo Se tamizan a través de 10,000 mallas/cm2, 1000 g de barbotina; se seca el residuo hasta peso constante y se pesa: R=

Peso residuo seco en g Peso seco en la barbotina

× 100

La frecuencia de control es cada molino.

do:

2b) Densidad aparente = peso/volumen Se pesa 1000 cc de suspensión, retirándola en un adecuado cilindro o recipiente taraDap (kg/l) = peso en gramos / 1000 La frecuencia de control es cada molino.

2c) Porcentaje de agua Se pesa 100 g de barbotina y se seca a 110 °C hasta peso constante. El valor del peso en seco restado de 100 da el valor porcentual del agua en la barbotina. La frecuencia de control es cada molino. 2d) Viscosidad Por lo que se refiere a los controles eficaces y significativos de las propiedades reológicas de las suspensiones acuosas, la viscosidad, esfuerzo de cizalla, tixotropía etc., referimos al lector al capítulo del presente manual dedicado a las interacciones agua-sólidos; para un control efectivo de orientación sobre las líneas de producción, se recomienda el uso de un viscosímetro elemental como el Gallenkamp, o la medida en grados ENGLER, que expresa la relación del tiempo empleado por la barbotina para llenar, en caída libre por un orificio calibrado (normalmente de 4 mm) de una copa Ford (figura 2), un cilindro graduado de 100 cm3 y el tiempo empleado por el agua para la misma operación: n = T1 / T2 329


Figura 2. Dispositivo para la medida de la viscosidad (copa Ford).

siendo: T1 = tiempo empleado por la barbotina en estudio T2 = tiempo empleado por el agua La frecuencia de control es cada balsa. Controles sobre el polvo atomizado 3a) Humedad Se puede determinar con un procedimiento parecido a aquellos ya indicados, mediante secado en estufa, con una frecuencia de control de cada 4 horas. Sin embargo, generalmente se prefiere utilizar el equipo “Speedy”, que consiste en una botella metálica provista de tapón hermético, con un manómetro y una pequeña balanza, con la que se determina el peso preestablecido del polvo a introducir en la botella-reactor; en ella se incorpora una cantidad conocida de carburo de calcio, teniendo cuidado de no mezclarlo con el polvo hasta que la botella esté herméticamente cerrada. Se agita entonces la botella y la lectura se puede hacer directamente en % de humedad presente en el polvo, ya que ésta es directamente proporcional a la presión que se crea dentro de la botella a causa del desarrollo de acetileno: 2H2O+ CaC2 → C2H2+ Ca (OH)2 Otros equipos utilizados son balanzas especiales dotadas de un calefactor rápido por infrarrojas o microondas, que en pocos minutos permiten medir el contenido de humedad de la muestra de polvo atomizado retirado de la cinta transportadora o de la pequeña 330


tolva de la prensa; con la misma tecnología de IR o de microondas se pueden utilizar también instrumentos de control continuo, sin contacto. La frecuencia de control es cada media hora. 3b) Peso específico aparente Se pesa 1 litro de polvo atomizado: la lectura en g/cm3 da el valor buscado. La frecuencia de control es una vez al día. 3c) Granulometría Se seca una muestra de polvo atomizado hasta peso constante. Se pesa 200 g de polvo seco y se realiza la determinación granulométrica en la columna de tamices apropiada (figura 3), formada por una serie de tamices de caída. La frecuencia de la realización de los controles es cada día sobre una muestra media. Controles en la sección de prensas En la sección de prensas los operadores deben realizar una serie de controles periódicos para mantener un rendimiento óptimo de las instalaciones y la producción. •

Controles sobre el polvo

4a) Humedad Determinada como hemos visto (SPEEDY - figura 4). La frecuencia de control es cada 2 horas.

Figura 3. Columna de tamices para la medida de la granulometría.

331


4b) Llenado blando Se determina midiendo con calibre el espesor entre el punzón en la primera caída y el plano del molde. La frecuencia de control es una prensa al día. Luego es necesario controlar de nuevo la granulometría de la pasta, que podría modificarse a consecuencia de la permanencia en los silos y del transporte por las cintas, por tamices en cascada. •

Controles sobre las baldosas

4c) Espesor Medida realizada con calibre y expresada en mm; se miden los espesores de todas las baldosas de una prensada en los 4 lados marcando A), B), C), D). La comparación da unas indicaciones oportunas para la optimización de la carga de los moldes y el ajuste de los punzones. Un control más preciso en el caso de encontrar defectos de carga puede realizarse con el penetrómetro. La frecuencia de control es cada 2 horas. 4d) Penetrometría Utilizando el instrumento adecuado (figura 5), que aplica una carga normalizada (de unos 3-4 kg) sobre una sonda cilíndrica (aguja) de sección seleccionable, se puede registrar, por un micrómetro electrónico o analógico, la penetración en varias partes de la baldosa prensada. Cuanto mayor es el número de puntos controlados, mejor será el cuadro que se pueda obtener de la homogeneidad de prensado, aunque se debe realizar en todo caso por lo menos una medida en el centro y 4 medidas en los ángulos, evitando de colocarse a menos a 15 mm del borde mismo, para cada baldosa. Un control más preciso de la densidad aparente puede efectuarse a través del densímetro de mercurio (figura 6).

Figura 4. Dispositivo práctico para el control de la humedad “speedy”.

332


4e) Peso de las baldosas de cada salida (alvéolo) Se retiran todas las baldosas de una prensada, se marcan y se pesan por separado. La comparación de los pesos proporciona las indicaciones oportunas para la optimización de la carga. La frecuencia de control es cada 2 horas. 4f) Módulo de ruptura en verde Se determina la resistencia a la flexión utilizando el dispositivo adecuado, descrito anteriormente, sobre todas las baldosas de un ciclo de prensado (prensada). La comparación de los valores obtenidos, también teniendo en cuenta los otros parámetros, como la humedad del polvo, espesor de las baldosas, penetrometría y peso, proporcionan unas indicaciones oportunas para la optimización de la carga. La frecuencia de control es cada 2 horas. 4g) Dimensiones de la baldosa después del prensado Se retiran todas las baldosas de una prensada, se miden todos los lados y se calcula la dimensión media de la baldosa. A partir de esta se puede remontar a la expansión de prensado. Por otra parte, resulta indispensable para calcular la contracción de secado. La frecuencia de control debería ser cada 2 horas. 4h) Relación de compresión Es la relación entre el espesor del blando y el espesor de la baldosa prensada. La frecuencia de control es una prensa al día.

Figura 5. Penetrómetro.

Figura 6. Densímetro de mercurio.

333


Controles sobre el producto secado Los controles que se deben realizar sobre el producto en esta fase son los siguientes: • Controles a la entrada del secadero 5a) Humedad de entrada Se pesa una serie de baldosas representativas de una sección de una vagoneta, en el caso de una bicocción, o correspondiente a un ciclo de prensado (prensada) para la monococción, a la entrada del secadero (P2) y se repite el pesaje después de secarse en estufa hasta peso constante (P1); la diferencia de los dos pesajes referida al peso inicial multiplicada por 100 da el valor porcentual medio de la humedad de entrada de las baldosas. H=

P2 - P1 P2

× 100

La frecuencia de control es dos veces cada turno. • Controles a la salida del secadero 5b) Peso medio de la baldosa seca Se pesa una serie de baldosas secadas hasta peso constante; el peso dividido por el número de las muestras nos da directamente el peso medio de la baldosa secada. La frecuencia de control es dos veces cada turno. 5c) Humedad de salida Se repite el control como antes, para la humedad de entrada, con las baldosas a la salida del secadero. La frecuencia de control es dos veces cada turno. 5d) Módulo de ruptura Se determina el módulo de ruptura a la flexión, utilizando el dispositivo apropiado y siguiendo las modalidades ya descritas, sobre una serie de baldosas secadas, frías. La frecuencia es dos veces cada turno. 5e) Contracción de secado Se retira una serie de baldosas representativas de una sección del secadero o correspondiente a un ciclo de prensado. Se mide con calibre centesimal todos los lados y se calcula la dimensión media después del secado; entonces se aplica la siguiente fórmula: Cs =

D1 - D2 D1

334

× 100


siendo: Cs = contracción de secado D1 = dimensión después del prensado D2 = dimensión después del secado

Controles a realizar sobre el bizcocho (en el caso de la bicocción) Los controles a realizar en esta fase son los siguientes: 6a) Peso medio Se retiran 2 series de baldosas representativas de la sección del horno y se pesan; el peso obtenido dividido por el número de las muestras tomadas proporciona directamente el peso medio de la baldosa. La frecuencia de control es una vez al día. 6b) Absorción de H2O % Las muestras indicadas anteriormente se pesan por separado (P1). A continuación se someten a ebullición durante 2 horas y se dejan enfriar a temperatura ambiente. Con un paño húmedo se elimina el exceso de H2O de las superficies de las baldosas y se vuelven a pesar (P2): el valor buscado se obtiene a partir de: AA =

P2 – P1 P2

x 100

La frecuencia de control es una vez al día. 6c) Módulo de ruptura Se determina el módulo de ruptura a la flexión, utilizando el dispositivo apropiado y siguiendo las modalidades descritas, sobre una serie de muestras tomadas como indicado anteriormente para la determinación del peso medio. La frecuencia de control es una vez al día. 6d) Contracción % Con un calibre se miden las dimensiones de cada baldosa (L2): el valor buscado se obtiene a partir de: C=

L2 – L1 L2

La frecuencia de control es una vez al día.

335

x 100


Figura 7. Dispositivo para el control de la dilatación térmica “dilatómetro”.

6e) Coeficiente de dilatación del bizcocho Este control, realizado por medio del uso de un dilatómetro (figura 7) sirve para verificar periódicamente la compatibilidad del esmalte utilizado con el soporte. Controles de la sección de esmaltado El personal del Laboratorio de Control debe realizar una serie de controles periódicos en la sección para mantener el óptimo rendimiento de las instalaciones y la producción. • Controles a realizar en las líneas de esmaltado 7a) Densidad del esmalte y Viscosidad (como indicado anteriormente). 7b) Peso aplicado De la línea de esmaltado se retiran algunas baldosas después de cada aplicación individual, se raspa el esmalte aplicado, tanto en el caso de la bicocción como la monococción. Por la diferencia de peso (antes y después de la aplicación) se calcula la cantidad de esmalte aplicada. Una alternativa eficaz es la utilización de recipientes de acero inoxidable adecuados, de dimensiones idénticas a las baldosas de producción, en los cuales se recoge y luego se pesa la aplicación de esmalte o engobe directamente en la línea. Los valores de cada aplicación individual se comparan con las fichas técnicas de aplicación de los esmaltes y permiten mantener constantes los parámetros de esmaltado. 336


Controles sobre el producto acabado Los controles que se deben realizar en esta fase son los siguientes: 8a) Peso medio Se retiran 2 series de baldosas representativas de la sección del horno y se pesan. El peso obtenido dividido por el número de muestras tomadas proporciona directamente el peso medio de la baldosa. La frecuencia de control es una vez al día. 8b) Absorción de agua % Las muestras indicadas anteriormente se pesan por separado. A continuación se someten a ebullición durante 2 horas y se dejan enfriar a temperatura ambiente: Con un paño húmedo se elimina el exceso de H2O de las superficies de las baldosas. Estas se vuelven a pesar y se aplican los cálculos indicados previamente para el bizcocho. La frecuencia de control es una vez al día. 8c) Contracción % Con un calibre se miden las dimensiones de cada baldosa y las correspondientes del molde; entonces se aplican los habituales cálculos. La frecuencia de control es una vez al día. 8d) Resistencia mecánica a la flexión Se realiza el ensayo como descrito anteriormente. El ensayo se lleva a cabo sobre un grupo de muestras representativas de la sección del horno. Una vez al día. 8e) Resistencia al cuarteo Se retiran una o más series de baldosas representativas de la sección de cocción del horno. Todas las piezas se introducen en la autoclave y se someten al ensayo de incrementos de presión y temperatura, de acuerdo con la normativa internacional. Entonces se extraen las baldosas y estas se controlan por fisuras, aplicando una tinta adecuada o una solución de azul de metileno a la superficie esmaltada. La frecuencia de control es de al menos un producto al día. 8f) Resistencia al ataque ácido y alcalino Se retiran algunas muestras de cada producto del almacén y del horno y sobre estas se efectúan los ensayos de ataque químico, de acuerdo con la normativa internacional. La frecuencia de control es semanal. 8g) Resistencia a la abrasión (para baldosas de pavimento) Se retiran algunas muestras de cada producto del almacén y del horno y sobre estas se efectúa el ensayo. La frecuencia de control es semanal.

337


Los controles realizados en las diferentes fases del ciclo de producción, descritas en el transcurso de este capítulo, se detallan en una tabla sinóptica mensual. Estas tablas se catalogan en fichas guardadas por el Laboratorio Tecnológico. Controles de laboratorio sobre las materias primas de las fritas y colorantes Todos los controles descritos a continuación deben realizarse siempre en paralelo y en las mismas condiciones con una muestra de referencia del laboratorio. Por consiguiente, el laboratorio tendrá que contar con un muestreo completo y consistente de todos los materiales en uso corriente. 9a) Fritas viscosas o de baja fundencia El método de control más rápido requiere la preparación de un “botón” para determinar su fundencia y el esmaltado de una baldosa para determinar las características superficiales como: brillo, transparencia, opacificación, matificación. Si se encuentra disponible, es aconsejable obviamente el uso de un instrumento para el análisis colorimétrico, o un espectroscopio UV-Vis dotado del software apropiado para la deconvolución colorimétrica, tipo CIE Lab. La operación de control de la frita se realiza molturando 100 g de frita en paralelo con la muestra de referencia, en las mismas condiciones de residuo y densidad. A continuación se esmalta una baldosa y con el resto se efectúa el ensayo del botón, en las mismas condiciones de peso. Entonces se procede a la cocción de las probetas en paralelo, con el ciclo y la temperatura máxima establecido como óptimo para la frita de referencia. 9b) Fritas fundentes También para estas fritas, el control principal y más rápido es el ensayo del botón para determinar la fundencia; el ensayo de esmaltado de una baldosa resulta menos importante, ya que los comportamientos serán más parecidos. Para estos materiales es interesante intentar evaluar numéricamente la fundencia, y esto puede realizarse empíricamente a partir de la siguiente expresión: Fundencia =

Longitud × Anchura Botón Longitud × Anchura Botón de referencia

Tanto para las fritas viscosas como para las fundentes se aconseja efectuar los controles sobre múltiples muestras retiradas de más sacos, proporcionalmente a la cantidad de suministro. Esto, si la frita es adquirida: en cambio, si está elaborada directamente en la empresa, se aconsejan controles constantes, cada 3 o 4 fusiones, a menos que se observen grandes diferencias, verificables a ojo, que aconsejan controles más frecuentes. 9c) Colorantes (pigmentos calcinados y óxidos naturales) Los métodos de control para los colorantes pueden ser diferentes; los dos más prácticos y con buenas garantías de resultado son: 338


1 – Introducción del pigmento en un porcentaje de 1-3% en un esmalte brillante u opacificado con circonio. Esmaltado a continuación de la baldosa, siempre en paralelo con la pieza de referencia, cocción y control visual del resultado. 2 – Esmaltado de una baldosa con un esmalte lucido u opacificado con circonio; aplicación con pincel del colorante con difuminados de intensidad variable; a continuación, aplicación con disco de una cristalina brillante y transparente. Cocción y control visual del resultado. 9d) Materias primas no solubles en agua Cuarzo y feldespatos Introducir un 15-20% de la materia prima en estudio en una cristalina viscosa brillante transparente. A continuación, esmaltar una baldosa, cocer el conjunto y controlar entonces visualmente el poder endurecedor. Ejemplo: Partes Partes Cuarzo de referencia 15 Cuarzo en estudio 15 Caolín de referencia 5 5 Frita brillante transparente de referencia 100 100 El valor de la materia prima a introducir en la cristalina debe definirse caso por caso, en función de la frita utilizada, de la temperatura de cocción y del ciclo de cocción. Este valor debe ser tal de llevar la frita a la fase de transición de brillante a mate para el endurecimiento. 9e) Wollastonita La wollastonita (silicato de calcio) es un matificante para bajas temperaturas; por lo tanto, esta es la propiedad a controlar. Este ensayo se realiza introduciendo la wollastonita en un porcentaje de 20-25% en función del caso (valor mínimo al cual empieza la matificación), en una frita brillante opacificada por circonio. 9f) Caolín Se aconsejan dos tipos de control para esta materia prima: - 1º ensayo: control del poder suspensionante. Metodología: introducir en una frita 5% de caolín, molturar y vaciar el conjunto en un cilindro graduado. Agitar y controlar la sedimentación cada 15 minutos. - 2º ensayo: control de la granulometría y de la pureza. Metodología: pasar g 200 de caolín por tamiz de 16,000 mallas/cm2, controlar visualmente si hay impurezas, secar y pesar el residuo. 9g) Silicatos de circonio Este ensayo tiene como objetivo el control del poder opacificador, característica fundamental de esta materia prima. El porcentaje debe establecerse caso por caso en el valor mínimo indispensable para obtener una buena opacificación. 339


9h) Alúmina calcinada o anhidra Se deben realizar dos controles sobre esta materia prima: - 1º ensayo: control granulométrico con diferentes tamices. - 2º ensayo: control del poder endurecedor: introducir un porcentaje del 6 ÷ 8% de alúmina en una frita viscosa opacificada con circonio. 9i) Corindón y arenas (circonio-rutilo-cuarzosas) El control principal a efectuar sobre estas materias primas es el análisis granulométrico que debe siempre reflejar los valores de referencia óptimos. 9j) Carbonatos: Ca - Mg - Ba - Sr El control a efectuar sobre estas materias primas es la determinación cuantitativa de CO2. 9k) Óxidos de estaño - cerio - titanio Controlar su poder opacificador, introduciéndolos en porcentajes para establecer su valor de 5 al 10% en una frita viscosa brillante y transparente. 9l) Óxidos de cinc Controlar su poder matificante introduciéndolo en porcentajes de 20 al 25% en una frita de fundencia media. 9m) Materias primas solubles al agua o utilizadas solo en fundido Estas materias se controlan efectuando un ensayo de fusión. Se realizan dos fusiones de laboratorio: una con materias primas todas de referencia y la otra con materias primas de referencia con excepción de las a controlar. Con las dos fritas obtenidas se esmaltan luego dos baldosas y se obtienen las probetas correspondientes. Controlar visualmente el resultado. Criterios generales de realización de los ensayos de control sobre las materias primas de los esmaltes Para todos los ensayos mencionados anteriormente son importantes los siguientes criterios: - selección de una composición de esmalte sensible a las variaciones del producto a examinar; - mismas condiciones de fusión, molienda, aplicación y cocción; - catalogación de todos los resultados en adecuadas fichas (una para cada materia prima) en orden cronológico de suministro.

340

Defectos

Anexo 3 DEFECTOS

Todas las fases del proceso productivo están, obviamente, correlacionadas entre sí, ya que el semielaborado que entra en la línea de producción de un sector lleva consigo la huella y la “historia” de todo cuanto ha sucedido en el transcurso de su realización, y esto debe tener necesariamente implicaciones, positivas o negativas, para la siguiente fase de elaboración. En este sentido la cocción, al ser el último tratamiento (sin tener en cuenta los acabados mecánicos superficiales) en la serie de producción, y siendo aquel donde se desarrollan importantes cambios físicos, químicos y estructurales, representa una especie de “criba” que pone fácilmente en evidencia todos los defectos, más o menos latentes, generados en las anteriores elaboraciones, además, evidentemente, de los propios de la cocción misma. Saber reconocer un defecto, en una fase cualquiera del proceso productivo, y saber identificar su origen no son conocimientos y un saber de fácil instrucción: dependen en gran parte de la experiencia madurada en el campo y de la capacidad de concebir la línea de producción, desde el acopio de las materias primas hasta la clasificación del producto acabado, como un organismo único y no fraccionable: en otras palabras, es necesaria, aquí más que nunca, una preparación técnica completa y específica de la planta, una cultura cerámica redonda. Por otra parte, la adquisición de estas habilidades podrá ser de grande utilidad en la rápida solución de los problemas de producción, ya que, es indudable que saber reconocer rápidamente un defecto y saber hipotetizar su procedencia permiten intervenir de una manera dirigida y eficaz en la planta, limitando la pérdida o empeoramiento de la calidad de la producción. En general, particularmente en las baldosas después de la cocción, se pueden identificar los siguientes defectos: • estructurales, por ejemplo de planaridad, descuadres, grietas, laminaciones; • superficiales, es decir, ondulaciones, cráteres, burbujas, partículas, desconchados, fisuras; • estéticos, como manchas, no homogeneidad de tono o decoración; • de proceso, asociados no tanto al producto, sino a la movimentación y al flujo del material como los amontonamientos, despuntados, pegados, obstrucciones. La manifestación de cada uno de estos defectos, incluso cuando posee una mayor probabilidad de poder ser correlacionada con alguna fase específica del proceso productivo, está asociada indudablemente a una serie de causas coincidentes, las cuales, a partir de la selección de las materias primas, han contribuido a su aparición. Se puede proponer un ejemplo, ciertamente no exhaustivo, de lo anterior al intentar identificar las principales correlaciones cruzadas, como se propone en la siguiente tabla (tabla 1). 341


PREPARACIÓN

PRENSADO

SECADO

ESMALTADO

COCCIÓN

DEFECTO Corazón negro Calibre Alta absorción de H2O Baja carga de rotura Manchas, cráteres, puntos oscuros Corazón negro Grietas laterales Calibre Defectos dimensionales Baja carga de rotura Explosiones a la entrada del horno Grietas Explosiones a la entrada del horno Defectos de esmalte Manchas de sales solubles Grietas Explosiones a la entrada del horno Grietas centrales Manchas, agujeros, cráteres Desviación de planaridad Colores, defectos superficiales Pequeñas grietas laterales Grietas laterales – “desventado” Explosiones a la entrada del horno Desviación de planaridad Corazón negro, defectos de esmalte Calibre Manchas superficiales Cráteres, agujeros, etc.

CAUSA Distribución granulométrica errónea (demasiado fina) Distribución granulométrica errónea Molienda demasiado gruesa, humedad inadecuada Errores en el tamizado y desferrización Carga demasiado alta o desequilibrada Extracción demasiado rápida o desequilibrada Carga errónea Valores de consigna erróneos de la prensa Carga insuficiente, humedad baja Carga demasiado alta, laminaciones Regulación errónea, temperatura elevada Humedad residual, regulación errónea Temperatura a la salida del secadero errónea Ciclo de secado erróneo Temperaturas erróneas, golpes en la línea Excesiva humectación Almacenamiento del crudo excesivamente prolongado Mala aplicación, esmalte joven o viejo Falta de acoplamiento dilatométrico esmalte-pasta Mala calidad del engobe Precalentamiento demasiado alto Enfriamiento demasiado rápido Ciclo erróneo Mal control de la temperatura Ciclo erróneo, atmósfera errónea Mala distribución de la temperatura Acumulación de condensaciones de esmalte Materiales constituyentes del horno

Tabla 1. Posible relación entre el defecto y la sección del proceso de producción.

A continuación se presenta una posible lista de correlaciones entre las diferentes fases del proceso productivo y los defectos en el material, que puede ser de ayuda para una mejor comprensión de las correlaciones expresadas en la tabla. Defectos asociados a las materias primas Los defectos atribuibles a la presencia de impurezas en las materias primas pueden ser clasificados en los siguientes grandes grupos: - Defectos puntuales: debidos a la presencia de impurezas en las materias primas, normalmente partículas de minerales carbonáticos, pirita, pirolusita, carbón y mica. - Defectos puntuales: debidos a las impurezas incorporadas durante el proceso de fabricación, como partículas de hierro, gotas de aceite o pequeños fragmentos de caucho (asociados en un segundo tiempo a las materias primas). - Defectos más generalizados: no puntuales, debidos a la presencia de otros tipos de impurezas, como materia orgánica y eflorescencias. - Partículas de carbonatos (calcita y/o dolomita). 342

Defectos

La presencia de partículas gruesas de calcita y/o dolomita, en el caso de los productos obtenidos con el proceso de la monococción porosa, puede comportar el defecto de cráteres o “agujeros”, tanto más grandes cuanto mayores son las dimensiones de las partículas mismas. El defecto, en el caso de la monococción, además de la presencia y las dimensiones de las partículas en cuestión, también está relacionado con el punto de fusión del esmalte. En efecto, el defecto resultará más evidente en el caso del uso de esmaltes bajo-fundentes (figura 1).

Figura 1. Defecto superficial debido a una inclusión calcárea gruesa.

La descomposición de minerales de tipo calcita durante la cocción puede representarse mediante la siguiente reacción: CaCO3 → CaO+CO2 Esta reacción se produce a aproximadamente 800÷900 °C, en función de la dimensión de las partículas. Cuando las partículas son pequeñas, la descomposición será completa y el óxido de calcio reaccionará con los otros componentes para formar silicatos o silicoaluminatos de calcio más o menos complejos (gehlenita, wollastonita, anortita). Si las partículas son gruesas, la descomposición del carbonato puede ser incompleta o, mejor dicho, puede ser incompleta la reacción del calcio con la sílice y alúmina. La presencia eventual de óxido de calcio libre, después de la cocción, puede llevar a fenómenos de dilatación, con rotura del esmalte, cuando el material entra en contacto con la humedad. La reacción es la siguiente: CaO + H2O → Ca(OH)2 Cuando es puntual y localizado, el fenómeno puede formar un cráter con una conformación bien precisa (figura 2). 343


Sin embargo, cuando el fenómeno se encuentra generalizado y difundido, se observa en cambio una “postexpansión” de la baldosa que puede llevar también a su desprendimiento después de la colocación. La presencia de partículas gruesas de calcita y/o dolomita, después de la molienda, puede ser verificada a través del tamizado sobre un tamiz definido (por ejemplo, con luz

Figura 2.

de malla de 200 micras) y, después del lavado del residuo, con el análisis del mismo mediante el microscopio. La incorporación de una gota de ácido clorhídrico diluido puede confirmar la presencia de carbonatos. La identificación precisa de la naturaleza de las partículas puede llevarse a cabo mediante el análisis puntual con la microsonda electrónica o con los análisis químicos más tradicionales. En este caso, se puede tener la confirmación precisa de la naturaleza de los elementos que constituyen el grumo y, de esta forma, se puede remontar a la identificación del mineral. Para evitar o reducir la frecuencia y la presencia de estos tipos de defectos, es conveniente reducir al mínimo la presencia de partículas de calcita y/o dolomita superiores a 120 micras. El uso, entonces, de un engobe adecuado como interfase entre el soporte y el esmalte puede resultar muy provechoso. - Partículas de pirita La pirita es un sulfuro de hierro y puede estar presente como impureza en algunos tipos de materiales arcillosos. El defecto que, con mayor probabilidad, se puede asociar a la presencia de partículas gruesas de este mineral, consiste en coloraciones puntuales del soporte y/o del esmalte (figura 3). La reacción de descomposición de dicho mineral durante la cocción puede describirse de acuerdo con la reacción indicada a continuación: 2FeS2 +11/2 O2 → 4SO2 + Fe2O3 344

Defectos

Figura 3.

La descomposición, en condición de gradiente térmico lento, se produce entre 400 y 500 °C. En condiciones de cocción con ciclo rápido y cantidad de oxígeno insuficiente en la cocción, la reacción de oxidación no se completa y se pueden producir diferentes reacciones. Tanto en el caso de la cocción lenta y tradicional, como en la de la monococción rápida, los defectos asociados a la presencia de partículas gruesas de este mineral comportan la formación de coloraciones puntuales atípicas. En el caso luego de la cocción rápida, si las reacciones de oxidación son incompletas, o si el anhídrido sulfuroso formado provoca la condensación dentro del horno, se pueden producir problemas relativos a la reacción de agresión de este gas en la superficie vítrea de las baldosas (pérdida de brillo). En cambio, este problema no está ligado a la morfología de las partículas de pirita (dimensión), sino a la cantidad total de pirita y a la condición del horno. También en este caso, el procedimiento para identificar las eventuales partículas gruesas de este mineral consiste siempre en lavar el residuo de molienda de la pasta sobre tamiz de malla 70 (aproximadamente 210 micras) y observar la naturaleza del material que no ha pasado. En la mayoría de los casos, el defecto puede ser inhibido reduciendo la dimensión de las eventuales partículas de pirita por debajo de 180 micras, utilizando, por lo tanto, tamices adecuados en la preparación de la barbotina. También en este caso, el uso de un engobe como interestrato entre soporte y esmalte puede ser provechoso para la solución del problema. - Partículas de pirolusita La pirolusita (dióxido de manganeso) y la goetita (hidróxido de hierro), cuando están presentes en forma de partículas gruesas, comportan la formación de defectos puntuales (manchas de color) sobre la superficie del esmalte (figura 4). Como en el caso anterior, las partículas pueden identificarse después del tamizado y 345


Figura 4.

lavado, siempre sobre el tamiz de malla 70, mediante observación con el microscopio. También en este caso, el uso de tamices adecuados, en la fase de tamizado de la barbotina (tamices capaces de separar las partículas de 180 micras), puede mejorar el resultado final. El uso luego de un engobe como interestrato entre el soporte y el esmalte puede disminuir todavía más la gravedad y la frecuencia del problema. - Partículas de carbón La presencia de partículas gruesas de carbón en el residuo después de la molienda puede causar “defectos puntuales” parecidos a aquellos atribuibles a los carbonatos. Estos defectos derivan de la combustión del carbón durante la cocción, con la formación final de CO2 o CO, como se puede ver a continuación de las reacciones indicadas: C + ½ O2 → CO CO + ½ O2 → CO2 CO2 + C → 2CO El óxido de carbono que se forma reduce los minerales de hierro presentes en la composición, formando, junto a la sílice y a la alúmina, vidrios de color oscuro (figura 5). En el caso de la bicocción rápida, el defecto puede originarse por una combustión incompleta de las partículas de carbón más grandes que terminan de quemar durante la segunda cocción, generando cráteres o pequeños agujeros oscuros. El procedimiento para la identificación de las partículas de carbón que provocan el defecto descrito anteriormente, consiste siempre en lavar y tamizar el residuo de la molienda con un tamiz específico, en este caso, de malla 230 (63 micras) y observarlo, luego, con el microscopio. Se puede obtener una estimación del porcentaje en peso de las partículas de carbón presentes por la calcinación del residuo después del lavado. 346

Defectos

Figura 5.

Si no es posible reemplazar las materias primas que causan el defecto, puede resultar eficaz, si las condiciones tecnológicas lo permiten, exasperar la molienda y tamizar la barbotina con tamices cada vez más finos, hasta el uso del tamiz de malla 120 (2400 mallas/cm2). El uso también de un engobe como interestrato entre el soporte y el esmalte puede ser útil para disminuir la magnitud del problema. Defectos puntuales asociados a impurezas incorporados durante el proceso de fabricación - Partículas de hierro y/u óxido de hierro Las partículas de hierro y/u óxido férrico pueden incorporarse en las materias primas en la fase de extracción o movimentación en cantera debido a los medios mecánicos empleados. Asimismo, durante la elaboración de la pasta pueden existir fases de trabajo donde la contaminación es más probable: por ejemplo, causada por los molinos, particularmente en el caso de la molienda en seco, por los silos, por ciertos componentes de los elevadores, del sistema de enfriamiento de los hornos, etc. El defecto puede aparecer de forma puntual o como grumo en la superficie. La sensación al tacto (“suavidad” o “rugosidad”) dada por estos dos defectos diferentes puede ser ya muy útil para identificar el problema. Una partícula metálica, parcialmente disuelta en el esmalte, con superficie áspera al tacto, probablemente proviene de la zona de enfriamiento del horno; por el contrario, una partícula metálica incorporada en el soporte o en el interestrato con el esmalte tiene, sin duda, otros orígenes (figura 6). Después de un análisis macroscópico, considerando las diferentes características del defecto, como su posición, eventual coloración, aspecto superficial, si no se han identificado todavía las causas, se procede a un examen microscópico de las muestras obtenidas por cortes transversales de las zonas defectuosas. La posibilidad de efectuar un análisis puntual con una microsonda electrónica puede 347


Figura 6.

proporcionar todos aquellos datos químicos sobre la naturaleza de la muestra que permiten tener informaciones útiles sobre el tipo de material contaminante y, por lo tanto, identificar su origen. Es imposible proporcionar una relación de las fases de la producción donde la probabilidad de encontrar estos problemas es más elevada. Todo esto se puede hacer solamente después de identificar la naturaleza o la causa del problema. En todo caso la atención debe dirigirse a los siguientes factores: • limpieza y orden; • mantenimiento preventivo; • sustitución preventiva de los componentes anticuados de la instalación. - Otras impurezas Otros tipos de impurezas u otras sustancias contaminantes, asociadas en todo caso en un segundo tiempo a las materias primas, pueden ser motivo de contaminación. Estos materiales pueden ser gotas de barniz, de grasa, de aceite, virutas de madera, restos de caucho, etc. (figura 7). La presencia de contaminantes como los descritos anteriormente, que implican una

Figura 7.

348

Defectos

combustión, provoca complicaciones y problemas muy graves en el caso de la monococción. En el caso de un polvo atomizado que contenga trazas de combustible sin quemar (nafta), es muy probable que aparezca en la superficie de la baldosa (después de la cocción) una protuberancia puntual, de algunos mm de diámetro (figura 8).

Figura 8.

Esto es mucho más evidente cuando se utilizan esmaltes fundentes y ciclos de cocción con un precalentamiento muy breve. También en este caso, no existen soluciones generales adecuadas para resolver estos problemas. Es evidente que cada problema tendrá que ser analizado en función de su naturaleza y la fase de proceso donde se verifica. Las soluciones a adoptar deben ser las más idóneas, con vistas a obtener controles más eficaces sobre el estado de las máquinas y de los equipos complementarios que afectan aquella fase específica de elaboración. Defectos generalizados asociados a la presencia de otros tipos de impurezas (materia orgánica y sales solubles) - Materia orgánica Los materiales arcillosos pueden contener trazas o porcentajes importantes de materia orgánica. Algunas arcillas de cocción blanca, clasificadas como “ball clays”, también pueden contener materia orgánica en forma de “lignito” en proporciones de 1%÷2%, expresadas como porcentaje de carbono, o también carbón en porcentajes superiores al 5%. Durante la cocción de las baldosas cerámicas, cuya composición contiene porcentajes “importantes” de materia orgánica, se puede presentar un “halo oscuro”, conocido con el nombre de “corazón negro” (figura 9). En el caso de los procesos de monococción rápido, tanto para pavimento como revestimiento, es bastante frecuente encontrar este defecto cuando se utilizan ciclos de cocción rápida o cuando, en la fase de prensado, se utilizan presiones de conformación muy elevadas. A veces, las eventuales impresiones serigráficas contribuyen a exasperar este defecto; 349


Figura 9.

en efecto, estas entrañan el uso de vehículos de base orgánica (glicoles o poliglicoles) y, por lo tanto, aumentan el contenido de materia orgánica. Como hemos señalado anteriormente, la problemática del corazón negro depende del ciclo de cocción, así como de las características de las materias primas. En este capítulo, se tratará particularmente la dependencia de este problema de la naturaleza y de las impurezas contenidas en las materias primas. Normalmente, el defecto de “corazón negro” genera en la baldosa cerámica algunas patologías muy claras que se manifiestan como: • hinchamiento de las baldosas; • deformación piroplástica; • deterioro de las características técnicas y estéticas de los esmaltes cerámicos; • cambio de tono del soporte y del esmalte. Como hemos indicado previamente, se puede apreciar que los efectos en las baldosas imputables al mismo problema son múltiples; a continuación se describen, para cada caso, el aspecto externo del defecto y su probable causa. - Hinchamiento de las baldosas El defecto se manifiesta con un “hinchamiento” de partes de la superficie de la baldosa, o de la baldosa entera, en función de la magnitud del problema (figura 10). Las causas de este defecto, que afecta principalmente los materiales gresificados, derivan de la formación de fases vítreas a baja temperatura en la pasta o de la imposibilidad de los gases (CO2 y CO), que se han desarrollado dentro de la pieza cerámica, de salir al exterior a causa de la impermeabilización de la superficie. El primer caso afecta especialmente los materiales de cocción roja, donde la formación

Figura 10.

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Defectos

de fases vítreas a baja temperatura es atribuible a la reducción del óxido férrico a óxido ferroso. Dicha reducción debe asociarse a la presencia anómala de cantidades relevantes de óxido de carbono (CO). Esta fase vítrea impide la salida hacia el exterior del gas, con la consiguiente deformación de la baldosa. La presencia de “carbono” e hierro metálico, incluso en pequeñas proporciones (<0.1%) en el halo del corazón negro, justifica la validez de esta interpretación. Obviamente, la deformación se verifica solo si el carbono y/o la materia orgánica están presentes en proporciones “interesantes” junto a un porcentaje elevado de fase vítrea. Si estas materias orgánicas se oxidan antes de la formación de la fase vítrea, no se ocasiona el defecto. Sin embargo, en el caso de los materiales de cocción blanca, donde los porcentajes de hierro en la pasta son limitados (<1%), las causas de la deformación deben atribuirse esencialmente a la presencia de gases (CO2 y CO) que no pueden salir al exterior por la impermeabilización de la superficie (uso de esmaltes bajo-fundentes). La oclusión de estos gases dentro de la pieza, además del hinchamiento, puede llevar también a la formación de fases reducidas de color gris o negro. La localización de las zonas donde se comprueba el defecto está más próxima a la superficie del esmalte, cuando este último resulta muy fundente. El defecto se verifica con deformaciones más o menos evidentes, tanto de geometría como de planaridad de la baldosa. Hemos indicado ya que el defecto de corazón negro deriva de una presencia conjunta de fase líquida y de una cierta magnitud de gas que no puede escapar al exterior. Asimismo, se puede decir también que, en la zona donde se forma el corazón negro, la proporción de fase líquida que se genera es más alta y, al mismo tiempo, es posible encontrar una viscosidad más baja con respecto a las otras zonas de la baldosa. Por este motivo, la deformación piroplástica es más frecuente en los productos gresificados con porosidades inferiores al 3%. Un fenómeno frecuentemente asociado a la formación de corazón negro es la aparición de una considerable cantidad de “burbujas de aire” en el espesor del esmalte (figura 11). Esto reduce considerablemente la resistencia a la abrasión del vidriado, disminuyendo también la resistencia a las manchas a causa de la presencia de una microporosidad extendida en el vidriado. Estas “burbujas de aire” deben atribuirse a la presencia en el espesor del esmalte de gases como CO, CO2, H2, resultantes de las reacciones de oxidación de la materia orgánica inicialmente presente en la baldosa. La formación de corazón negro en las piezas de pavimento y revestimiento puede alterar la coloración del producto cuando la atmósfera de cocción no sea suficientemente oxidante. Las alteraciones de color derivan de la reducción del óxido de hierro presente en la composición, desplazando las tonalidades rojas, características de este óxido, hacia tonos verdes o marrones. 351


Figura 11.

Sin embargo, en el caso de productos de revestimiento con altos contenidos de calcio, el tono pasa de color naranja-bizcocho a beige-verdusco. En el caso de los materiales obtenidos con el proceso de monococción, la alteración de color puede derivar siempre de diferentes niveles de oxidación del hierro y del cobre eventualmente presente en los esmaltes, desplazando las tonalidades hacia colores más apagados y/o amorfos. - Dinámica de la formación del defecto de “corazón negro” El defecto de corazón negro puede atribuirse a la presencia de residuos de carbono resultantes de la descomposición térmica de la materia orgánica, en el intervalo de temperatura entre 300 y 500 °C. Algunos autores avanzan la hipótesis de la presencia de hierro reducido en las zonas grises y negras del núcleo que caracterizan el corazón negro. Recientemente, se ha llegado a la conclusión que los componentes que causan el “corazón negro” son los elementos como el carbono y los óxidos de hierro reducidos (FeO y Fe3O4). El primero se forma por pirólisis de la materia orgánica, mientras el segundo se genera por la reducción, preferiblemente por parte del carbón, del Fe2O3 presente en la composición de partida de las arcillas. Las reacciones químicas, además de las dinámicas que se puedan desarrollar por la formación de corazón negro, son: • Pérdida del agua de cristalización de las arcillas Particularmente los grupos hidroxilos (OH) que se liberan a los diferentes niveles de temperatura, en función del tipo de mineral arcilloso, pueden desarrollar una acción reductora. • Descomposición térmica y reacciones de las materias orgánicas Como ya hemos mencionado, la materia orgánica dispersada en las arcillas consiste principalmente en ácidos húmicos y carbón. 352

Defectos

Durante el calentamiento de estos materiales, debajo de 500 °C, se desarrolla CO2, debido a la ruptura de la molécula, de acuerdo con las siguientes reacciones: siendo: R-COOH R-OH RH g

R-COOH → RH + CO2 (g) R-OH → RH + H2O (g) = molécula orgánica con grupo funcional carboxílico = molécula orgánica con grupo funcional hidroxilo = producto de la reacción de descomposición = sustancia gaseosa

Si el calentamiento continúa, el residuo sólido resultante (carbón tipo coque) reacciona de nuevo vigorosamente entre 500 y 700 °C, generando una reacción de policondensación de los núcleos. Para temperaturas superiores a 700 °C, se pueden desarrollar las siguientes reacciones: 2 (R-H) → R-R + H2 (g) R-H → R + H2 (g) siendo: R-H = el producto de las reacciones iniciales de descomposición R-R = el producto de la reacción de deshidrogenación Los materiales arcillosos son fundamentalmente silicoaluminatos. Estos pueden desarrollar una acción de catalización idónea para favorecer las reacciones de pirólisis en el intervalo de temperatura entre 400 y 500 °C. Por consiguiente, se pueden prever las siguientes reacciones entre el óxido de carbono que se ha formado a partir de la descomposición de la materia orgánica y los otros gases eventualmente presentes:

siendo: CmH2m+2 s

CO (g) + H2 (g) → C (s) + H2O (g) CmH2m+2 → mC (s) + H2 (g) = un hidrocarburo que se ha formado a partir de las reacciones de descomposición = material sólido

En ausencia de oxígeno, el vapor de agua que se desarrolla en las reacciones anteriores puede combinarse con los hidrocarburos presentes o con el carbono libre existente. Paralelamente, el oxígeno que puede acceder al interior de la pieza cerámica podrá reaccionar con el carbono elemental. La temperatura y la velocidad de oxidación dependerán del tipo de carbón y de las sustancias orgánicas presentes en las materias primas arcillosas. Como resultado de las reacciones descritas, cuando se calientan progresivamente las mezclas arcillosas que contienen impurezas de materia orgánica, se desarrolla primero el agua reticular de cristalización de las arcillas y, a continuación, a partir de 550÷600 °C, una mezcla de gases constituidos por H2O, CO2, CO y H2. 353


• Reducción del óxido de hierro Generalmente, el hierro se encuentra en los materiales arcillosos en forma de hematita (Fe2O3), y más difícilmente en forma del hidróxido FeO(OH) (goetita), limonita o también como carbonato. El carbonato ferroso se descompone a 460 °C, de acuerdo con la reacción: FeCO3 (s) → FeO (s) + CO2 (g) El hidróxido de hierro FeO-OH, a aproximadamente 400 °C, se transforma en óxido férrico que es estable en atmósfera oxidante (considerando que la presión parcial del oxígeno sea superior a su presión de descomposición). En cambio, en ausencia de oxígeno la hematita puede descomponer progresivamente, perdiendo oxígeno: Fe2O3 → hematita

Fe3O4 → magnetita

FeO → wustita

Fe hierro metálico

Por otra parte, el óxido de hierro Fe2O3, en presencia de óxido de carbono e hidrógeno (CO y H2), puede ser reducido todavía a temperaturas superiores a 550 °C. - Condiciones de trabajo orientadas a eliminar el problema de “corazón negro” Las condiciones y las soluciones idóneas para disminuir la problemática del corazón negro pueden ser: • Evitar el uso, en porcentajes muy altos, de materias primas (arcillas) que contengan sustancias orgánicas y/o compuestos inorgánicos como Fe (bivalente). No se puede definir un contenido máximo tolerable de estos materiales o impurezas, ya que el desarrollo del defecto de corazón negro depende de múltiples factores (ciclo de cocción, dimensión y espesor de la baldosa, presión de conformación, tipo de esmalte utilizado). • Formular composiciones que otorguen a la pieza cerámica una permeabilidad suficientemente elevada durante la fase de precalentamiento, para que se puedan optimizar las reacciones de oxidación. También en este caso, es muy difícil indicar y proponer soluciones específicas para favorecer el desarrollo de estructuras muy permeables, en grado, por lo tanto, de facilitar la salida de los gases de reacción. Sin embargo, en el proceso de trabajo, se deben adoptar todas aquellas soluciones apropiadas para favorecer esta situación, de forma compatible con los otros parámetros. • Optimización de la curva de cocción Como última cuestión, pero no por esto menos importante, cabe señalar la importancia de las condiciones de cocción. Para evitar la formación de corazón negro, en algunos materiales, es indispensable que la curva de cocción cuente con una zona de estabilidad a una temperatura preestablecida; o bien, esta última debe ser incrementada muy lentamente en algunas zonas de la curva misma (por ejemplo a 300÷500 °C o a 500÷700 °C). 354

Defectos

Todo esto es útil para favorecer los procesos de descomposición y oxidación, además de la salida de los gases que se han formado, antes de que la fusión del esmalte impida su difusión al exterior. Sin embargo, dichos intervalos de temperatura también pueden ser diferentes, en función de las características del soporte y del punto de reblandecimiento del esmalte. • Modificación de la atmósfera del horno en la zona de precalentamiento Se ha comprobado que, al aumentar la presión parcial del oxígeno en la zona de precalentamiento, se reduce o se evita la aparición de corazón negro. Un método para aumentar el contenido de oxígeno en la atmósfera del horno es mediante el incremento de los volúmenes de aire primario de combustión en los quemadores. - Eflorescencias Las eflorescencias son concentraciones de sales que pueden aparecer eventualmente en la superficie de la pieza cocida, si el porcentaje de sales solubles en la pasta supera ciertos niveles. Estas concentraciones deben atribuirse a la migración de soluciones salinas a través de la textura porosa de la baldosa, causando, entonces, la subsiguiente acumulación de estas sales donde la evaporación del agua es más rápida. La acumulación conduce a la precipitación de sales solubles cuando la solución queda sobresaturada. A igualdad de concentración de sales solubles, los soportes que presentan una permeabilidad más elevada tienden a manifestar este problema en mayor medida. Las sales solubles presentes en el soporte pueden tener orígenes muy diferentes. Pueden estar ya presentes en las materias primas o formarse durante la cocción, a consecuencia de las reacciones químicas entre los diferentes componentes, o entre estos y los gases de combustión que envuelven las piezas cerámicas. En general, las sales solubles que provocan las eflorescencias pueden estar presentes en las materias primas arcillosas o pueden originarse: • a partir de los gases producidos por la combustión (SO3); • a partir del agua utilizada en la producción (sulfatos, cloruros, nitratos). No solo los sulfatos y los cloruros más solubles presentes en las materias primas pueden ser la causa de las eflorescencias, sino también algunos sulfatos poco solubles como los de Ca y Mg y otros sulfuros insolubles. Los defectos de fabricación atribuibles a la presencia de sales solubles se pueden manifestar como manchas amarillo-parduscas, o la presencia de cráteres o burbujas en la superficie del esmalte, o incluso como una falta de adherencia del esmalte al soporte (figura 12). Las manchas amarillo-parduscas pueden originar de la presencia de sales solubles de hierro y manganeso. Los defectos mencionados, a veces, no dependen solo del porcentaje de sales solubles presentes en el soporte, sino también de otros factores, como: • las condicionas higrométricas del aire ambiental, valores elevados de humedad del aire y temperaturas ambientales altas que favorecen la concentración de las sales en el perímetro o en las esquinas de la baldosa; 355


Figura 12.

•

condiciones de cocción. En particular, la dinámica de los volúmenes de aire y el repuesto del aire de combustión dentro del horno son factores muy importantes para eliminar o limitar la agresión hacia el esmalte.

Es evidente que es importante suprimir o reducir al mínimo en la composición las materias primas que contienen estas sales. Si esto no es posible, algunos planteamientos adecuados para contener el problema son: • tratar de provocar la precipitación de las sales solubles, en forma de sales insolubles, con reacciones de doble intercambio. En el caso de los sulfatos, la incorporación, durante la fase de molienda, de carbonato de bario puede aportar buenos resultados. Está claro que las cantidades agregadas de estas sales deben ser dosificadas de manera estequiométrica con las cantidades de las sales presentes, para no empeorar la situación; • en el caso de la bicocción, cocción del bizcocho a temperaturas más elevadas. En este caso, se puede favorecer la absorción de los iones de SO3, Cl en la estructura del soporte cerámico. Patologías atribuibles a las características tecnológicas de la pasta Resulta muy difícil tratar esta cuestión en pocas líneas, ya que los problemas relativos a los aspectos tecnológicos de la pasta pueden ser muy diferentes, en función del producto (pavimento o revestimiento) y del tipo de tecnología empleada (bicocción o monococción). En todo caso, a continuación presentamos algunos conceptos generales inherentes a los diferentes problemas que pueden afectar las diferentes tecnologías, retomando los argumentos de interés al respecto de otros capítulos de una forma más detallada. Antes de proceder a la descripción de los conceptos específicos de los problemas tecnológicos de la pasta y, por lo tanto, indirectamente, de las materias primas, es útil enumerar y definir las familias de los diferentes productos cerámicos, reseñando también las diferencias de carácter tecnológico. 356

Defectos

Para cada una de estas familias se tratarán entonces brevemente los problemas tecnológicos más frecuentes. La relación de los materiales más significativos está formada por: A) Pavimentos gresificados de cocción blanca. B) Pavimentos gresificados de cocción roja. C) Pavimentos gresificados clasificados como gres porcelánico. D) Revestimientos porosos de cocción blanca. E) Revestimientos porosos de cocción roja. Las familias de productos descritas en los puntos A, B, C, se obtienen generalmente por el proceso de monococción. Aquellas en cambio señaladas en los puntos D y E pueden obtenerse tanto por el proceso de bicocción como de monococción; por consiguiente, los problemas tecnológicos podrán ser diferentes en función del tipo de tecnología adoptado. Es evidente que, al hablar de “patologías tecnológicas de la pasta”, se tenga que prescindir de los problemas que puedan derivar de una formulación desequilibrada. Las descripciones de los problemas se efectuarán especialmente con vistas a identificar sus efectos y, si es posible, analizar sus causas. Los problemas más frecuentes que pueden afectar los diferentes tipos de soporte pueden ser: • Problemas de fluidificación de la pasta Una difícil fluidificación de la pasta puede llevar a la necesidad de utilizar porcentajes de agua más elevados para proceder a la molienda de la pasta misma. Se trata de un problema que puede afectar todos los productos descritos en los puntos A, B, C, D, E. Generalmente, esta problemática puede estar asociada a diferentes causas, como: - naturaleza de los minerales que constituyen las arcillas; - granulometría muy fina de las partículas arcillosas; - eventual presencia de materia orgánica (ácidos húmicos u otro) en porcentajes excesivos; - presencia de sales solubles en altos porcentajes; • Dificultad de prensado También este problema puede afectar todas las familias de productos descritas en los puntos A, B, C, D, E. Los defectos pueden ser diferentes, pero las causas de naturaleza tecnológica que los originan, en general, serán parecidas y son: - la naturaleza mineralógica de las arcillas que constituyen la pasta; - la granulometría demasiado fina de las partículas arcillosas o también de otros minerales; - la forma de las partículas mismas, es decir con estructura plana (bidimensional), acicular o fibrosa; - la “plasticidad” o “no plasticidad” de la pasta. Todos estos aspectos o condiciones de las materias primas que forman la pasta conducen a problemas en la producción, como: 357


- defecto de laminación o exfoliación; - escasa resistencia mecánica; - ensuciamiento de los moldes. El defecto de laminación comporta una estratificación del polvo que impide la salida del aire contenido en los polvos mismos, impidiendo, por lo tanto, el prensado de las baldosas. Una escasa resistencia mecánica después del prensado entraña frecuentes roturas de las baldosas, tanto en las producciones de bicocción como de monococción. Un ensuciamiento excesivo de los moldes lleva a una notable pérdida de tiempo para su limpieza, disminuyendo, por lo tanto, el coeficiente de uso de la máquina. Es evidente que este problema se produce de modo relevante en el caso de los moldes de acero y mucho menos en los moldes revestidos de caucho o resina. • Dificultad de secado El problema se puede presentar de manera diferente, en función de la tecnología de fabricación, es decir, monococción o bicocción tradicional. Sin embargo, en ambos casos, aunque el defecto puede ser diferente, las causas que lo han originado pueden considerarse bastante parecidas, es decir: - la naturaleza de los minerales arcillosos; - la granulometría demasiado fina de las partículas arcillosas; - comportamiento atípico de las baldosas prensadas en la fase de secado (fuerte dilatación y escasa resistencia mecánica). Estos aspectos o condiciones de las materias primas que componen la pasta pueden llevar, durante la producción, a los siguientes tipos de problemas: - excesiva contracción en la fase de secado; - baja resistencia mecánica después del secado. En el caso de la tecnología de monococción, el defecto es más evidente, ya que la rotura de las piezas a lo largo de las líneas de esmaltado o en los puntos de mayor solicitación mecánica resulta mucho más probable y frecuente. Normalmente, la resistencia a la flexión después del secado de un producto cerámico no debería ser inferior a 25÷30 kg/cm2. Ciertamente, además de la composición de la pasta y, por lo tanto, de las características de las materias primas, los defectos que se pueden asociar a esta fase de elaboración pueden depender de los métodos de trabajo y de las características de los semielaborados, es decir: - gestión del secadero (curva de secado); - porcentaje de agua en las baldosas de entrada; - condiciones y estado higrométrico del aire; - otras causas.

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Problemas que se manifiestan después de la cocción asociados a la naturaleza de las materias primas Esta cuestión, aún más que los problemas precedentes, no puede tratarse a fondo en pocas líneas. En efecto, las variables que dependen del proceso de sinterización o gresificación son múltiples e interaccionan de modo muy complejo. Por lo tanto, la descripción solo puede ser general. Está claro que una buena gresificación o sinterización de la pasta depende de la calidad de las materias primas utilizadas, de su relación y de la reactividad entre los diferentes componentes (óxidos). Es evidente, sin embargo, que las características como: - valores elevados de carga de rotura; - contención de los valores de contracción; - valores de porosidad compatibles con el producto; - elevada estabilidad en la cocción (intervalo de cocción amplio), dependen esencialmente de la naturaleza de las materias primas y de su reactividad; - escasa estabilidad dimensional en cocido. Este defecto es sin duda más frecuente en los materiales gresificados (familias A, B, C), donde los cambios dimensionales son más evidentes y por lo tanto asumen un peso importante. Los problemas son defectos de geometría (descuadres), variación dimensional, de los lados (calibre), etc. Estos son tanto más evidentes cuanto más estrecho es el intervalo de estabilidad (diferencial de temperatura). Asimismo, el origen del problema también puede tener que ver con el proceso de elaboración, es decir, con el prensado, la cocción; sin embargo, la naturaleza de las materias primas y, por consiguiente, la composición de la pasta desempeñan un papel fundamental. De hecho, la estabilidad o su ausencia en una composición gresificable depende de la magnitud de los flujos vítreos que se forman y de su viscosidad. Se reconoce que las pastas de cocción blanca presentan intervalos de estabilidad más amplios que las pastas de cocción roja; esto deriva de la naturaleza de los vidrios que se forman y de su viscosidad más elevada. El fenómeno es muy complejo y está relacionado con muchos factores químico-físicos concadenados entre sí. La composición de la pasta o, mejor, la naturaleza de las materias primas posee una gran influencia sobre la manifestación o no del defecto. La presencia de un exceso de materia orgánica, junto a una granulometría muy fina de los minerales arcillosos, puede ser una causa del problema. Otros defectos procedentes de las materias primas a) Contracción de secado excesiva Esta característica provoca normalmente el defecto de las pequeñas “grietas” en los bordes de las baldosas, con una longitud de 1/1.5 cm. Las grietas suelen estar sobre el mismo lado. El defecto es típico de muchas arcillas de gres de naturaleza muy plástica. Cuando el 359


producto se seca, la baja resistencia mecánica del mismo no es suficiente para soportar el esfuerzo mecánico que la contracción provoca en la baldosa. El límite normal que pueden resistir los productos prensados, en el secado, es una contracción del 0.25-0.30%. El defecto puede averiguarse en la producción sobre diferentes suministros de arcilla procedentes de puntos diferentes de la cantera y por la escasa homogeneización de los productos extraídos. De todas formas, la característica puede verificarse con un simple control de laboratorio. b) Baja resistencia mecánica en “verde” La característica tiende a provocar el defecto de frecuentes roturas, tanto en las producciones de bicocción como de monococción. Las roturas se desarrollan en las operaciones de vuelco de las piezas y de carga en los secaderos rápidos. Las bajas en crudo que se generan son completamente recuperables y se vuelven a incorporar en el ciclo en los molinos. Para asegurar un correcto proceso de elaboración es necesario que a la salida de la prensa el producto no tenga menos de 0.7-0.8 N/mm2 de resistencia a la flexión. c) Baja resistencia mecánica en seco La característica provoca defectos de frecuentes roturas de las piezas a lo largo de las líneas de esmaltado y transporte, en los puntos de mayor solicitación mecánica. Normalmente, la resistencia mecánica en seco no debe ser inferior a los 1.8-2.5 N/ mm2 en la flexión. Para los orígenes del defecto en la producción, es de aplicación lo señalado en el punto anterior. d) Exceso de cuarzo libre Un aumento porcentual de cuarzo libre en una composición provoca un incremento del coeficiente de dilatación. Ya que el pico dilatométrico del cuarzo se produce por una variación alotrópica y, por lo tanto, a una temperatura fija (575 °C), es comprensible que el incremento porcentual de esta sustancia aumente las tensiones mecánicas que se ocasionan con la superación de esta temperatura. La variación en el contenido de cuarzo libre es fácil de establecer en los diferentes suministros por análisis dilatométrico. Entonces, cuando la cantidad de cuarzo no encuentra el modo de reaccionar durante la cocción, transformándose en silicatos, podemos encontrar el llamado defecto de “desventado” de enfriamiento. e) Escasa resistencia mecánica en cocido El defecto repercute en el producto acabado y provoca quejas y reclamaciones de parte de los clientes por el exceso de bajas que se genera en la fase de colocación en obra. En el origen está la insuficiente reacción y sinterización de los componentes arcillosos y no arcillosos de la pasta. El defecto puede derivar de la variación porcentual de los mismos, así como de una variación de la relación materias primas plásticas/materiales no plásticos. Al igual que los problemas considerados anteriormente, un simple control de las características tecnológicas de las materias primas asegura la prevención de este defecto. 360

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Defectos procedentes de la preparación de la pasta a) Molienda insuficiente El efecto de una insuficiente molienda cambia naturalmente para una composición de un componente único, comparada con una composición realmente compuesta. En el primer caso, se obtiene una ligera diferencia de aspecto superficial (superficie más rugosa) y una disminución de la resistencia mecánica que en muchos casos no es apreciable. Sin embargo, en el segundo caso los problemas pueden ser de naturaleza diferente. En efecto, las partículas gruesas retardan las reacciones de los componentes. En la mayoría de los casos no se obtienen las características físico-mecánicas deseadas. A menudo es suficiente controlar los residuos sobre tamiz de las barbotinas y, cuando es posible, la curva de distribución granulométrica para prevenir o corregir el inconveniente señalado. b) No uniformidad de la humedad Se encuentra normalmente cuando el polvo de prensa ha tenido tiempo insuficiente de reposo (almacenamiento) para que la humedad se pueda difundir y homogeneizar dentro del silo. El fenómeno es más frecuente en las moliendas en seco. Como primer efecto se produce una evidente tendencia a la exfoliación (laminación); a continuación se encuentran resistencias mecánicas en verde muy diferentes de un momento a otro. En el caso de los polvos atomizados, la situación es menos grave porque la humedad no está concentrada en el exterior de las partículas, sino en el interior. De hecho, el control de la humedad se realiza generalmente sobre una muestra media de polvo tomada de diferentes puntos de la cinta y en el intervalo de tiempo de aproximadamente un minuto. El problema se reduce con al menos 24 horas de reposo en el caso del atomizado, y con 36-40 horas en el caso de la molienda en seco. c) Excesos de humedad en los polvos de prensa El primer efecto que provoca una humedad excesiva en el polvo de prensa es un mayor ensuciamiento de los moldes, obligando al personal destinado a las prensas a realizar limpiezas más frecuentes. En el caso de las tecnologías de cocción rápida, el exceso de humedad del polvo de prensa asume un particular significado, ya que conduce de forma indirecta a la formación de corazón negro. d) Escasa humedad del polvo de prensa Cuando se verifica una disminución de la humedad del polvo, como efecto se observa una mayor dificultad de prensado con la tendencia a la exfoliación y una dificultad de extracción de la baldosa del molde. Cabe destacar que el polvo con una humedad insuficiente genera un incremento de los valores de expansión en prensado. 361


Esta mayor expansión conlleva un mayor esfuerzo de rozamiento en las partes del molde cuando el punzón inferior efectúa la expulsión. El otro efecto provocado por la insuficiente humedad del polvo es una baja resistencia mecánica en verde con el aumento de las roturas de tipo mecánico en las siguientes fases de elaboración. e) Granulometría excesivamente fina del polvo de prensa Una distribución granulométrica anómala (polvo muy fino) provoca el defecto de la laminación. Esto se origina por la baja densidad aparente del polvo y, por consiguiente, por su alto contenido de aire, que luego debe ser expulsado. f) Granulometría excesivamente gruesa El efecto sobre el producto es la obtención de superficies que no están bien rectificadas y lisas con un aspecto granular. Los inconvenientes son un frecuente ensuciamiento de los moldes. g) Segregación granulométrica El problema es particularmente frecuente en las producciones de gres porcelánico donde la segregación granulométrica en la tolva de la prensa provoca el llenado de los alvéolos exteriores con material de granulometría más grande. Queda en todo caso el concepto de utilizar polvos atomizados de granulometrías uniformes, tendencialmente incluidas en la fracción granulométrica de 0.3-0.5 mm. h) Grumos por las incrustaciones Los grumos se forman por el fenómeno de la condensación en los silos, en los elevadores y en las tolvas. Al tener grumos de humedad y densidad diferente de los valores medios normales del polvo, estos presentan un comportamiento diferente en la cocción. En los casos más claros, alrededor del grumo se forma una pequeña grieta por la diferencia de contracción. En los casos menos evidentes, se forman pequeñas depresiones en la superficie del esmalte a causa de la menor absorción que presentan las zonas afectadas por los grumos mismos. Para eliminar el defecto se suelen utilizar tamices de control, antes de la alimentación de la prensa, con telas más finas, y se trata de disminuir el fenómeno en origen. Defectos procedentes del prensado - Ensuciamiento de los moldes El problema se manifiesta con defectos de superficie en el producto recién prensado (figura 13). La calidad de la superficie del molde tiene una importancia notable; en efecto, la rugosidad que se genera con el uso comporta una mayor posibilidad de ensuciamiento. La construcción de moldes revestidos de un caucho especial, que permite trabajar con una intervención limitada para la limpieza, ha facilitado la solución del problema. 362

Defectos

- Exfoliación o ahojados El defecto aparece con estratificaciones laminares del material (figura 14). El defecto puede originarse por diferentes razones: 1) Cuando la velocidad de bajada de la traviesa para el primer golpe es excesiva, al no permitir el aire de separarse del polvo. 2) Cuando el tiempo de levantamiento de la traviesa entre el primer y el segundo golpe es insuficiente para permitir la salida de todo el aire.

Figura 13.

Figura 14.

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3) El defecto puede tener su origen en la construcción del molde cuando no se dejan suficientes luces de apertura entre los punzones y las plaquetas, luces que deben estar calculadas para la temperatura de funcionamiento del molde mismo. - Defectos por la dificultad de extracción Se presenta normalmente de dos formas: - la primera se manifiesta en forma de grietas que se dirigen desde el exterior hacia el centro de la baldosa sin afectar necesariamente los bordes exteriores (figura 15); - la segunda consiste en un defecto de planaridad de las baldosas. Las causas de este problema pueden ser varias: 1) excesiva velocidad del punzón inferior en la extracción; 2) insuficiente conicidad de las plaquetas, para no permitir la expansión normal de las piezas; 3) tiempo muerto excesivo entre el final del prensado y el principio de expulsión; 4) excesivo desgaste del molde; 5) diseño inadecuado la cara del reverso. - Rebabas en los bordes El defecto se aprecia al final de las operaciones de cepillado y desbarbado realizadas sobre el banco de recogida. El defecto se puede comprobar tanto sobre la cara “vista” de la baldosa como sobre la cara del reverso. Puede tener su origen en un exceso de desgaste del molde. Normalmente las rebabas que se forman en el prensado en los bordes de la superficie a esmaltar se eliminan con los cepillos, mientras que las rebabas más consistentes del reverso se eliminan con regletas adecuadas. Las rebabas en la superficie a esmaltar provocan defectos estéticos y el empeoramiento de la calidad del producto acabado. - Defecto de carga La falta de homogeneidad de la carga depende de la regulación del carro de alimentación y genera densidades diferentes en los diferentes puntos de la baldosa.

Figura 15.

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Defectos

El defecto es detectable con un preciso control de los espesores y mediante controles de la densidad aparente con el “penetrómetro” o, mejor, con el densímetro de mercurio. - Exceso de presión En la monococción de ciclo rápido puede provocar el defecto de “corazón negro”. El excesivo acercamiento de las partículas impide la salida de los gases desarrollados por la combustión de las sustancias orgánicas, originando por consiguiente el desarrollo del corazón negro. Defectos de esmalte y esmaltado A continuación examinaremos algunos de los defectos más típicos y frecuentes que se presentan. Defectos procedentes del esmalte a) Excesiva o escasa molienda El exceso de molienda tiene un efecto negativo sobre los esmaltes de elevada tensión superficial como los blancos de circonio, ya que aumenta la tensión superficial hasta provocar verdaderos cortes por la contracción del esmalte. Muchos son los efectos obtenidos por granulometrías particulares de los componentes. Por ejemplo, un rústico con corindón, molturado en exceso, adquiere una superficie no vidriada por exceso de refractariedad. En cambio, un esmalte cargado de materiales circoniferos, por exceso de molienda, genera rasgados. Además del cambio sustancial de aspecto superficial, el exceso de molienda siempre va acompañado de una mayor capacidad del esmalte a retener agua y, por lo tanto, a presentar un peor secado. Es importante verificar correctamente los residuos de molienda de todos los molinos antes de la puesta en producción. b) Falta de plasticidad El término plasticidad para un esmalte, incluso siendo impropio, es muy utilizado para indicar la capacidad de adherencia al soporte. En crudo, muchas veces es difícil apreciar el problema porque se manifiesta principalmente en las primeras fases de la cocción, cuando empiezan las primeras acciones de contracción y fusión del esmalte que, al no adherir perfectamente al soporte, tiende a rizarse. En la monococción es necesario recurrir a aglutinantes de tipo CMC. La incorporación del adhesivo a menudo es útil también en la bicocción donde existen problemas de adherencia del esmalte. Otros elementos que contribuyen a aumentar la plasticidad son las arcillas, tipo ball clay, caolines que se pueden añadir en proporciones hasta 8-10%, y las bentonitas. Dichos materiales, aparte de su acción plastificante, desempeñan también un importante papel como suspensionantes. Una correcta suspensión es importante con vistas a 365


mantener constante la densidad de la aplicación e impedir la separación de los materiales por decantación. c) Ausencia del intervalo de estabilidad Existen esmaltes con una fuerte inestabilidad. Son sensibles a pequeñísimas variaciones de temperatura o ambiente de cocción. Esta sensibilidad a menudo conduce a diferencias de tonos de color que pueden manifestarse entre baldosa y baldosa. d) Excesiva o escasa fundencia Este problema se origina en la composición misma del esmalte. En el caso de un exceso de fundencia se pueden generar defectos en forma de burbujitas superficiales en los bordes o donde el esmalte presenta espesores más sutiles. e) Fritado incompleto Es un inconveniente que tiene su origen claramente en las fritas y conduce normalmente a dos tipos de defectos: 1) formación de burbujitas y otros defectos superficiales por la salida de productos gaseosos no totalmente descompuestos en la fusión; 2) solubilidad parcial de los componentes que, químicamente, no han sido ligados completamente. Se considera por lo tanto importante que las fritas de partida se comprueben con los métodos de control previstos en la empresa. Defectos de aplicación a) Desprendimiento del esmalte La baldosa cocida se presenta con áreas más o menos amplias donde el esmalte se ha levantado durante la cocción. En general, el esmalte que rodea las zonas descubiertas presenta un borde redondeado y espesado. A veces estos recogidos de esmalte pueden aparecer en los bordes o en las esquinas de la baldosa; en otros casos, se manifiestan como amplias manchas espesadas en alternancia con zonas descubiertas o incluso como agujeros circulares más o menos amplios. Otros factores como el tipo y la cantidad de material plástico presente en el esmalte, el espesor de la aplicación, el grado de adherencia del esmalte al soporte y también la resistencia en crudo del esmalte, representan parámetros fundamentales para evitar la aparición del problema. b) Contracción de los esmaltes El desarrollo de las tensiones entre el soporte cerámico y el esmalte puede generar en este último pequeñas fracturas. Entonces, si el vidrio presenta una alta viscosidad en fundido, estas fracturas no se cerrarán; esto es típico de las mayólicas con un alto contenido de silicato de circonio, mientras que es mucho menos frecuente en la mayoría de los vidrios de composición 366

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plúmbica. Por otra parte, si la tensión superficial del esmalte fundido es elevada, el esmalte presentará este defecto de manera proporcional. La contracción de los esmaltes (por tensión superficial) debe atribuirse a: - Uso inadecuado del tipo o proporción de material plástico. - Presencia de componentes especiales. La presencia de materiales como el óxido de cinc, talco, carbonato de magnesio, mármol, hidrato de aluminio, caracterizados por una amplia contracción de secado y en cocido, es la fuente de estos defectos. Estos materiales retienen grandes cantidades de agua y aumentan la viscosidad del esmalte. - Excesiva molienda El exceso de molienda provoca un aumento de la tensión superficial del esmalte y una pérdida de adherencia. - Presencia de sales solubles El uso de fritas o materias primas que presentan una fuerte solubilidad es la causa de fenómenos análogos a aquellos tratados anteriormente. Generalmente, el defecto tiende a manifestarse con el uso de esmaltes que han quedado desleídos en agua durante un tiempo prolongado. - Aplicaciones superpuestas Puede ocurrir a veces que los esmaltes no sujetos a contracción presenten este problema cuando: • El esmalte de fondo resulta polvoriento e impide al esmalte aplicado después de agarrarse adecuadamente. • La segunda aplicación va a mojar de nuevo la primera capa de esmalte apenas secada que se levanta del soporte. • Los dos esmaltes son incompatibles entre sí por la tensión superficial y la viscosidad. c) Interacción con los ciclos de producción Queda por subrayar que a menudo la causa de estos defectos no es una sola, sino que debe considerarse en cambio como una serie de causas coincidentes. La suma de múltiples fenómenos negativos o la presencia accidental de causas externas a la naturaleza del esmalte pueden estar en el origen de los defectos. Falta de acoplamiento entre el esmalte y el soporte Esta anomalía deriva de la incompatibilidad entre el coeficiente dilatométrico del soporte y del esmalte, y puede ser la causa de relevantes defectos. Al término de la cocción, en la fase de enfriamiento, el esmalte fundido se encuentra en interacción con el soporte. Si los coeficientes de dilatación térmica del soporte y del esmalte difieren de manera apreciable entre sí, se pueden desarrollar tensiones que lleguen a provocar fracturas en el esmalte ya consolidado (cuarteo-desconchados). 367


a) Cuarteo y desconchados Si el coeficiente de dilatación térmica del vidrio es más alto que aquel del soporte, en el enfriamiento, debajo del punto de transformación del vidrio, el esmalte se contraerá más y, por lo tanto, se encontrará en tracción. Si esta tensión es superior al módulo de elasticidad del vidrio, provocará su rotura. Este defecto se conoce como cuarteo y se manifiesta en forma de sutiles fisuras. En el caso inverso, es decir, cuando durante el enfriamiento el coeficiente dilatométrico del soporte es superior a aquel del esmalte, el vidrio se encontrará en compresión. En condiciones límite esto puede provocar la fractura del vidrio con numerosos desconchados que se levantan de acuerdo con las líneas de rotura. Este fenómeno se conoce como desconchado. El riesgo de este defecto es, sin embargo, muy raro, ya que la resistencia a la compresión en los vidrios es aproximadamente 10 veces superior a la resistencia a la tracción. La experiencia ha demostrado que es preferible trabajar con vidrios en ligera compresión, también para guardarse de los eventuales acrecentamientos de volumen del soporte, causados por la absorción de humedad antes y durante la colocación. No raramente, el cuarteo puede descubrirse como una serie de fracturas localizadas predominantemente en los bordes de la baldosa, con un recorrido circular (cuarteo de cebolla). b) Interacción soporte-esmalte Cabe reseñar también la influencia sobre los fenómenos dilatométricos de la interacción entre el soporte, engobe y esmalte. Una adecuada reactividad entre el soporte, engobe y esmalte es indispensable para obtener una buena adherencia entre los mismos. Una buena compenetración entre el esmalte y el soporte es indispensable para evitar que el revestimiento cocido se separe del soporte a causa de pequeños choques contra los bordes. Esto es un fenómeno bastante típico en la bicocción. De hecho, en la monococción, ya que los soportes son más permeables en la primera fase de cocción, son más reactivos. Defectos de la superficie esmaltada Los defectos que afectan la superficie de las piezas cerámicas se presentan bajo formas muy diversas. Raramente se pueden asignar a una única causa, sino a la concurrencia de múltiples factores negativos. Generalmente estos defectos no constituyen un empeoramiento de las cualidades funcionales de la baldosa, como en el caso de los defectos analizados anteriormente, sino que inciden negativamente en su aspecto estético. a) Pinchados en los vidriados El defecto de los pinchados en los vidriados se encuentra entre los más frecuentes y al mismo tiempo entre los más difíciles a eliminar. Las baldosas con defectos que se manifiestan después de la cocción presentan una superficie cubierta más o menos intensamente de minúsculas depresiones. 368

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Esto es el resultado de la afloración en el vidrio fundido de burbujitas gaseosas, las cuales, una vez vencida la tensión superficial del esmalte, estallan. En algunas condiciones estos fenómenos pueden ocurrir sin dejar huella cuando el esmalte es capaz de cerrar las depresiones formadas; otras veces esto no sucede. Los parámetros que más influyen en la salida de los gases de los vidrios fundidos son la viscosidad y la tensión superficial. La viscosidad a la temperatura de maduración es una característica importante de los esmaltes, que determina su capacidad de estirarse sobre el soporte y formar una capa uniforme. Los vidrios más fluidos permiten una eliminación más completa y rápida de los gases presentes en la masa vítrea. En las mismas condiciones de cocción, los vidrios caracterizados por una elevada viscosidad presentan una mayor tendencia a estos defectos de pinchados. Por otra parte, la influencia de la tensión superficial en estos fenómenos desempeña un papel fundamental. Una tensión superficial más elevada es preferible para facilitar la reabsorción de las burbujas residuales en el desarrollo del enfriamiento.

Naturaleza y formación de las emisiones gaseosas a1) Fritado defectuoso Si durante la preparación de la frita y especialmente en el momento de la fusión, una parte de los constituyentes del vidrio no está ligada perfectamente y, por consiguiente, conserva una cierta inestabilidad, en el desarrollo de la segunda cocción podría interaccionar de nuevo con los otros constituyentes de la masa vítrea, provocando la liberación de gas. La falta de estabilidad, o la ausencia de homogeneidad de las fritas, se muestra particularmente perjudicial en la presencia de los ciclos de cocción rápidos, donde los tiempos para el desarrollo de las reacciones en la nueva cocción son extremadamente breves. En consecuencia, en estas condiciones los eventuales desprendimientos gaseosos que generen imperfecciones en la superficie fundida serán inevitablemente la causa de defectos que no desaparezcan en el enfriamiento. a2) Adiciones al molino Especialmente en los ciclos de cocción rápida y en el caso que se tengan que efectuar adiciones al molino, no se deben utilizar materias primas que desprendan gases o presenten una reactividad que contraste con la duración y la temperatura de la cocción. La inadecuada observación de esta norma podría llevar a la formación de defectos puntuales como los desventados, agujeros, pinchados, etc. a3) Sobrecocción La sobrecocción de los revestimientos puede ser la causa de pinchados. Particularmente sensibles a estos fenómenos son los esmaltes caracterizados por una elevada presencia de óxidos alcalinos. En efecto, estos óxidos tienden a volatilizarse con una excesiva cocción, desarrollando minúsculas burbujitas que generan pinchados. 369


a4) Presencia de sales La presencia de sales como los sulfatos y carbonatos (particularmente los solubles), que pueden proceder del soporte, del agua de molienda, de los pigmentos, de los aditivos o del esmalte mismo, pueden ser la causa de pinchados. Los como: • • • • •

pinchados en los vidriados pueden ser fruto además de causas accidentales Contaminación del esmalte durante el ciclo productivo; Retención de aire durante la aplicación; Secado imperfecto; Cocción incompleta. Enfriamiento demasiado rápido

b) Balsas A veces las superficies de los esmaltes brillantes, especialmente los esmaltes blancos de circonio, presentan balsas de cierta importancia. Este defecto se manifiesta como una ligera depresión de forma circular cuyas dimensiones superan muy raramente los 5-6 mm de diámetro. Una razón para la aparición de estas imperfecciones debe buscarse en la presencia de gránulos de frita con una granulometría superior. Generalmente, esto se debe a un tamizado inadecuado. En la fusión, estos gránulos presentan obviamente un comportamiento anómalo con respecto a la masa vítrea que los rodea. Otra causa de estas depresiones es una notable falta de homogeneidad de absorción por parte del soporte, en el caso de la bicocción. c) Gránulos en relieve La presencia de gránulos en relieve en la superficie de los esmaltes es a menudo la consecuencia de contaminaciones que pueden ocurrir durante el ciclo productivo de las baldosas. Otra causa de la presencia de los gránulos en relieve puede ser la incorporación al molino de silicato de circonio u otros materiales duros, que no han sido molturados convenientemente. El defecto en este caso se caracteriza por la presencia de minúsculos puntos blancos en relieve muy visibles. d) Pérdida de brillo o matificación A veces sucede que la superficie del producto acabado no resulta brillante como se deseaba, sino que presente zonas de brillo indiferente. En otros casos el fenómeno aparece con una variación más o menos evidente de la intensidad o tonalidad de la coloración. Si se aplica un esmalte muy fundente sobre un soporte con una alta porosidad y, de modo especial, si es en gran medida silíceo, puede ocurrir que el esmalte reaccione tan intensamente con la pasta a quedar casi totalmente absorbido. Esto genera un empobrecimiento de la fase vítrea en el esmalte, tal de modificar sensiblemente su aspecto final. La concentración de aquellos compuestos no vítreos y escasamente reactivos que estuvieron contenidos en el esmalte origina generalmente superficies opacas y mates. Muy a menudo este defecto va acompañado de la aparición de numerosos agujeritos en la superficie del esmalte, que presenta un aspecto esponjoso. 370

Defectos

Hemos visto anteriormente que una excesiva tendencia a la volatilización de los óxidos alcalinos puede ser la causa de la formación de pinchados. Los vidrios pueden presentar a veces fases sin disolver. Habitualmente se constituyen de sílice o de óxidos como los de calcio, bario, aluminio, magnesio, estaño, cromo y también de espinelas. Si estas fases, habitualmente opalescentes, se presentan en la superficie o inmediatamente por debajo de ella, el esmalte puede caracterizarse por una opacidad u ocasionalmente por una pseudomatificación. Ya que la desvitrificación es un fenómeno bastante complejo, a menudo genera problemas. Así, sucede que las superficies que deberían haber sido uniformemente mates presenten en cambio zonas más brillantes o, en el caso opuesto, esmaltes brillantes que presentan toda la superficie o parte de ella con escaso brillo. Ya anteriormente hemos señalado como incluso la desvitrificación, siendo un fenómeno ligado a la composición del esmalte, está condicionada en gran medida por el desarrollo del ciclo de cocción y especialmente por el enfriamiento. En líneas generales, en el caso que se quiera evitar la manifestación de fenómenos de desvitrificación, por lo que se refiere a los ciclos convencionales, se considera que la relación entre el contenido de SiO2 y los óxidos básicos del esmalte debe ser 3:1. Sin embargo, a veces en presencia de esta proporción o incluso en presencia de otras teóricamente todavía más desfavorables para la desvitrificación, este fenómeno aparece. Esto se debe al hecho que no todos los óxidos básicos tienen el mismo comportamiento. Notoriamente, la excesiva presencia del óxido de calcio, magnesio o cinc es la causa de la desvitrificación. Por otra parte, el comportamiento de los diferentes óxidos desvitrificadores con relación a los ciclos de enfriamiento es muy diferente. Los esmaltes mates de alúmina, por ejemplo, son muy sensibles a la diversidad de temperaturas en el desarrollo del enfriamiento. Sucede entonces que estos esmaltes, o los que contienen elevadas cantidades de ZnO, CaO, TiO2, tienden en particulares condiciones a presentar una falta de homogeneidad en el grado de matificación o brillo de la superficie. El caso más común es aquel relativo a las baldosas que presentan una matificación diferente. Esto tiene que ver con un desarrollo diferencial de la curva de enfriamiento en las varias secciones del horno. En efecto, un enfriamiento más lento significa una desvitrificación más completa; por otro lado una temperatura de cocción más alta puede representar un incremento del brillo. Eso explica por qué los esmaltes brillantes, satinados o mates puedan ser sensibles a los fenómenos de desvitrificación cuando la composición y el ciclo de cocción no son adecuados. Existen, asimismo, otros fenómenos que también poseen una estrecha correlación con los problemas de la desvitrificación. Un caso típico es aquél que se presenta a menudo en la monococción rápida en los hornos de monoestrato. En este caso sucede que el lado anterior de la baldosa presenta un aspecto notablemente diferente del resto de la superficie de la pieza. De esta forma, los esmaltes mates o cristalizados pueden tener este lado brillante o hervido. El defecto, que posee obviamente una estrecha relación con el desarrollo del enfriamiento, particularmente el directo, se origina sin embargo por la extrema sensibilidad de estos esmaltes a la falta de uniformidad de la temperatura en el enfriamiento. 371


En estos casos, la inercia térmica debida a las paredes del horno o a la masa misma de la baldosa puede ser suficiente para provocar la falta de homogeneidad de la temperatura. Según el caso, esto puede dar lugar a aumentos de viscosidad excesivamente rápidos con la consiguiente ebullición o falta de desvitrificación y aparición de zonas brillantes. e) Presencia de azufre Los efectos perjudiciales provocados por los sulfatos procedentes del soporte, de las materias primas, del agua de molienda o de los compuestos de azufre presentes en los humos de los hornos, dan lugar a una variada serie de defectos en el producto acabado. Los más comunes son la opalescencia, halos superficiales, pinchados, hervidos, desvitrificaciones, arrugas en los bordes. Estos defectos se presentan con mayor frecuencia cuando se utilizan esmaltes caracterizados por una composición más marcadamente alcalina. Los álcalis se suelen introducir como fritas en los esmaltes. Sin embargo, si estas fritas no son suficientemente ricas en sílice, anhídrido bórico, alúmina, o presentan una cierta reactividad debida a un fritado incompleto, puede ocurrir que los alcalinos resulten atacables por los óxidos de azufre presentes. Es de suponer que reacciones de este tipo, es decir, determinadas por el azufre presente en la composición o procedente de los humos, también ocurran en la fase de fritado. De todas formas, las determinaciones efectuadas para verificar este fenómeno no han permitido nunca demostrar esta idea. La presencia de anhídrido sulfuroso y sulfúrico procedente de los humos de combustión varía en función de las condiciones de cocción. Los ambientes oxidantes, particularmente en las fases iniciales de cocción, favorecen un desarrollo superior de anhídrido sulfúrico. La presencia simultánea de elevadas cantidades de vapor de agua, procedentes de la eliminación de esta de las baldosas y de la descomposición de los hidratos, puede conducir a la formación de ácido sulfúrico. Este ataca los componentes básicos del esmalte, particularmente el plomo, calcio, magnesio, que no estén fuertemente ligados a la sílice u otros componentes ácidos del vidrio. En consecuencia, se forman sulfatos muy perjudiciales, ya que su descomposición se produce con dificultad y a alta temperatura. Estas sales tienden generalmente a formar películas muy sutiles en la superficie de la baldosa, dando lugar a zonas desvitrificadas. En el caso que dichos compuestos se agrupen en zonas limitadas de la baldosa, como las esquinas, se pueden generar arrugas o hervidos. Los fenómenos descritos hasta aquí, se pueden encontrar en las producciones de bicocción rápida. Baldosas cocidas en ciclos convencionales que no presentan ningún defecto pueden manifestar halos o hervidos del tipo descrito anteriormente cuando están cocidas en un ciclo rápido. Las razones por este comportamiento anómalo deben buscarse probablemente en las diferentes velocidades de evacuación del agua de la pieza durante las primeras fases del calentamiento. Esto provoca un transporte más pronunciado de sales a la superficie. A este factor se une el uso de tiempos extremadamente reducidos de cocción, que durante la maduración del esmalte no permiten una descomposición adecuada de las sales que han aflorado y su combinación con el vidrio. Este elemento no se encuentra presente en las zonas libres de defectos. Además, en las 372

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zonas sujetas al defecto se aprecia un incremento de la concentración de Na y Al. Influencia de los colorantes La introducción de óxidos colorantes puede provocar defectos en la superficie del vidriado después de la cocción. El origen de estos fenómenos debe buscarse generalmente en una preparación inadecuada o incompleta del pigmento, pero también en una eventual interacción de este con algunos componentes del esmalte. Veremos a continuación algunos casos entre los muchos que se pueden encontrar en las producciones industriales. a) Volatilizaciones Algunos óxidos colorantes están sujetos a fenómenos de volatilización que dan lugar a numerosos inconvenientes en las superficies de las baldosas durante la cocción. Los óxidos de cromo, por ejemplo, además de los inconvenientes ya señalados relativos a los pinchados y hervidos, se utilizan ampliamente en la cerámica en virtud de su fuerte poder colorante y de su relativa estabilidad. Sin embargo, el óxido de cromo puro se caracteriza por una fuerte tendencia a generar halos. En efecto, aunque esté dotado de una baja presión de vapor y una relación de volatilización no elevada, su intenso poder colorante puede provocar fácilmente la aparición de halos. La eliminación de estos es posible recurriendo a la calcinación y al sucesivo lavado del óxido. b) Calcinación La calcinación es una fase determinante en la preparación de los colorantes. Esta operación tiene objetivos diferentes, en función de las materias primas que se utilicen y con relación al producto que se quiera obtener. Esquemáticamente, podemos decir que en el caso más sencillo, esta operación está dirigida a permitir la descomposición de los compuestos constituyentes del colorante, los cuales, a causa de la temperatura, tienden a descomponerse desarrollando gas. El uso en los esmaltes de estos materiales sin preventiva calcinación estaría acompañado inevitablemente de la aparición de numerosos defectos como pinchados, hervidos, halos, etc. Bastante más compleja es la función de la calcinación cuando con ella se propone la formación de retículos cristalinos. Estos retículos se caracterizan por ser el producto de materias primas íntimamente mezcladas, que en el transcurso de la calcinación originan, con el auxilio de los catalizadores, estructuras cristalinas nuevas dentro de las cuales se encuentran presentes iones cromóforos por intercambio iónico. Un caso todavía diferente es aquel donde se recurre a la calcinación para obtener soluciones sólidas de óxidos que tengan características mejores con respecto a los componentes individuales de partida. Un ejemplo típico de este género está representado precisamente por la calcinación del óxido de cromo e hidrato de aluminio, para obtener una solución sólida de los dos óxidos que asegura una mayor estabilidad y una menor volatilización del cromo, especialmente en el uso a alta temperatura. c) Lavado Después de la calcinación, el colorante puede contener todavía una cierta cantidad de sales sujetas a volatilización. Para eliminar estas sales se recurre al lavado del óxido, 373


finamente molturado, utilizando agua y, dado el caso, aditivos específicos que favorezcan la lixiviación de los compuestos solubles. En el caso descrito anteriormente, el lavado permitiría eliminar aquella parte del óxido de cromo que, al no haber entrado en la formación de la solución sólida, resulta soluble al agua y sería por lo tanto una fuente de halos, debido a su difusión. Otro caso en el que el lavado se hace indispensable ocurre cuando la calcinación, que se realiza con vistas a obtener la formación de estructuras cristalinas, se lleva a cabo mediante el uso de catalizadores y sales cromóforas en exceso. Un ejemplo típico es aquel de la producción de los circonatos. En el caso del circonato turquesa por ejemplo, los productos de partida son el óxido de circonio, cuarzo, pentóxido de vanadio y agentes catalizadores. Al término de la calcinación, se obtiene la formación del retículo cristalino de circón con la difusión iónica de iones de vanadio. Para su obtención se suele introducir en la composición un exceso de pentóxido de vanadio. Únicamente esto, junto con los catalizadores, tendrá que ser eliminado al final después de la calcinación a través del lavado. Los catalizadores, si no se contempla su eliminación, son la causa de la reducción del poder colorante del óxido y, al ser generalmente sales solubles, los causantes de todos los defectos típicos de estos compuestos cuando se introducen en los esmaltes, de acuerdo con lo descrito anteriormente. No menos perjudiciales desde este punto de vista son las sales de vanadio que no han encontrado su ubicación dentro del retículo. Al ser en efecto el vanadio un enérgico fundente, la concentración de sus sales en la fase de secado genera zonas de agregación que en la cocción presentan una fundencia anómala con respecto a la masa vítrea en la cual se encuentran. De este modo, los esmaltes que utilizan porcentajes elevados de colorantes que contienen sales de vanadio, después de la cocción, podrían presentar balsas en la superficie y falta de homogeneidad de color. En el caso de las serigrafías, se tendría entonces una acentuación de la reactividad y eventuales zonas de decoloración. d) Reacciones con las impurezas Aunque los óxidos colorantes manifiesten una inercia general con respecto a los vidrios en los que se dispersan, su sensibilidad a la composición química del esmalte no es despreciable. Esto lleva a la aparición de defectos debidos a la reacción de los colorantes con los componentes del vidrio o, más a menudo, con los agentes contaminantes. Un caso típico está representado por el comportamiento de los óxidos rojo rosa de composición SnO2 - CaO - SiO2 - Cr2O3. Estos óxidos presentan una extrema sensibilidad a la acción reductora. La presencia de contaminantes reductores como el carbono, hierro, u otras partículas metálicas son la causa de las alteraciones del retículo del colorante. El ión cromóforo de cromo, por la acción de los reductores, se separa de la matriz cristalina, dejando libre el óxido de estaño que constituye el retículo. Por esta razón, la zona sujeta a la contaminación resulta completamente descolorada. La baldosa cocida presenta así, después de la cocción, una superficie sembrada de pequeños puntos blancos, debido a la acción opacificadora del óxido de estaño. Si la partícula contaminante es de dimensiones apreciables, será visible en el centro de la zona descolorada una manchita oscura. La causa más frecuente de estos defectos es la fallida desferrización de los esmaltes. En efecto, el recurso al uso de los imanes y la incorporación de pequeños porcentajes de oxidantes como el óxido de cerio suelen resolver 374

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estos fenómenos. Defectos procedentes de la aplicación del esmalte a) Gotas de discos y aerógrafos Es uno de los defectos más evidentes y más frecuentes observados en las líneas de esmaltado donde la aplicación del esmalte se realiza a través del uso de la cabina de disco y de aerógrafos. El defecto se origina por la caída de una gota de condensación de esmalte formada en un punto cualquiera de la pared interior de la cabina. En muchos casos se origina por la insuficiente aspiración de aire al interior de la cabina. En este caso, el ambiente entra en presión y la nebulización del esmalte consigue condensar en la pared interior de la cabina. El defecto se verifica cada vez que se establece una condición de presión positiva aunque sea con valores mínimos. En el caso de los discos, la formación del defecto también puede originarse por las causas anteriores y formarse directamente en el grupo de discos por la imperfecta nebulización o por el mal posicionamiento de las parrillas protectoras que, en vez de conducir el flujo del esmalte hacia su interior, permiten que rebota, formando la gota que cae inevitablemente sobre el producto en tránsito. Otra causa son las vibraciones que los equipos en movimiento pueden provocar en las cabinas mismas. Normalmente la reducción o eliminación del defecto se obtiene aumentando la aspiración o limpiando todas las tuberías y filtros de esta aspiración, los cuales, al atascarse, disminuye el poder aspirante. b) Grumos de esmalte Estos tienen un origen muy parecido al defecto anterior. Se trata de hecho de incrustaciones de esmalte que pueden formarse en la superficie interior de las cabinas, que se desprenden a continuación, cayendo sobre la superficie de las piezas en la fase de esmaltado. El defecto se genera cuando existen condiciones de aspiración excesiva, por lo que el esmalte que golpea las paredes tiende a secarse, formando una costra. Otra causa son los esmaltes con un elevado componente plástico, sobre todo cuando se aplican con densidades bastante elevadas. Los engobes presentan una tendencia especial a desarrollar este defecto por su elevado componente plástico. Otra fuente muy importante son las vibraciones a las que está sometida la cabina, que naturalmente aceleran el desprendimiento de las costras. El sistema más sencillo para reducir el inconveniente es el lavado de las cabinas mismas con mayor frecuencia, programando su tiempo, para que la intervención resulte preventiva. Naturalmente, donde se verifican condiciones de excesiva aspiración o excesivas vibraciones, habrá que eliminar las causas originales. c) Rayas y ondulaciones de las hileras y campanas El defecto de las rayas deriva de un tamizado inadecuado del esmalte y puede manifestarse en forma de una línea sobre el esmalte, desde una presencia imperceptible en la capa de esmalte hasta una apertura real que deja el bizcocho al descubierto. En el primer caso, es probable que el defecto pase inobservado por el personal de las líneas de esmaltado, manifestándose solo en el producto acabado, con su rechazo inme375


diato. El mecanismo de formación tiene su origen en un grumo o gránulo que se para en la hilera, modificando en aquel punto la intensidad de paso del esmalte o, incluso, impidiéndolo. En este último caso tenemos una verdadera abertura de la capa. La limitación o eliminación del defecto depende de la limpieza del trabajo, en el sentido de tamizar adecuadamente el esmalte en la fase de alimentación, de tamizar igualmente bien las devoluciones de esmalte de las cajas de recuperación, y finalmente de proteger todos los recipientes, para que no se introduzca ningún tipo de contaminante. Otros defectos fácilmente verificables son las ondulaciones en la superficie del esmalte, que presentan un aspecto rectilíneo con la hilera, mientras por la campana están ligeramente arqueadas. Su causa puede ser: • esmalte de baja densidad; • velocidad de caída del esmalte demasiado alto con respecto a la velocidad de desplazamiento del soporte; • vibraciones producidas por los bastidores de la esmaltadora o del suelo. Las burbujas de aire presentes en el esmalte provocan la ruptura de la cortina, provocando una ausencia de esmalte en el soporte de forma ovalada. Para los esmaltes con características muy plásticas, en el transcurso del día, es necesario efectuar por lo menos un par de lavados con vistas a eliminar las costras que se forman en las tuberías y tamices. d) Aplicación irregular de los discos La aplicación del esmalte por pulverización con discos centrífugos es quizás la más utilizada en el mundo cerámico. Sin embargo, los inconvenientes que estos equipos pueden crear son múltiples, sobre todo en los grandes formatos. El primero de estos inconvenientes es la carga irregular de esmalte entre el lado derecho e izquierdo de la baldosa. Para remediar este inconveniente, se tiende a aplicar el esmalte mediante dos grupos de discos con un sentido de rotación contrario, uno con respecto al otro, aplicando el 50% del esmalte deseado con cada uno. Otro inconveniente normalmente provocado por los discos, sobre todo en los formatos grandes, es el defecto de las llamadas estrías; en la práctica, el esmalte se deposita con espesores diferentes en bandas alternas. Normalmente el defecto se produce por la falta de balanceado del grupo de discos, que acaba adquiriendo oscilaciones rítmicas, tales a provocar las estrías. Por esta razón, los discos se han reducido en diámetro y su parte externa ha sido torneada para un balanceado muy preciso. Sin embargo, se está realizando todavía un notable esfuerzo de investigación por parte de los constructores de esmaltadoras para solucionar el problema intentando, junto con el objetivo de la supresión de las estrías, solucionar también el problema de las gotas. Últimamente, en la monococción de los grandes formatos, con vistas a obtener superficies lisas y uniformes, se está tratando de utilizar de nuevo las campanas y las hileras que evitan estos problemas que, normalmente, por las características mismas de la má376

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quina, van acompañados de una superficie bastante granulada y no perfectamente lisa. e) Falta de homogeneidad del goteo con tazas Los principales defectos que se pueden encontrar con este equipo son los siguientes: 1) Mayor depósito de esmalte en los bordes paralelos al sentido de movimiento. Se comprueba sobre todo en los formatos más grandes. Se remedia aumentando la velocidad de rotación de la taza o aumentando la distancia de la taza al soporte a esmaltar. 2) Mayor depósito en un lado de la baldosa paralelo al sentido de movimiento. En este caso, hace falta verificar la perpendicularidad del eje de la taza, la horizontalidad de la misma y la del soporte. Por otra parte, la taza debe estar centrada perfectamente sobre el eje de desplazamiento de las baldosas, con una alimentación perfectamente centrada. 3) En el caso de utilizar un esmalto de baja densidad, se puede observar un menor depósito de esmalte a la entrada y salida de la baldosa. Si puede remediar este inconveniente ajustando la alimentación de las baldosas para que formen un tapiz en el tramo debajo del goteo. 4) Se pueden encontrar defectos de rayas ligeramente arqueadas, dispuestas de forma transversal al sentido de movimiento de las baldosas. Esto a menudo se debe al hecho que la taza no esté centrada perfectamente sobre su eje. Dicho defecto también puede deberse a la excesiva velocidad de desplazamiento del soporte con respecto a la velocidad de rotación de la taza. Se puede disminuir entonces la velocidad de desplazamiento o aumentar la velocidad de rotación de la taza, adecuando el peso; naturalmente, la forma de las gotas resultará en este caso ligeramente diferente. 5) Orientación de las gotas en el sentido paralelo al movimiento de las baldosas. Este inconveniente está causado principalmente por el ángulo de impacto demasiado agudo de las gotas de esmalte sobre la pieza; por tanto, se puede resolver disminuyendo la velocidad de rotación, levantando la taza, o insertando diafragmas a lo largo del arco de caída. 6) Cuando existen fondos de preparación con colores intensos o con serigrafías, antes de la aplicación de una capa muy líquida, es conveniente distanciar al máximo estas operaciones para evitar la contaminación del esmalte empleado para la capa. Finalmente, para una constancia de aplicación de las capas, es muy importante mantener constante la absorción antes de la aplicación de la capa misma. f) Pegado del esmalte en el reverso El defecto se produce por el pegado del material al sistema de soportes, constituido tanto por placas, cacetas o rodillos. El inconveniente puede deberse a una regulación inadecuada de la hilera o campana (fluidez excesiva del esmalte, baja velocidad de las piezas a esmaltar, caída violenta del esmalte. etc.) o por un hecho congénito, como el esmaltado con tazas, especialmente cuando se requieren efectos de veladura con el uso de densidades de esmalte muy bajas. Cuando se trata de un hecho congénito del tipo de aplicación que se está utilizando, es necesario eliminar el inconveniente con los equipos apropiados de cepillado que eliminen el esmalte del reverso de la pieza. Particularmente problemática es la limpieza de los productos de monococción rápida, ya que, al tratarse de material crudo, no es posible actuar con cepillos de metal en seco por la excesiva acción mecánica que producen y tampoco se pueden utilizar cepillos con 377


agua para no impregnar el soporte. En estos casos, se recurre a la aplicación de productos hidrófugos antes del esmaltado o de engobes capaces de formar una base de apoyo refractario sobre los rodillos. Esto es uno de los problemas que puede reducir notablemente la productividad de una planta de cocción rápida, aumentando al mismo tiempo los costes de mantenimiento por el notable repuesto de rodillos que este problema provoca. g) Arrastre de grumos en el esmalte Es un defecto muy frecuente, tanto en la fabricación de la bicocción como de la monococción y se origina normalmente en las guías para el encolado del esmalte que se va depositando de las piezas a medida que van pasando, hasta que lo que se ha dejado en la guía no se desprende, adhiriéndose de repente a la pieza en la fase de desplazamiento en aquel momento. En este caso, normalmente el arrastre del esmalte se produce en un ángulo. El mismo defecto puede afectar todo el borde de la pieza cuando las hojas de raspado de los sistemas de desbarbado no están bien ajustadas. El problema suele originarse por un ajuste inadecuado de las guías de los sistemas de desbarbado, o porque el esmalte no está todavía suficientemente seco. El defecto puede ser corregido, ajustando de modo conveniente las guías y los sistemas de desbarbado. Las primeras no deben nunca efectuar fuertes correcciones de alineación y deben tener un buen ángulo de abocinado para permitir la elaboración de la parte inferior de las piezas. Un planteamiento que siempre da buenos resultados es el revestimiento de las guías con teflón, cuya capacidad hidrófuga limita la adherencia del esmalte. Otro elemento sobre el cual actuar es la velocidad de secado de los esmaltes, en el sentido de llegar a la operación de limpieza de los bordes con el esmalte perfectamente seco. h) Pérdida de esmalte en las baldosas crudas Son numerosas las posibilidades de choques entre las baldosas a lo largo de una línea de esmaltado; a menudo, estas acciones mecánicas provocan el levantamiento del esmalte o el desprendimiento, que se manifiesta luego en la cocción como un recogido. Los puntos críticos son la formación de “tapices”, es decir cuando las baldosas terminan apoyándose sucesivamente, la una contra la otra, con la disminución de velocidad de la línea de transporte. Normalmente, esto se produce antes de las máquinas serigráficas y antes de los equipos de compensación y carga para los hornos monoestrato o de pulmón de línea. Para reducir estos inconvenientes, es posible ante todo incrementar la adherencia del esmalte al soporte con el auxilio de los adhesivos. En segundo lugar, especialmente para reducir los inconvenientes de los choques mecánicos, es necesario reducir al mínimo indispensable la diferencia de velocidad entre una zona de transporte y otra. i) Tonos por diferencia de peso del esmalte La constancia de peso del esmalte aplicado y el aspecto estirado que el mismo adquiere es el origen de diferencias de color y de aspecto superficial que obliga a una subdivisión 378

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en la fase de clasificación. La subdivisión incorrecta constituye un defecto; sin embargo, también es cierto que un excesivo número de tonos impide una subdivisión correcta. El origen en la línea de esmaltado puede depender de variaciones de densidad del esmalte, de variaciones de absorción o de temperatura del soporte, o de la parcial obturación de las conducciones del esmalte. La densidad es un parámetro fácilmente controlable con intervalos fijos, programados tal de mantener una densidad constante; es obligatorio, en el momento de una nueva incorporación de esmalte en la balsa de alimentación, realizar un nuevo control de densidad. Para las variaciones de absorción es necesario tener bajo control el peso de la aplicación y cuando se trata de un defecto o alteración continuo, es preciso recurrir a planteamientos de aplicación de engobe o de abundante humectación superficial. La parcial obturación de las tuberías del esmalte es frecuente en los aerógrafos y en los discos, sobre todo en los orificios más estrechos como la boquilla y el tubo perforado. Para evitar este inconveniente es necesario tamizar adecuadamente el esmalte y mantener todos los equipos y conducciones que afectan el paso del esmalte perfectamente limpios con lavados programados a lo largo del día de trabajo. j) Exceso o falta de agua Es un parámetro que incide en la densidad y ya hemos visto algunos de los inconvenientes que comporta, pero debemos añadir, que una falta de agua, particularmente en el esmaltado con disco, provoca la obtención de una superficie muy rugosa y granular, que en la cocción se estira con dificultad, generando esmaltes con superficies amartilladas. Por el contrario, con el exceso de agua se incurre sobre todo en defectos de cortes en los bordes y pequeños cráteres superficiales cuando se tenga la necesidad de aplicar más esmaltes superpuestos. Este inconveniente es particularmente frecuente en el campo de los flameados sobrecubierta, porque la pulverización del aerógrafo requiere una base de adherencia perfectamente seca. Sobre una superficie húmeda la aplicación tiende a desplazarse, formando los defectos descritos anteriormente. Otra técnica que a menudo incurre en una falta o exceso de agua es el lavado con agentes hidrófugos, lo cual aquí resulta perfectamente comprensible, si consideramos que después de dos hileras de esmalte se pase a una hilera de agua: por lo tanto, se comprende que el soporte también puede llegar a la saturación total si la porosidad no es suficientemente alta.

Defectos de decoración El gran desarrollo de la decoración serigráfica, con los problemas asociados de la preparación de las tintas y vehículos más apropiados para las diferentes máquinas, que funcionan a veces con principios muy diferentes, ha dado lugar a la aparición de una defectología específica. A continuación, se presenta una breve relación de los principales defectos que se pueden producir, correlacionados con las posibles acciones correctoras, 379


con la obvia recomendación de no considerar la relación ni completa, ni exhaustiva. a) Raya blanca sobre la baldosa del lado del operador El defecto se debe esencialmente a la falta de pasta serigráfica en aquella franja de la baldosa hacia el lado del operador y paralelo al lado de avance. Incluso después de la limpieza de la pantalla serigráfica, el paso de pocas piezas es suficiente para provocar la reaparición de la raya. Si el residuo de la pasta serigráfica está en el intervalo indicado anteriormente y no se observan depósitos secos sobre la pantalla, se aconseja el siguiente procedimiento: • Verificar que la pantalla no esté demasiado cerca de la baldosa. • Verificar que la espátula de escritura esté rectificada. • Verificar que la altura de la baldosa esté bien alineada con la guía de soporte de la correa. • Verificar que la espátula de escritura no presione demasiado/poco. b) Raya blanca sobre la baldosa en el lado opuesto al operador (como arriba) • Verificar que la espátula de escritura en posición de reposo esté suficientemente alta para no presionar la pantalla sobre el borde de la pieza cuando esta se mueve para salir (si fuera así, desplazar el diente de la rueda del carro). • Verificar el sincronismo entre el movimiento de las correas y el carro. c) Acumulación de esmalte en la esquina Este defecto se debe normalmente a una distancia demasiado elevada entre la pantalla y la baldosa; por lo tanto: • Verificar que la baldosa esté bien alineada con la guía de soporte de la correa. • Bajar la pantalla sobre la esquina donde se produce la acumulación de esmalte. d) Descentrado del diseño • Verificar que la pantalla esté bien situada y bloqueada. • Verificar que las correas bloqueen la pieza. e) Pegado de la baldosa a la pantalla • Verificar la condición de trabajo del fijador. • Verificar la altura de la pantalla sobre la pieza. NOTA: El ajuste de partida suele ser una altura de 4-5 mm de la pantalla sobre la pieza, pero esto puede variar en función: • De la tensión de la pantalla. • Del nº de hilos de la pantalla. • De la viscosidad de la pasta serigráfica. f) Rotura y/o apertura de la pantalla La posición más frecuente donde se verifica este fenómeno es indudablemente el borde de la baldosa o en la esquina y se debe a las siguientes causas: • Espátula de escritura que trabaja a una presión demasiado elevada sobre la pantalla. 380

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• Esmalte con residuo demasiado alto. • Pantalla con gel poco "catalizado." Normalmente una pantalla bien elaborada, utilizada adecuadamente, tiene una vida útil de 2000-2500 m2. Defectos procedentes de la cocción con efecto sobre el esmalte a) Diferencias de temperatura Es una condición muy fácil de verificar, sobre todo en los viejos hornos de túnel; se trata en todo caso de una condición fácil de comprobar en cada tipo de horno. El defecto que la situación provoca es una diferente tonalidad de color y a veces también de superficie de los esmaltes. El problema es muy frecuente, ya que las tonalidades de color varían imperceptiblemente entre baldosas próximas. Esto crea muchas dificultades en la fase de clasificación. b) Falta de oxidación No significa tener el ambiente del horno completamente reductor, sino tener un exceso de aire suficiente para asegurar el llamado “lavado”. Se forman así zonas de paso de humos con concentraciones que producen el defecto; normalmente se trata de un ángulo de la pieza con formación de “cáscara de huevo” o burbujitas. Asimismo, se pueden tener zonas de estancamiento de aire, que puede estar cargado de vapores de esmalte, provocando casi siempre áreas de opacidad superficial, a veces acompañadas de pinchados. En ambos casos, la corrección del defecto consiste en el aumento de la turbulencia del aire y de los volúmenes del mismo en juego y, por lo tanto, el aumento de la aspiración a la chimenea y una mayor inmisión de aire. c) Flujo incorrecto de humos Se presenta normalmente como una opacidad superficial y se puede degenerar en “cáscara de huevo”. Se genera cuando las presiones interiores están ajustadas de tal modo que una parte de los productos de combustión desarrollados en la zona de cocción sigue el producto hacia la salida, en vez de experimentar inmediatamente la aspiración por la chimenea. Al enfriarse, estos productos dejan un depósito de condensación en la superficie de los esmaltes que todavía están fundidos y capaces de fijar estos depósitos. Los medios a disposición para eliminar estos inconvenientes son: - aumento de la aspiración a la chimenea; - aumento de la contracorriente de salida; - aumento del volumen de aire de enfriamiento directo. d) Excesiva y escasa cocción de los esmaltes Se manifiestan los mismos defectos descritos por el exceso o la falta de fundencia. El exceso a menudo conduce a la formación de un cordón en los bordes con la probable aparición de burbujitas y otros defectos superficiales. La falta de cocción da lugar a esmaltes con superficies opacas y amartilladas. Para los esmaltes de pavimento, la cuestión puede ser más compleja; en efecto, no es 381


siempre posible establecer a primera vista si un esmalte ha sufrido un exceso o una falta de cocción. Para un esmalte de monococción muy cargado y con base vítrea muy fundente, por ejemplo, es posible que un exceso de cocción provoque una separación entre la carga, que queda en la superficie, y el vidrio, que es absorbido por el bizcocho; obtenemos así una superficie muy rugosa y dura que a primera vista hace pensar en una falta de temperatura de cocción. En estos casos es preciso conocer bien la naturaleza de los esmaltes y conocer su comportamiento térmico. e) Ciclos de cocción excesivamente rápidos o excesivamente lentos para los esmaltes No solo los soportes, sino también los esmaltes sufren de la rapidez de los ciclos que pueden dar insuficiente tiempo al vidrio para poder madurar de la forma deseada y desarrollar los colores y las superficies requeridos. En los esmaltes simples, como las cristalinas transparentes o los blancos de circonio, es fácil encontrar el defecto de amartillado, porque el esmalte no tiene tiempo para estirarse adecuadamente. En los esmaltes de pavimento sucede casi siempre que mantienen la misma superficie que tuvieron en crudo; por lo tanto, si estos se aplican con disco, las superficies nunca son suficientemente lisas. Para corregir estos defectos, más que alargar los ciclos, los fabricantes prefieren aumentar la fundencia de los esmaltes a expensas del coste. Es una técnica de este último año recurrir al esmaltado por campana, para dar ya en crudo una superficie más lisa sin recurrir a los fundentes que en la monococción rápida tienden también a perturbar la geometría del soporte. Sucede a menudo, sobre todo para los esmaltes muy fundentes, que se generan defectos de “cáscara de huevo” y opacidad, que empiezan en los bordes de las piezas. El defecto se origina por la sublimación de algún componente que luego falta en la constitución del vidriado mismo. Al no poder reducir el ciclo, es necesario acortar la amplitud de la curva

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de cocción, reduciendo en todo caso la permanencia a alta temperatura. Defectos de cocción Estallido de material en el prehorno El estallido de piezas en el prehorno está causado por la evaporación violenta de un importante contenido de agua residual todavía presente después del secado y/o almacenamiento, aplicada en el esmaltado o reabsorbida por higroscopía. En ningún caso se debería enhornar material con una humedad superior al 2%, para la cual se recomienda un tratamiento de secado suplementario. De forma indicativa, una temperatura de 250300 °C es ideal para un secado seguro. Sin embargo, se requiere tanto cuidado solo en situaciones críticas: la temperatura en el prehorno se sitúa generalmente sobre 350-500 °C. Para contener la temperatura, que puede aumentar incluso sensiblemente a consecuencia de los huecos de carga, se regula la apertura de las tomas de aire directamente en el canal al final del prehorno, a través de las cuales el ventilador de humos trae aire de ambiente. El estallido episódico de pruebas frescas de esmaltado, con una elevada concentración de agua estratificada debajo del esmalte, no es importante. Tampoco es importante el estallido de piezas prensadas con falta de desaeración (exfoliación o ahojados). Roturas en el precalentamiento Se caracterizan por líneas de fractura con aristas abruptas, que proceden de la periferia hacia el centro de la pieza; el esmalte tiende a penetrar en la fractura, redondeando sus aristas (figura 16). La rotura se ocasiona por el “tiro”, cuando la dilatación del borde, que se calienta primero, se encuentra con el centro mucho más frío. En la monococción, la rotura de precalentamiento es bastante rara y generalmente se asocia a condiciones extremas de gradientes de temperatura. Puede manifestarse con grietas poco abiertas, de 20-30 mm de longitud; raramente una única en la pieza, nunca en proximidad de las esquinas. En la sección de la carga las fracturas se distribuyen allá donde las temperaturas aumentan primero: en los extremos de la carga. El intervalo de temperatura crítico está entre 700 y 900 °C, donde las llamas muy calientes debajo del plano de rodillos son la

Figura 16.

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causa principal. Generalmente es suficiente disminuir en 20-30 °C la temperatura del primer – segundo grupo de quemadores debajo de los rodillos. De ayuda puede resultar el aumento de aire a los quemadores y la reducción de la temperatura de la llama resultante. En algún caso se han comprobado fracturas tan pequeñas e insignificantes que apenas se podían reconocer, localizadas en la esquina inferior de las piezas a los extremos de la carga. Estas constituyeron el cebador para las sucesivas fracturas, mucho más evidentes, de enfriamiento. Otras roturas de precalentamiento, siempre en proximidad de las paredes, pueden producirse en el intervalo de temperatura de 800-900 °C, por la introducción de aire frío directamente sobre la carga. Los factores responsables pueden ser los quemadores apagados o las aperturas que han quedado en la parte donde faltan algunos rodillos. En realidad, se trata de una rotura por enfriamiento de una pieza ya rígida, que acaba de superar una fase crítica de temperatura. Otra forma de manifestación de la rotura de precalentamiento es con grietas cortas en las esquinas superiores (figura 17), múltiples y próximas, a veces casi cubiertas por

Figura 17.

el esmalte. A veces solo está implicado el lado anterior de las piezas, porque es la parte principalmente expuesta a los humos en su recorrido hacia la chimenea. El problema se remonte siempre a gradientes de temperatura en el precalentamiento insostenibles para las baldosas más predispuestas a la rotura. Esta predisposición puede derivar de esquinas vivas y abruptas, poco compactadas, de elevada humedad estratificada debajo del esmalte, de escasa plasticidad de la pasta. El problema puede originarse también por punzones de prensa desgastados. Otra causa de este tipo de roturas puede ser una eventual fuerte deformación cóncava de las piezas en el precalentamiento. La rotura de precalentamiento se puede presentar de un modo muy particular, con una rotura y despuntado de una esquina. La línea de rotura sigue una curva que confiere a la pieza rota un contorno “de pistola” (figura 18). Al inspeccionar el canal de cocción es fácil identificar el punto del precalentamiento donde se ocasiona la rotura: de forma correspondiente, en el suelo, a menudo hay una acumulación de piezas rotas. Es suficiente reducir la temperatura algunas decenas de grados para solucionar el problema. También puede servir aumentar el aire a los quemadores, para reducir así la temperatura de la llama. Siempre es recomendable disponer de una trampilla un poco más allá de la zona de rotura, con vistas a hacer precipitar las bajas, que de otro modo podrían perjudicar el 384

Defectos

Figura 18.

avance regular de la carga. Otras roturas, solo aparentemente imputables al precalentamiento, por el aspecto cortante de las líneas de fractura y el redondeo del esmalte a lo largo de la arista, tienen su origen en otro lugar, aguas arriba del proceso de cocción. a) Largas grietas, abiertas, episódicas, no localizadas en la sección de la carga (figura

Figura 19.

19). La rotura se produce por esfuerzos mecánicos: verificar la impresión serigráfica, la acumulación de piezas en la formación de filas y el transporte en general, la carga-descarga de las vagonetas de almacenamiento del producto crudo son fases cruciales. b) Grietas de 10-30 mm en proximidad de las esquinas, no localizadas en la sección de la carga. La rotura se produce por esfuerzos mecánicos, en particular por el choque entre las piezas en la fase de formación de filas. El punto crítico en la línea de transporte está señalado por la acumulación en el suelo de fragmentos y despuntados de esquinas. c) Grietas en el esmalte, paralelas a uno o más lados de la baldosa (figura 20). d) De modo análogo se forman las grietas que corren paralelas a los lados, en el espesor de la pieza (figura 21). La rotura se ocasiona en la prensa en la fase de extracción de la pieza de la cavidad 385


Figura 20.

Figura 21.

del molde. e) Grietas poco abiertas con una longitud de 20-30 mm, no localizadas en la sección de la carga. Su frecuencia aumenta o se reduce en función del tiempo de almacenamiento del producto crudo. Son asociadas a las fisuras longitudinales en el espesor (figura 22).

Figura 22.

El origen está en la rotura longitudinal de extracción de la cavidad del molde; el agua aplicada en cantidad durante el esmaltado se estratifica en la fisura longitudinal. La grieta en la superficie esmaltada se desarrolla entonces en las primeras fases del precalentamiento. f) Pequeños tirones en la superficie esmaltada; a veces tan pequeños de poder confundirse con los “pinchados” o balsas en el esmalte (figura 23). 386

Defectos

Figura 23.

La causa debe buscarse en un defecto en la fase de extracción de la cavidad del molde de la prensa o, más frecuentemente, por un exceso de agua aplicada durante el esmaltado.

Figura 24.

g) Grieta conocida como “pata de gallo” (figura 24). Si la grieta no traspasa el espesor de la baldosa, con buena probabilidad se trata de un defecto de la fase de prensado (exfoliación). Si la grieta traspasa el espesor, puede tratarse de un golpe recibido desde abajo durante el transporte: por ejemplo de una polea con correa demasiado profunda en la garganta. h) Exfoliación conocida también como “ahojados” con separación o estallido de gran-

Figura 25.

387


des placas superficiales de la composición hasta la deslaminación de la pieza (figura 25). Se trata de un defecto de desaeración que surge en la fase de prensado. i) Las grietas, completamente parecidas a las roturas verdaderas de precalentamiento descritas en el punto “i”, son reconocibles porque se encuentran sobre todo en las piezas conformadas en una determinada cavidad del molde de la prensa. No están localizadas en una zona particular de la carga del horno, pero están bastante bien localizadas en la pieza. La causa debe buscarse en la prensa, en un estado deficiente del molde o del punzón. También el proceso de secado puede generar grietas absolutamente parecidas: no están localizadas en la sección de la carga del horno, sino puntualmente en la carga del secadero. En este caso las grietas pueden detectarse por la absorción de líquidos coloreados a la salida del secadero. En el caso de la segunda cocción, la rotura completa de las piezas, esparcidas de modo casual en la carga, que se intensifican en determinados momentos, son atribuibles a daños precedentes del soporte que comprometen su resistencia a las tensiones que se producen en la fase de precalentamiento. Rotura por enfriamiento, el llamado “desfilo” o “desventado”. En el origen está una tensión excesiva en la pieza causada por variaciones dimensionales no homogéneas. El caso más común se produce durante la retransformación del cuarzo libre cuando, por un rápido gradiente térmico, se generan importantes diferencias de temperatura entre zonas, sobre 573 °C. Los elementos que constituyen la mayor fuente de riesgo son el elevado contenido de cuarzo libre en la pasta, el elevado espesor de la pieza, el gran formato y la rapidez del ciclo de enfriamiento. Gradientes de enfriamiento no óptimos y las modificaciones en los gradientes, como resultado de una alimentación discontinua de la carga, son siempre determinantes para las roturas. La línea de rotura presenta un desarrollo curvilíneo típico de la rotura del vidrio, con aristas del esmalte cortantes y limpias. La grieta no es nunca abierta, a menudo es incluso apenas apreciable sin medios de contraste. El desarrollo de la grieta es siempre desde la periferia hacia el centro de la pieza. En los productos no porosos, la fractura posee un aspecto liso, brillante y concoide. Al golpear la pieza se produce un sonido sordo. El tratamiento de enfriamiento se desarrolla por tres fases sucesivas, cada una con una dotación específica de equipos. - Una primera fase de “ENFRIAMIENTO RÁPIDO” para reducir rápidamente la temperatura de las piezas hasta 650-700 °C. - Una segunda fase de “ENFRIAMIENTO LENTO” para reducir lentamente la temperatura de las piezas hasta al menos 550-500 °C. - Una tercera fase de “ENFRIAMIENTO FINAL” de reducción fuerte de la temperatura de las piezas para permitir su manipulación a la salida del horno. 388

Defectos

Para intervenir con cognición de causa en los problemas del enfriamiento es conveniente plantear previamente algunas consideraciones fundamentales. 1. Las temperaturas detectadas por los termopares en el canal de cocción son mucho más bajas que la temperatura real del material en tránsito. 2. Las piezas en los extremos de la carga se enfrían bastante antes que las piezas en el centro de la carga: tanto más, cuanto más rápido es el gradiente. 3. La temperatura en la periferia de las piezas es tanto más baja con respecto al centro, cuanto más rápido es el gradiente de enfriamiento. Aquí está la causa verdadera y efectiva de la rotura. 4. Los diafragmas entre cocción y enfriamiento rápido (reductores de tiro) deben estar siempre íntegros; constituyen una separación eficiente, fundamental para la estabilidad de la regulación del enfriamiento así como del final de la cocción. Localización de las roturas La manifestación de roturas de enfriamiento localizadas en determinadas zonas de la sección de la carga y en determinadas situaciones es una información útil para poder identificar el error que trastorna el ajuste. a) Las roturas se sitúan en uno o ambos extremos del plano de rodillos Es un indicio de la rotura producida en el enfriamiento rápido por exceso de enfriamiento: demasiado intenso o demasiado prolongado. El problema se aborda aumentando la temperatura en la zona y cerrando eventualmente uno o más sopladores para reducir así el tiempo de permanencia de las piezas debajo de los chorros. Puede servir cerrar un poco la chimenea y aumentar la aspiración del aire caliente. Como última medida de seguridad, puede servir el cierre del primer segmento de los disipadores de calor en el enfriamiento lento. Generalmente, la temperatura en el termopar por encima de los rodillos en la zona de enfriamiento rápido oscila entre 570-600 °C; la temperatura será más baja para el ciclo más rápido. Un planteamiento útil para evaluar la correcta temperatura del material a la salida del enfriamiento rápido consiste en determinar, con un termopar portátil, la temperatura al interior del último rodillo de la zona: lo ideal es un valor entre 600-620 °C. b) Las roturas se localizan principalmente en el centro del horno. Es un indicio de la rotura producida al inicio de la zona de enfriamiento final: las piezas centrales se enfrían más lentamente y encuentran los chorros del enfriamiento final cuando la temperatura no ha bajado todavía por debajo de 573 °C. El problema se aborda enfriando suficientemente el material en las dos primeras fases de enfriamiento y retardando, dado el caso, la fase de enfriamiento final. Los disipadores deben estar mayoritariamente abiertos. Sirve un moderado aumento de tiro de la chimenea. También sirve una menor aspiración del aire caliente, limitando sobre todo las primeras aspiraciones, y cerrando los primeros soplados de aire frío. La temperatura del último termopar del enfriamiento lento suele estar sobre 480-500 °C. 389


c) Las roturas se presentan en el primer producto después de los huecos de carga de cierta importancia y persisten durante algunos minutos. Durante el hueco, las temperaturas de enfriamiento se reducen: una temperatura de 50-70 °C debajo del valor normal ya puede crear problemas. - Verificar en el enfriamiento rápido, por la válvula de modulación de aire cerrada, que en los sopladores no hay una presión excesiva. - Puede resultar necesario disminuir la eficacia del intercambiador de calor, abriendo parcialmente la válvula de by-pass. - En el enfriamiento lento, verificar que la válvula de modulación de los disipadores de calor se posicione en cierre completo cuando la temperatura se reduce. - Resulta generalmente útil plantear una gestión de los volúmenes en el horno con abundante aspiración de aire caliente. - Verificar la intervención puntual de los termorreguladores que gobiernan las temperaturas en el enfriamiento rápido y el enfriamiento lento. d) Las roturas se presentan después de los huecos de carga de cierta importancia, no en el primer producto de salida, sino solo después de algunos minutos y perduran durante un tiempo, en todo caso breve. Es de aplicación todo lo indicado en el anterior punto, y se debe intervenir especialmente limitando la máxima presión de aire disponible en el enfriamiento rápido. Cuarteo Parecido por el aspecto, pero muy diferente en origen y naturaleza, el cuarteo se señala a menudo equivocadamente, confundiéndolo con la rotura de enfriamiento. Se presenta como una fractura limpia solo en el esmalte y con los bordes cortantes, a menudo visible solo con los adecuados medios de contraste o particular ángulo de luz. Generalmente, el cuarteo no se presenta inmediatamente a la salida del horno y puede producirse incluso después de mucho tiempo, durante la relajación que puede continuar por bastante tiempo, o durante la rehidratación del soporte higroscópico. El cuarteo se caracteriza por el modo de propagarse de la línea de rotura que no va necesariamente de la periferia hacia el centro: a menudo no afecta el borde de la baldosa. El fenómeno no se produce por errores en el proceso de enfriamiento, sino por un error en la relación entre los coeficientes de dilatación del soporte y del esmalte, por lo que el vidrio se somete a tracción. El ensayo de cuarteo se realiza sometiendo la probeta a varios ciclos en la autoclave, seleccionando el protocolo específico. Más empírico pero eficaz para la identificación de la predisposición al cuarteo es la colocación de muestras en cemento: la aparición de rotura es indicativa.

390

Defectos

Uniformidad de contracción en la sección de carga La uniformidad de la cocción puede resultar problemática sobre todo en hornos de boca de carga muy ancha y que producen grandes formatos. La magnitud de la contracción, pero aún más la amplitud del intervalo de gresificación de la pasta, es determinante para la manifestación del efecto incluso de pequeñas diferencias de temperatura en la sección del canal de cocción. La cuantificación y la localización del error se obtienen midiendo las piezas prensadas por el mismo punzón de la prensa y cocidas en las diferentes posiciones de la carga, orientadas todas en el mismo sentido con respecto a la salida de la prensa. Se comparan entre sí todos los lados derechos y, por separado, todos los lados izquierdos, después de haber marcado la posición en la carga como en la figura 26.

Figura 26.

El caso representado se evalúa de la siguiente manera: + 0.5 mm en el lado izquierdo del horno con respecto al centro; + 0.2 mm en el lado derecho del horno con respecto al centro. La comparación indistinta entre los lados derechos e izquierdos comprende errores de prensado (0.4 mm en el lado derecho de la pieza); la comparación entre delante y detrás se debe solo a un error de prensado y no tiene que ver con nuestro caso. a) El caso más frecuente se da por un calibre más largo en proximidad de las paredes, como se observa en la figura. Las causas son diferentes e influyen de manera diferente, pero todas concurren (figura 27). - Temperatura más baja de la llama a la descarga de los quemadores que más adelante, donde la combustión se completa. - Recirculación de volúmenes de aire de ambiente más fríos, por el efecto Venturi generado por la velocidad de la llama. - Mayor cantidad y velocidad de los humos en el centro del canal que cerca de las paredes, donde se produce el rozamiento. - Radiación más fuerte en el centro de la carga por parte de las paredes perpendiculares. - Dispersión de calor de los rodillos hacia el exterior del horno por la conducción térmica. - Aspiración de aire frío incluso a través de pequeños defectos de taponado alrededor de los rodillos en la zona de cocción. - Soplado de aire frío con baja velocidad, sobre todo por encima de los rodillos. 391


Figura 27. 392

Defectos

El problema se combate sobre más frentes (figura 28).

Figura 28.

- La presión del horno (véase el párrafo dedicado a ella) debe ser positiva en la zona de cocción al nivel de los rodillos para impedir la entrada de aire frío, sin embargo sin ser excesiva. - El uso de uno o más muros transversales, instalados al inicio de la zona de cocción y en su interior, obstaculizan el flujo longitudinal de los humos, llevando un mayor volumen de ellos en proximidad a las paredes. - El uso de un número adecuado de quemadores con descarga semirradial, dispuestos por encima y por debajo de los rodillos en la zona de cocción, es un sistema comprobado que compensa el efecto de la llama más fría en la descarga del quemador y el reclamo de los humos más fríos del ambiente. Para la regulación fina se dosifica la cantidad de aire a los quemadores, modificando así su temperatura de llama. - También se pueden utilizar pantallas de desviación del flujo de la llama, situadas delante de los quemadores de la zona de cocción, solo debajo de los rodillos (figura 29).

Figura 29.

b) Irregularidad en la contracción con configuración tipo “caramelo.” Se caracteriza por un área más corta a 60-70 cm de las paredes y un área más larga en proximidad de las paredes (figura 30). 393


Figura 30.

En parte vale lo señalado para el caso anterior, pero existe una importante implicación de la geometría de la llama, sobre todo para los quemadores por encima de los rodillos. El problema se aborda modificando de modo significativo la velocidad y la geometría de la llama. El camino más fácilmente practicable y eficaz es el apagado de uno o más quemadores en grupos determinantes para el control del calibre; de forma alternativa, se interviene en la cantidad de aire a los quemadores. c) Otras irregularidades que pueden presentarse, de configuración variable, se resuelven seleccionando planteamientos entre los indicados hasta este punto, o su exacto contrario: en función de la conveniencia. Brillo y tonalidad del esmalte La parte de la curva de cocción que posee una influencia efectiva sobre el éxito del esmalte en cuanto a brillo, satinado, opacidad, estiramiento y tonalidad de color es aquella de las altas temperaturas de la zona de cocción. Una temperatura más alta o una permanencia más larga favorece una vitrificación más compacta del esmalte y, por lo tanto, un mayor brillo. Una permanencia más larga a una temperatura relativamente más baja favorece el efecto satinado y el estiramiento del esmalte. Obviamente, mucho depende de la naturaleza del esmalte que manifestará sus límites con pinchados y microburbujas, si se exasperan las temperaturas. La aparición de una opacificación como una especie de velo sobre el esmalte en una zona de la sección de la carga denuncia un defecto de combustión de uno o más quemadores que trabajan a altas temperaturas, a los cuales se debería aumentar el aire de combustión. Eventuales tonos localizados en determinadas áreas de la sección de la carga estarán relacionados con una temperatura mayor o menor. Un ejemplo se da con la aplicación del “lustre”, siempre muy delicado y sensible, que, por exceso de temperatura, fácilmente “desaparece.” Con relación a los problemas de tonalidad de los colores, sobre todo cuando se utilizan óxidos muy reactivos (hierro, selenio, etc.), se sabe que una permanencia más larga es la causa de un desarrollo más completo del color. El óxido de hierro resultará más tirante al verde con una permanencia larga, más tirante al rojo con un pico de temperatura. 394

Defectos

Pinchados - agujeros - burbujas en el esmalte El defecto aparece como pequeños agujeros en el esmalte, parecidos a pinchados de alfiler. Se trata siempre de pequeñas burbujas de gas que se hinchan en el esmalte hasta estallar, dejando un pequeño cráter. El origen de las burbujitas de gas puede ser diferente. Al romper una baldosa defectuosa y observar cuidadosamente su espesor se pueden extraer indicaciones críticas. Con una lente cuentahílos o con un microscopio de bolsillo se observa el espesor del esmalte a lo largo de la rotura, prestando atención a las burbujitas que contiene. - Las burbujitas son muy pequeñas, densas y superficiales. Se trata de un fenómeno de sobrecocción del esmalte que empieza a hervir. Generalmente, se debe a las llamas excesivamente calientes de los últimos quemadores por encima del plano de rodillos o más sencillamente, a una excesiva temperatura de cocción (figura 31).

Figura 31.

- Las burbujitas solo se encuentran en el espesor del esmalte; no se encuentran burbujas en vías de formación, incompletas, en contacto con el soporte (figura 32).

Figura 32.

El caso indica un esmalte de calidad ordinaria que contiene impurezas. También puede tratarse de un defecto de preparación del esmalte (molienda) o de aplicación (burbujas de aire). El caso no se puede resolver con una regulación específica del horno. También es el caso del esmaltado de un soporte demasiado caliente, con formación de burbujas de vapor entre el soporte y el engobe. - Además de las burbujitas en el espesor del esmalte, se observan algunas en vías de formación, que surgen del soporte (figura 33).

395


Figura 33.

Con gran probabilidad, en el origen está un problema de desgasificación incompleta antes del reblandecimiento del esmalte: - el problema puede derivar de corazón negro, sobre todo si el halo está estratificado en proximidad del esmalte o si se presenta con puntos negros esparcidos en la pasta; - puede tratarse de un problema de desgasificación de los carbonatos. Esta eventualidad se limita casi a la monococción porosa: los agujeros son de una dimensión mayor que el pinchado y a veces el engobe subyacente se descubre; - puede tratarse de la desgasificación de las piritas con la emisión de SO2: en este caso hace falta una permanencia de algunos minutos a la temperatura de 1040-1050 °C. Una confirmación de la implicación de la desgasificación en el problema de los pinchados se obtiene generalmente por un simple ensayo de bicocción: - se retiran algunas piezas sin esmaltar de la salida del secadero; estas se someten entonces a cocción hasta obtener un soporte claramente desgasificado. A estas baldosas se realizan a continuación las sucesivas aplicaciones de la esmaltadora, dejando bastante tiempo entre ellas para que el agua pueda ser absorbida o evaporada. Se vuelven a cocer las muestras: la ausencia de burbujas en el esmalte confirma que la desgasificación del soporte es la causa de los pinchados. Aunque parecidos a los pinchados, los “agujeros” en el esmalte se caracterizan por un mayor tamaño. Su causa puede ser muy diferente: - desgasificación tardía de los carbonatos de la pasta, sobre todo si su granulometría no es particularmente fina. En este caso, es favorable una mayor permanencia en el intervalo de temperatura 920-980 °C. En todo caso, siempre es recomendable una mayor atención a la tecnología de la pasta; - incorporación en el prensado de base de pasta ya prensada o “distribución” sobre la superficie de los gránulos de la pasta presentes en el molde en el momento que la baldosa se expulsa de la prensa: en el horno se ocasionarán miniahojados. La única solución es cuidar la limpieza del molde con aspiración o soplado. Defectos del esmalte y su aplicación, que incluyen: - Molienda y tamizado. - Viscosidad y reología. - Deterioro de la cola. - Incompatibilidad por el momento de fusión entre el esmalte y el engobe. - Elevado agarre de los esmaltes serigráficos que puede perjudicar la adherencia del 396

Defectos

esmalte al soporte subyacente. - Esmaltado con soporte excesivamente caliente. - Distancias inadecuadas entre las sucesivas aplicaciones. - Escasa adherencia del esmalte al soporte. - Afloración de sales solubles procedentes del soporte. - Superposición de esmaltes poco compatibles. En limitados casos puede resultar útil una prolongada permanencia en una zona de temperatura hasta 500-600 °C; en todo caso, sin embargo, será necesario intervenir en el origen del problema, corrigiendo la tecnología del esmalte y del esmaltado. Desgasificación Cualquier composición cerámica experimenta una apreciable pérdida de peso durante el proceso de cocción. Se trata en gran medida de la pérdida del agua residual de proceso y del agua de constitución de las arcillas. Por lo demás, se trata de gases y vapores generados por la combustión de los contaminantes orgánicos, de la descomposición de los carbonatos (sobre todo de CaCO3), de compuestos de azufre, etc. Esta fase se llama el “precalentamiento” y concluye con la formación de las primeras fases vítreas que rápidamente provocan la pérdida de permeabilidad a los gases y vapores. Esto se suele producir a 980-1000 °C para la monococción y alrededor de 1100 °C para el gres porcelánico. Los vapores se generan también a temperaturas más altas (flúor, cloro, etc.), los cuales, incluso si no son siempre determinantes para la defectología del producto, resultan a menudo agresivos para los refractarios y aceros de las estructuras del horno. Otros vapores que se liberan de los esmaltes (compuestos de plomo, de boro, etc.) pueden dar vida fácilmente a densas condensaciones sobre la bóveda y paredes del horno, provocando la caída de gotas y daños al producto en tránsito. El concepto del proceso de desgasificación es sencillo: se trata de llevar el material cuanto más pronto posible a la temperatura de desarrollo de los gases y vapores y de permanecer allí durante el tiempo necesario para su expulsión completa. La temperatura más conveniente es la más alta posible, bien entendida debajo del inicio de la fase vítrea del esmalte y de la pasta. Diferentes elementos determinan la dificultad de la desgasificación: - Composición, pureza y granulometría de las materias primas. - Espesor, densidad y humedad de la pieza prensada. - Fundencia más o menos baja del esmalte y de la cristalina. - Características y proporciones de los esmaltes serigráficos y sus vehículos. Es una opinión difundida que un ambiente ricamente oxigenado en el precalentamiento favorece la desgasificación. Esto solo es verdad en parte y, en todo caso, mal expresada. En efecto, no se puede suponer que el oxígeno del ambiente penetre la porosidad de la pieza en contracorriente a los gases de salida. Sin embargo, sí es cierto que los quema397


dores regulados con un rico exceso de aire proporcionan toda la energía necesaria con abundancia de volúmenes de “baja” temperatura: esto evita el riesgo de una sobretemperatura y el inicio anticipado de la fase vítrea del esmalte con la consiguiente pérdida de permeabilidad a los gases de las piezas. De forma análoga para el tiro de los humos: “un buen tiro ayuda”. El elemento favorable no es la depresión que se ocasiona en el ambiente, como si esta pudiera “aspirar” los gases del corazón de la pieza, sino el reclamo desde la zona de cocción de abundantes volúmenes calientes, por lo que los quemadores de precalentamiento requieren menos gas (con temperatura de llama menos alta). Desgasificación en la cocción del esmalte Normalmente, la segunda cocción no presenta problemas de desgasificación, porque el soporte ya ha quedado inerte por la primera cocción. Sin embargo, a veces se pueden presentar problemas con el bizcocho cocido en un ciclo rápido, cuando sigue un largo tiempo de espera después del esmaltado. La causa puede derivar de la reacción del agua de la aplicación o la absorbida por higroscopia, con el óxido de calcio (CaO) residual en el soporte después de la primera cocción. El fenómeno se manifiesta con hervidos espumosos, agujeros incluso llamativos y zonas de soporte descubiertas, que pueden confundirse con los problemas de la cola para el esmalte. En estos casos, siempre resulta favorable la prolongación de la permanencia a temperaturas inferiores a 550±600 °C: tanto retardando la subida de la temperatura, como ralentizando el ciclo. Corazón negro Este defecto ha sido ya ampliamente tratado en el capítulo de los defectos que se originan en las materias primas (véase el apartado referente a los defectos provocados por la materia orgánica). Se manifiesta con un halo de color que va desde amarillo-verde a gris y negro en el espesor de la pieza. También simples puntos negros dispersados en la pasta pueden entrar en esta tipología de defecto. Se trata de la combustión incompleta de restos orgánicos contenidos en la pasta o de la sustracción de oxígeno a los óxidos de hierro: en todo caso es un fenómeno de reducción. La presencia de corazón negro en sí no constituiría un problema (es normal en los productos extruidos), si no estuviera asociada a otros defectos como: - Pinchados y burbujitas en el esmalte. - Porosidad y manchabilidad del esmalte. - Halos y zonas decoloradas. - Apariencia en la superficie de trazas del retículo de la impresión. - Alteraciones dimensionales y de planaridad. El intervalo de temperatura óptimo para la eliminación de corazón negro está generalmente entre 880 y 960 °C: esto, teniendo en cuenta que hoy la mayor parte de los esmaltes de buena factura en uso posee un punto de reblandecimiento alrededor de 9801000 °C. Sin embargo, es posible encontrar todavía esmaltes de fundencia mucho más 398

Defectos

baja, que cierran la porosidad ya a 680-700 °C: esto debe resultar necesariamente perjudicial para el ciclo de cocción que tendrá que ser decididamente más lento. Para los esmaltes y pastas particularmente alto-fundentes, el precalentamiento puede prolongarse incluso hasta aproximadamente 1100 °C. Al igual que la búsqueda de la temperatura óptima, se debe determinar la duración de la permanencia a temperaturas útiles para la desgasificación. Para la máxima eficacia se necesitan altas temperaturas al inicio del precalentamiento y bajas temperaturas a las espaldas de la cocción: aquí a menudo resulta útil soplar aire a través de los quemadores apagados, teniendo cuidado de no generar grandes diferencias de temperatura por encima y por debajo de los rodillos, que podrían potenciar las deformaciones. Para una buena desgasificación es conveniente tener abundantes volúmenes, tanto procedentes de la cocción y del enfriamiento, como aportados por medio de los quemadores. Por lo tanto, se debe evitar una regulación del enfriamiento que aspire mucho aire caliente. Los problemas de desgasificación comportan mayores costes energéticos: por consiguiente, es aconsejable evaluar la conveniencia de tener materias primas y una tecnología cerámica más refinadas. El corazón negro puede presentarse de diferentes formas: - Halo localizado en el centro del espesor o bien con puntos negros esparcidos por el soporte (figura 34). - Halo localizado debajo del esmalte y difuminado hacia el centro del espesor (figura 35).

Figura 34.

Figura 35.

El esmalte alcanza demasiado pronto la temperatura de reblandecimiento, impidiendo la desgasificación de la parte de la composición debajo del esmalte. - Halo localizado en el centro del espesor y difuminado hacia el esmalte (figura 36). Falta de permanencia a una temperatura suficientemente alta en el precalentamiento; al final del precalentamiento, temperatura demasiado alta debajo del plano de rodillos. - El halo está limitado dentro de áreas con sección lenticular (figura 37). 399


Figura 36.

Figura 37.

Se manifiesta una falta de homogeneidad de la densidad de la pieza prensada: por defecto de carga del molde o acumulación de polvo fino. - Si la intensidad es modesta, se puede plantear la resolución del defecto con una suficiente permanencia a la temperatura óptima de desgasificación. - No hay un halo, sino un claro hinchamiento en un área bastante limitada y circunscrita. Se trata de casos siempre esporádicos (figura 38).

Figura 38.

La intensidad es tal que no cabe pensar en intervenir con la regulación del horno. Generalmente se trata del efecto de gotas de aceite procedentes de las máquinas, partes de carbón formadas por una combustión inadecuada en el atomizador, u otros fuertes contaminantes de la pasta. Defectos de planaridad Cuando se debe afrontar problemas de planaridad de las baldosas, es de extrema importancia una cuidadosa observación del defecto para extraer un diagnóstico lo más exacto posible. El perfil de la deformación, pequeñas diferencias en la sección de la carga, variaciones por determinados acontecimientos y circunstancias, relación con problemas de otra naturaleza: todo esto referido a las características del producto tratado es básico para 400

Defectos

una primera hipótesis, que debe verificarse a continuación con los ensayos oportunos. El defecto de planaridad no se genera necesariamente por un error de funcionamiento o regulación del horno; a menudo se trata de la inadecuación del horno de poder eliminar el efecto de otros “errores” aguas arriba en el proceso productivo. Un caso bastante frecuente es la incompatibilidad entre la pasta, el esmalte y el engobe eventual por el desarrollo de las correspondientes curvas dilatométricas; asimismo, se puede dar una densidad no homogénea de las piezas, una escasa resistencia estructural en las piezas muy fundidas, muy delgadas o conformados de forma especial. A menudo un ajuste muy cuidado del horno soluciona el problema; a veces solo puede atenuarlo, a veces no se encuentra o no existe un ajuste satisfactorio: sin embargo, siempre es conveniente un diálogo abierto entre el hornero y el tecnólogo para concertar estrategias de acción provechosas. Para regular la planaridad de las baldosas se aprovechan sobre todo las implicaciones de la contracción lineal en cocido de la cerámica. - Imaginemos la baldosa seccionada en su espesor. La parte expuesta a la mayor temperatura se contrae más; con una temperatura más alta en la parte superior, la pieza se contrae más arriba y se produce una deformación cóncava; con una temperatura más alta en la parte inferior, la pieza se contrae más abajo y se produce una deformación convexa. - Las piezas cóncavas o convexas, avanzan apoyándose solo sobre los rodillos con un área limitada. La parte suspendida, cuando ya se inicia el reblandecimiento de la pasta, tiende a aplastarse (colapsar) por gravedad; esto es la causa de otra deformación sustancialmente contraria a la provocada por la diferencia de temperatura. Puesto que el aplastamiento requiere un mínimo de tiempo, la deformación puede producirse sobre todo cuando la deformación térmica se produce al inicio-centro de la zona de cocción. - Ya que el calentamiento de las piezas se favorece y se anticipa en la periferia con respecto al centro, una diferencia apreciable de temperatura en el breve tiempo del final de la cocción produce una convexidad o concavidad pronunciada en las esquinas de la baldosa. Efectos sobre la planaridad pueden obtenerse también desfasando el enfriamiento de las dos caras de la baldosa, de hecho modificando el momento de adherencia del esmalte al soporte e influyendo en la relación entre las dos dilatometrías. Un buen plano de apoyo para las baldosas, con rodillos limpios y rectos, es siempre importante para el movimiento ordenado de las piezas en el horno y para la prevención de alabeo y deformaciones de origen mecánico. Cómo ejemplo cabe señalar algunos de los defectos de planaridad que se encuentran más a menudo en la producción. Ángulos bajos Todas las esquinas de la baldosa, en un tramo de unos tres centímetros apuntan hacia abajo; el resto de la superficie es sustancialmente plano o solo tendencialmente convexo (figura 39). La distribución del defecto en la carga es uniforme y constante en el tiempo; la magnitud de la deformación es solo un poco menos en los extremos de la carga. 401


Figura 39.

La zona del horno donde hay que elaborar la corrección es el final de la cocción. Allí es necesario aumentar la temperatura por encima del plano de rodillos y disminuirla debajo del plano de rodillos. Hace falta prestar atención a distinguir esta deformación de otras parecidas en apariencia, pero muy diferentes a la observación cuidadosa, y sobre todo de diferente naturaleza (figuras 40–41).

Figura 40.

Figura 41.

Ángulos altos Todas las esquinas de la baldosa, en un tramo de unos tres centímetros, apuntan hacia arriba; el resto de la superficie es sustancialmente plano o solo tendencialmente cóncavo (figura 42).

Figura 42.

La distribución del defecto en la carga es uniforme y constante en el tiempo; la magnitud de la deformación es un poco menos en los extremos de la carga. La zona del horno donde elaborar la corrección es el final de la cocción; allí es necesario disminuir la temperatura por encima del plano de rodillos y aumentarla debajo del plano de rodillos. Hace 402

Defectos

falta prestar atención a distinguir esta deformación de otras parecidas en apariencia, con las que se podría confundir (figuras 43-44).

Figura 43.

Figura 44.

Convexidad Las baldosas presentan una curvatura homogénea hacia abajo con un perfil de deformación parecido en los cuatro lados (figura 45).

Figura 45.

Representa uno de los problemas de planaridad más frecuentes y difíciles, también porque en el origen está un defecto de compatibilidad entre el soporte y el esmalte por el desarrollo de sus correspondientes curvas dilatométricas. Los elementos como el engobe, relación de espesor entre el esmalte y el soporte, formato, densidad de la pieza, grado de gresificación, diseño del reverso, etc., son variables capaces de influir en la planaridad. Raramente la curva de las temperaturas es la causa directa de la convexidad: únicamente una cocción central y final caracterizada por una temperatura más alta debajo del plano de rodillos podría producir este defecto. Existen regulaciones forzadas del horno que en muchos casos dan muy buenos resultados; sin embargo no todos los productos responden de manera análoga a los mismos esfuerzos: por lo tanto, es indispensable distinguir entre las diferentes tipologías de producto: por ejemplo, para el pavimento de monococción se pueden hipotetizar las siguientes acciones: a) Intervención en la zona de enfriamiento rápido Se puede aprovechar la parte inicial del enfriamiento rápido, concentrando un intenso soplado desde abajo, directamente sobre el producto. La convexidad se reduce en toda 403


la pieza, pero de forma más marcada en los lados paralelos a los rodillos. Se supone que anticipando el enfriamiento del soporte, esto se contrae en cierta medida, antes de que el esmalte, rigidificado, oponga resistencia y provoque la curvatura de la baldosa. La diferente corrección de los lados paralelos a los rodillos puede justificarse por el desarrollo diferente del enfriamiento de la pieza: simultáneamente en toda una franja entre rodillo y rodillo (paralelamente a los rodillos), por sucesivas porciones, de forma perpendicular a los rodillos (figura 46).

Figura 46.

Para obtener resultados apreciables es indispensable una apropiada dotación de la planta en el enfriamiento rápido: una concentración suficiente de sopladores debajo del plano de rodillos, sobre todo en la primera parte, y caudal de aire suficiente a cada soplador; posibilidad de excluir los correspondientes sopladores por encima del plano de rodillos. La maniobra puede ser reforzada aspirando más aire caliente en el enfriamiento que, estratificado sobre los rodillos, mantiene más tiempo caliente el esmalte, retardando todavía su adherencia al soporte. Asimismo se obtiene otro ajuste eliminando los rodillos en la perpendicular a los sopladores de abajo. Es preferible evitar la excesiva densificación de las baldosas en el enfriamiento rápido. Resultados muy parecidos se obtienen también en la producción del gres porcelánico esmaltado, sobre todo para los grandes formatos. En cambio se ha notado ninguna ventaja para los productos porosos: monococción porosa, bizcocho, vidriado. Las fuertes diferencias de temperatura (baldosas calientes arriba y aire frío abajo) son la causa de la deformación pronunciada de los rodillos. Esto a su vez puede generar deformaciones de tipo asimétrico y el solapamiento de las baldosas. La única manera de eliminar el inconveniente es mediante el uso de los rodillos especiales con un alto coeficiente de transmisión del calor, actualmente disponibles. b) Intervenciones en la zona de cocción Resulta útil una curva de cocción estructurada con una temperatura más alta debajo de los rodillos en la parte inicial, entre los 1050 °C y poco antes de la máxima temperatura. La magnitud de la diferencial de temperatura suele estar generalmente sobre 20-30 °C, pero también se puedan requerir puntas de 50-60 °C. La corrección de la convexidad es siempre un poco más decidida en los lados perpendiculares que en los lados paralelo a los rodillos (figura 47).

404

Defectos

La dinámica de la corrección puede ser representada de la siguiente forma: 1º Momento Con una temperatura más alta debajo del plano de rodillos se contrae antes la cara inferior de la pieza con respecto a la superior: por consiguiente la pieza se deforma de modo convexo (figura 48). – CONTRACCIÓN + CONTRACCIÓN

Figura 48.

Simultáneamente con la contracción se inicia la fase plástica del soporte. 2º Momento Al pasar de un rodillo a otro, la baldosa convexa tiene como base de apoyo una franja limitada delante y detrás: la parte central permanece constantemente suspendida (figura 49).

Zona de apoyo sobre los rodillos de la baldosa convexa

Figura 49.

El peso de la parte suspendida de la pieza se sostiene constantemente sobre los puntos comprendidos en las dos franjas de apoyo (figura 50).

– CONTRACCIÓN + CONTRACCIÓN

Franjas de apoyo

Figura 50.

405


Presionada por el peso de la parte suspendida, la baldosa tiende a la flecha, enderezándose. 3º Momento Siguiendo con la cocción, cuando la cara superior de la baldosa alcanza una temperatura y contracción análoga a la cara inferior, se obtendrá una pieza cóncava (figura 51).

= CONTRACCIÓN %

Figura 51.

Los lados paralelos a los rodillos están apoyados (o suspendidos) bastante más homogéneamente y, por consiguiente, la corrección anticonvexa para ellos es visiblemente modesta. Forzar esta maniobra de modo excesivo puede producir una deformación caracterizada por franjas de unos 8 cm delante y detrás con una tendencia a doblarse hacia arriba (figura 52).

O bien, una deformación de “ala de gaviota” (figura 53).

Figura 53.

Puede resultar también útil una mayor temperatura encima del plano de rodillos al final de la cocción y/o en la zona de máxima temperatura, llegando al límite a apagar algunos quemadores debajo del plano de rodillos. El exceso en este sentido puede producir la deformación de “ala de gaviota” ya señalada, con la tendencia de las cuatro esquinas a orientarse hacia arriba (figura 54). 406

Defectos

Figura 54.

Concavidad Las baldosas presentan una curvatura homogénea hacia arriba con un perfil de deformación parecido en los cuatro lados (figura 55).

Figura 55.

Es un defecto algo raro y excepcional, también porque si estuviera generado por un error en el juego de los coeficientes de dilatación entre el soporte y el esmalte, el esmalte estaría en tracción, con la consiguiente rotura de “cuarteo”. A menudo, la deformación cóncava aparece durante fases transitorias del material crudo: después de un apagón accidental del horno o errores macroscópicos en la curva de cocción. Al inicio de la cocción Suele ser favorable una parte inicial de la cocción con una temperatura más alta encima del plano de rodillos entre los 1050 °C y un poco antes de la máxima temperatura. La magnitud de la diferencial de temperatura puede llegar incluso a 50-60 °C. La corrección resultante es bastante homogénea en los cuatro lados. La dinámica de la corrección procede de forma análoga a lo indicado para el problema de la “convexidad.” 1º Momento Con una temperatura más alta encima del plano de rodillos, la cara superior contrae antes con respecto a la inferior: por consiguiente, la pieza adquiere una deformación “cóncava” (figura 56).

Figura 56.

Simultáneamente a la contracción se inicia la fase plástica del soporte. 407


2º Momento Al pasar de un rodillo a otro, la pieza cóncava tiene como base de apoyo una limitada área central; el área periférica restante permanece suspendida (figura 57).

Área de la pieza constantemente suspendida

Figura 57.

El peso de la parte suspendida de la baldosa se sostiene constantemente sobre los puntos comprendidos en el área central de apoyo (figura 58).

Áreas suspendidas

Figura 58.

Presionada por el peso del área suspendida, la baldosa tiende a la flecha y a enderezarse (figura 59). + contracción % – contracción % Figura 59.

3º Momento Siguiendo con la cocción, cuando la cara inferior de la baldosa alcanza una temperatura y contracción análoga a la cara superior, se obtiene una pieza convexa (figura 60).

= Contracción %

Figura 60.

408

Defectos

Al forzar de modo excesivo esta maniobra en las diferenciales de temperatura, se puede generar una deformación de tipo esquizoide: con un abombamiento central, asimétrico entre delante y detrás (figura 61).

Figura 61.

Al final de la cocción Resulta útil tener una mayor temperatura debajo de los rodillos al final de la cocción y en la zona de máxima temperatura, llegando al límite a apagar algunos quemadores por encima del plano de rodillos. El exceso en este sentido puede producir la siguiente deformación (figura 62).

esquinas bajas

efecto rodillo

Figura 62.

En la zona de enfriamiento rápido Es útil concentrar el soplado por encima del plano de rodillos en la parte inicial de la zona. Se obtiene la máxima eficacia orientando los sopladores no sobre el material, sino hacia la bóveda del horno y cerrando al máximo las filas de la carga que avanza, disminuyendo la velocidad de tracción de los rodillos del enfriamiento rápido. De esta forma se adelanta la rigidificación del esmalte, aumentando de hecho el efecto de la diferencia del coeficiente de dilatación entre el esmalte y el soporte.

409


Efecto rodillo Es una deformación típica de la monococción (figura 63).

Figura 63.

El desarrollo de la deformación afecta exclusivamente los lados de la pieza perpendiculares a los rodillos, mientras que los dos lados paralelos a los rodillos son perfectamente rectos o solo tendencialmente convexos. A un área central recta o solo tendencialmente cóncava, sigue una evidente curvatura hacia arriba de una franja de unos 8 cm, tanto en la parte delante como detrás de la pieza que avanza, que se dobla luego hacia abajo en los últimos 3 cm. La deformación puede producirse de diferentes formas: 1. En la zona de cocción, al menos en la parte central y final, el calentamiento desde abajo es excesivo. La pieza adquiere una deformación convexa por la mayor contracción de la cara inferior y, al avanzar, se apoya sobre los rodillos solo en una franja limitada anterior y posterior (figura 64).

Figura 64.

La pieza ya decididamente reblandecida no es capaz de sostener el propio peso y la parte suspendida colapsa. Si esto es el caso, la deformación se soluciona aumentando la temperatura por encima de los rodillos y disminuyendo en la misma medida la temperatura debajo de los rodillos: se inicia todo desde el final de la cocción, retrocediendo hacia el inicio de la zona de cocción. 2. En la parte inicial de la zona de cocción, el mayor calentamiento desde abajo genera una mayor contracción de la cara inferior: por consiguiente, la pieza adquiere una deformación convexa (figura 65). 410

Defectos

CONTRACCIÓN

Figura 65.

Simultáneamente con la contracción se inicia la fase plástica. Al apoyarse sobre los rodillos solo en la franja anterior y posterior, la pieza se deforma de modo análogo a lo descrito en el párrafo sobre la convexidad, y a la salida del horno presenta una deformación cóncava, aunque con un radio más marcado de curvatura a aproximadamente 8 cm del lado anterior y posterior (figura 66). Esta deformación se confunde con otras (“concavidad” o “ángulos altos”) y se trata impropiamente de corregirla aumentando la temperatura debajo de los rodillos al final de la cocción (figura 67). Sin embargo, esta corrección influye solo en las esquinas (a causa del breve tiempo de permanencia), que se deforman de modo convexo, afectando los últimos 3 cm del lado anterior y posterior.

Figura 66.

Figura 67.

Si esto es el caso, la deformación se soluciona en dos fases: PRIMERO: Aumentando la temperatura encima de los rodillos al final de la cocción y bajándola en la misma medida debajo de los rodillos. Esto genera una deformación como la representada en la figura. LUEGO: Aumentando las temperaturas encima de los rodillos al inicio de la cocción y bajándolas en la misma medida debajo de los rodillos. 3. Existe también un tercer caso, bastante raro y limitado a productos cocidos a una temperatura relativamente elevada. La deformación “efecto rodillo” es muy visible pero con unas curvas muy “suaves” (figura 68). 411


Figura 68.

La deformación se soluciona de un modo en claro contraste con lo expuesto en los dos casos anteriores. Hace falta aumentar sensiblemente la temperatura debajo de los rodillos y disminuirla por encima de los rodillos: se procede hacia adelante desde el inicio de la cocción, pasando inevitablemente por una fase de deformación con “ala de gaviota”. Ala de gaviota o bigote Se trata de una deformación frecuente donde existe una importante diferencia de coeficiente de dilatación entre la pasta y el esmalte: por lo tanto, sobre todo con los esmaltes brillantes y las granillas, y aún más si son de gran espesor, tanto en la monococción porosa como en el pavimento. Se caracteriza por una parte central convexa con un vértice sobre el centro geométrico y ángulos orientados hacia arriba, bien visibles en los lados perpendiculares a los rodillos en los 3-4 cm finales (figura 69). En su forma atenuada se presenta de la siguiente forma:

Figura 69.

Con las puntas que parecen aplanadas. El radio de la curvatura de la parte convexa central sigue, sin embargo, inalterado (figura 70).

Figura 70.

Puede ser el resultado del intento de resolver una deformación convexa aumentando simplemente el calentamiento por encima del plano de rodillos al final de la zona de cocción o en su parte central. 412

Defectos

En este caso, es suficiente traer estas diferenciales de temperatura dentro de límites más tolerables, y abordar de modo más adecuado la deformación convexa. Asimismo, puede tener su origen en un exceso de temperatura debajo de los rodillos en la parte inicial de la cocción. En este caso, se presentan dos posibles acciones: - traer las diferenciales de temperatura dentro de límites más tolerables; - extremar la regulación existente, aumentando la diferencial de temperatura, continuando en la parte central y, si hace falta, también en la parte final con una temperatura claramente más alta debajo del plano de rodillos. Hay que tener en cuenta que esta forma de regulación, en un producto sin fallos en los coeficientes de dilatación, produciría una deformación de “efecto rodillo” (figura 71).

que representa precisamente el contrario del caso de la “ala de gaviota

Figura 71.

A menudo, cuando la “ala de gaviota” se produce al inicio de la cocción, también aparecen alabeos asimétricos causados por el avance irregular con aproximación de las piezas entre sí y principios de solapamiento. Estas deformaciones secundarias se superponen, disfrazando la tipicidad de la “ala de gaviota” y dificultando la identificación. En este caso es indispensable intervenir de forma ordenada en sucesión: primero, se debe solucionar la deformación de la “ala de gaviota”, y luego el alabeo; muy a menudo los dos problemas se resuelven al mismo tiempo. Deformaciones asimétricas o alabeo Se trata de deformaciones irregulares, presentes sobre todo en los lados perpendiculares a los rodillos, recurrentes por lo menos en determinadas posiciones de la carga (figura 72).

Figura 72.

413


La manifestación y el desarrollo de las deformaciones parecidas a las representadas constituyen normalmente la primera señal que sugiere la necesidad de proceder a la limpieza de los rodillos: en todo caso, esta es la primera medida a tomar, antes de cualquier otra intervención. En el origen de estas deformaciones está siempre un defecto de apoyo de las baldosas en el plano de los rodillos. Los casos pueden ser: 1. Una clara deformación por vía térmica de las baldosas, que ya no apoyan de forma estable sobre los rodillos, sino que avanzan cabeceando, rodando y girando sobre su propio centro, avanzando o deteniéndose con respecto a las otras piezas de la fila (figura 73). Se van juntando entre sí, intentando superponerse, superando la distancia de las piezas cercanas. En este caso la solución requiere la intervención sobre la curva de las temperaturas, eliminando o atenuando la diferencial causante de las deformaciones que están en el origen de los defectos de avance.

Figura 73.

2. La calidad y las características de los rodillos de la zona de cocción. Los rodillos cerámicos, hoy de uso común, en función de la anchura del canal, del paso, de la temperatura y del peso soportado, deben satisfacer las exigencias dimensionales mínimas - diámetro, espesor, regularidad geométrica - y mínimas características cualitativas - módulo de flexión en caliente, módulo de elasticidad, etc. En cualquier horno se puede hallar el rodillo que gira constantemente con flecha bajo carga, como gira un cable inadecuadamente tensado. La densidad de la carga no es nunca rigurosamente homogénea y continua: existen espacios entre las filas y en la alineación de las piezas, donde el rodillo se endereza momentáneamente. Es fácil entender que el hecho de subir desde un rodillo con flecha a un rodillo todavía sin flecha y viceversa, para baldosas realmente densificadas, alineadas y dispuestas perpendicularmente, puede ocasionar deformaciones asimétricas recurrentes pero no rigurosamente idénticas. El problema se agudiza todavía más con rodillos desgastados por el uso y las limpiezas, y aún más por los rodillos de diferente calidad mezclados de forma aleatoria. Las soluciones: - Regular la densidad de la carga que avanza de tal forma a mantener, a lo largo de la mayor longitud del horno posible, una mínima distancia entre las filas: en una carga muy compacta, las piezas individuales tienen menos posibilidad de salir de las filas y desordenar la carga. - En compatibilidad con la prioridad de planaridad, buscar las temperaturas que evi414

Defectos

tan que las piezas desarrollen una deformación “cóncava” en el precalentamiento, ya que esto aumenta la movilidad de las piezas y el desorden de la carga. - Utilizar rodillos especiales, perfilados a propósito con un mayor diámetro en el centro para corregir y compensar el particular desorden que generalmente se produce con las piezas de los extremos de la carga, adelantadas con respecto a las del centro, dispuestas en un arco. Unas pocas decenas de rodillos oportunamente distribuidas resultan a menudo muy útiles. - En el enfriamiento rápido, zona crítica sobre todo en su inicio, la deformación a menudo llamativa que se ocasiona en los rodillos a causa de la diferencia de temperatura entre la parte calentada por la carga, y la enfriada al mismo tiempo por el aire soplado, es crítica. Si puede remediarla, minimizando el soplado de aire debajo de los rodillos. Más fiable y estable es el resultado de los rodillos especiales de alta conductividad térmica - de carburo de silicio o mezclas de carburo de silicio y refractario - que se deforman solo mínimamente o en absoluto. - A veces no queda más remedio que la sustitución de un número adecuado de rodillos con otros de calidad más fiable, especialmente en la zona de cocción. El problema es a menudo complejo y difícil de comprender y solucionar. Para llegar a la solución es necesario abordarlo por más frentes, aplicando más de una de las posibles vías disponibles. Con relación concretamente a la producción del gres porcelánico, se han identificado otras características deformaciones que entran indudablemente en la tipicidad aquí considerada. Toda una franja anterior y posterior se dobla hacia abajo (figura 74). Es más frecuente con espesores sutiles y una gresificación extrema.

Figura 74.

La razón es el fuerte reblandecimiento alcanzado, con relación a la escasa resistencia mecánica y el paso de los rodillos: la porción de la baldosa que se encuentra en medio de un rodillo y el siguiente se hunde, al no ser mecánicamente capaz de mantenerse. - La única solución posible consiste en bajar drásticamente la temperatura al final de la cocción debajo del plano de rodillos, hasta el límite de apagar algunos quemadores y con ellos introducir aire. La gresificación se ve afectada solo mínimamente o en absoluto. - Se han encontrado alabeos realmente impresionantes por su difusión, visibilidad y variedad en productos prensados con doble carga (incluso aparentemente muy bien ejecutada), pero también con carga tradicional. Una eficaz solución se ha revelado el uso del enfriamiento rápido, soplando aire en abundancia únicamente con los tubos sopladores por encima de los rodillos. 415


La eficacia de la regulación resulta reforzada al orientar hacia arriba los chorros de los sopladores y, con una carga bien densificada, ralentizar la tracción de los rodillos de la zona. Sin embargo, en otros casos se ha mostrado útil el uso de los sopladores solo debajo de los rodillos, orientados directamente sobre el material que se desplazaba por arriba. En todo caso, se debe buscar la solución más idónea. Monococción porosa En el proceso de cocción de la monococción porosa, quedan muchos aspectos todavía por estudiar a fondo y que son el objeto de opiniones no siempre concordantes. La continua y cuidadosa observación de los fenómenos, en tantas situaciones diferentes, ha dado lugar sin embargo ya a un suficiente cúmulo de experiencias, para que el técnico pueda actuar con criterio a la hora de abordar los problemas, al menos aquellos más frecuentes y comunes. Planaridad convexa

DILATACIÓN %

La convexidad se genera durante la fase de enfriamiento, con especial evidencia durante la retransformación alotrópica de β → α del cuarzo libre en la zona térmica de los 573 °C. La demostración más clara se puede obtener extrayendo una baldosa por una trampilla a espaldas del enfriamiento rápido, sujetando la pieza con una pinza: la deformación se produce velozmente delante de nuestros ojos. Es evidente que el primer responsable de la magnitud de la deformación es el resultado del juego de las tensiones generadas por los diferentes coeficientes de dilatación del soporte, esmalte y engobe con el concurso de los individuales espesores, del relieve de la impresión, de la densidad del prensado, de la humedad, de la maduración de la baldosa, etc., donde, en función del caso, los parámetros individuales desempeñan papeles de importancia variable (figura 75). Está claro que dichos parámetros deben ser optimizados, si se pretende la calidad del producto.

C° Figura 75.

416

Defectos

Al horno queda más de una oportunidad para arreglar una planaridad convexa, ya que el “error” de base en el diseño de la baldosa es una de magnitud razonable. Hemos querido mostrar la impropiedad del término, cuando por “error” se entiende una configuración de los coeficientes de dilatación tal de generar una baldosa cocida convexa. La naturaleza porosa del soporte es la causa de la absorción de la humedad de la atmósfera con la consiguiente dilatación. Esta dilatación no debe llegar, en ningún caso, a poner el esmalte en un estado de tracción, bajo pena de cuarteo. Por “error razonable” se entiende entonces la mayor contracción del soporte con respecto al esmalte en la fase de enfriamiento, suficiente para asegurar, en todo caso, incluso un mínimo estado de compresión del esmalte en cualquiera circunstancia. En el precalentamiento Con el término “precalentamiento” se indica por tradición la zona de las bajas temperaturas dedicada a la desgasificación, en contraposición a la cocción, zona de las altas temperaturas, de la fusión, de la contracción y, por lo tanto, del control de la planaridad. Esta distinción esquemática no es aplicable para la monococción porosa, ya que en el intervalo de temperatura de 920-1020 °C se produce la descomposición del carbonato cálcico, con un copioso desprendimiento de CO2 y, al mismo tiempo, se desarrolla el evento dilatométrico más llamativo e importante de toda la cocción. Por su función anticonvexa se utiliza habitualmente una temperatura más alta debajo del plano de rodillos, eficaz sobre todo a partir de 950 °C. Una parecida organización de las temperaturas del precalentamiento es bastante común. Su éxito es raramente completo, pero se hace apreciar en combinación con el resultado de otras regulaciones específicas. Una mínima o ninguna diferencia de planaridad aparece en los lados paralelos a los rodillos. No se han notado diferencias sustanciales de resultado con la utilización de mayores o menores volúmenes en los quemadores en la zona, y tampoco con la generación de llamas más o menos veloces. Moderadamente favorable resulta un planteamiento lento y gradual a temperaturas de 950-960 °C. Con estas condiciones de temperatura, la observación directa en el horno del material proporciona la imagen de baldosas convexas que avanzan cabeceando sobre los rodillos (figura 76).

Figura 76.

417


Las diferencias de temperatura entre la zona encima y debajo de los rodillos también podrán ser más marcadas con respecto a los valores en el ejemplo; si son excesivas, el resultado será una salida del horno con una deformación del tipo siguiente (figura 77):

Figura 77.

Las diferencias de temperatura entre la zona encima y debajo de los rodillos podrán continuar todavía hasta la zona de temperatura de 1000-1080 °C. Muy probablemente, en este caso, se ocasionará un decidido efecto de concavidad sobre los dos lados paralelos a los rodillos: bastante más fuerte que sobre los lados perpendiculares, del tipo:

Figura 78.

El lado posterior resulta siempre ligeramente más cóncavo con respecto al anterior, aunque en este momento se desconoce la razón (figura 78). Enseguida después de la deformación “convexa”, el material en el horno se vuelve llamativamente cóncavo, sobre todo aparece levantada una franja de 30-40 mm a lo largo de todo el perímetro de la pieza; el área central de la pieza resulta mucho menos afectada. En la cocción Por su función anticonvexa se utiliza habitualmente una temperatura más alta por encima del plano de rodillos, eficaz sobre todo a partir de los 1100 °C. Las diferenciales de temperatura entre la zona encima y debajo de los rodillos están normalmente entre 5 y 30 °C. El efecto anticonvexo que se obtiene es bastante homogéneo sobre los cuatro lados de la pieza, un poco menos homogéneo en la sección de la carga. En la curva dilatométrica de la pasta, se actúa en la parte de la contracción producida por la sinterización a alta temperatura (figura 79):

418

DILATACIÓN %

Defectos

Figura 79.

Al igual que en la fabricación del pavimento, rige la lógica según la cual la parte superior de la baldosa, más calentada, se contrae más, generando la concavidad de la pieza (figura 80): Contracción

Contracción Figura 80.

Las diferencias excesivas de temperatura entre la zona encima y debajo del plano de rodillos producen como resultado a la salida del horno una deformación del tipo (figura 81):

Figura 81.

En la zona final de la cocción Generalmente, la zona final de la cocción, limitada a los últimos 2-4 metros de horno (excepcionalmente 6 metros), ofrece óptimas posibilidades para corregir la convexidad de modo homogéneo en la pieza y, dentro de los debidos límites, sin generar deformaciones tendenciales del tipo (figura 82):

419


Figura 82.

Debajo del plano de rodillos se apagan pares de quemadores (derecha-izquierda): 1-4 pares, 6 como máximo. A través de los quemadores apagados se introduce aire, incluso en gran cantidad, hasta 40-50 m3/h. La dinámica de funcionamiento de la maniobra no sigue la lógica de la “diferencia de temperatura = diferencia de contracción”, sino atenúa el efecto del mayor coeficiente de dilatación del soporte con respecto al coeficiente correspondiente del esmalte, retrasando la adherencia del esmalte al soporte. En una situación de soporte incandescente, por encima de 1100 °C, con el esmalte abundantemente fundido y, por tanto, en el estado líquido, se inicia de manera anticipada el enfriamiento del soporte desde abajo. El soporte empieza a contraer de acuerdo con el desarrollo de su propia curva dilatométrica: el esmalte líquido sigue el desarrollo sin oponer ninguna resistencia. El juego se concluye cuando el esmalte se queda rígido y empieza a moverse de acuerdo con su propio desarrollo dilatométrico. Operando de esta forma, se desarrolla una parte de la dilatación del soporte antes de la temperatura de adherencia del esmalte con el resultado práctico equivalente a una menor diferencia entre los dos coeficientes de dilatación. Naturalmente, el sistema no admite que se aumente el calentamiento del esmalte: es decir, no admite que se aumenten las temperaturas por encima del plano de rodillos. En este caso predomina el efecto de la mayor temperatura y la mayor contracción con la aparición de la deformación (figura 83):

Figura 83.

Una idéntica técnica funciona en la fabricación de pavimento, solo retardada a las temperaturas más bajas del enfriamiento rápido.

420

Defectos

Planaridad no uniforme en la sección de carga de la monococción porosa Es un problema extendido y común comprobar una menor eficacia de las correcciones anticonvexas en las áreas de carga más cercanas a las paredes: cuanto más pronunciadas son las regulaciones correctoras, con mayor evidencia se manifiesta el fenómeno. Plausibles razones para ello pueden encontrarse en el precalentamiento, donde la diferencia de temperatura entre la zona encima y debajo de los rodillos se reduce a causa del espacio vacío en proximidad de las paredes, como por la zona de cocción con una temperatura más alta encima de los rodillos, donde es físicamente imposible que los quemadores calienten la pared de modo exactamente idéntico al centro de la carga; finalmente, en la zona final de la cocción, por la suma de las dos razones que acabamos de exponer. Remedios a) Resulta siempre ventajosa tener una presión del horno bastante sostenida; lo ideal se ha demostrado un valor de aproximadamente 0.3-0.4 mm en la zona de cocción, al nivel de los quemadores por encima del plano de rodillos. Hace falta tener cuidado que esta presión se produzca por limitación de la chimenea de humos, y no por limitación de la aspiración de aire caliente en el enfriamiento. En otras palabras: la maniobra funciona incluso si hay un modesto paso de volúmenes de la cocción al enfriamiento, no viceversa. b) Se obtienen resultados apreciables con un uso apropiado de los “reductores de tiro” alojados en la bóveda del horno, que deberán ser íntegras y a una altura no superior a 80-100 mm de los rodillos. Es de fundamental importancia que esté comprendida entre los “reductores de tiro” bajados la zona de las altas temperaturas, donde se han impuesto temperaturas más altas por encima del plano de rodillos. De forma inversa, se deben eliminar absolutamente los eventuales muros transversales debajo de los rodillos, instalados al inicio o dentro de la zona de cocción. c) Una contribución también viene del uso de bloques de quemadores semirradiales utilizados por encima del plano de rodillos en la zona de cocción, oportunamente dispuestos y regulados, de modo que no afecten el éxito del esmalte. d) Se debe tener presente que, en líneas generales, es preferible una regulación “suave” del enfriamiento rápido, soplando nada más que la mínima cantidad de aire estrechamente indispensable. Lo anterior es igualmente de aplicación cuando el problema se presenta en la bicocción: tanto en la cocción del bizcocho como del esmalte. Planaridad no uniforme en el tiempo Es normal y comprensible que en las horas y en los días se produzcan pequeñas variaciones de planaridad provocadas por pequeñas variaciones, difícilmente apreciables, de los parámetros productivos y de la materia prima: las pequeñas correcciones constituyen parte de la tarea cotidiana del hornero. Otra cuestión es la manifestación de macroalteraciones en la cabeza de producción después de huecos de carga más o menos extensos. Es comprensible que en un horno vacío o, para una mejor comprensión, en un horno sin el tapiz de baldosas que separan físicamente las temperaturas y volúmenes de los 421


productos de la combustión entre la zona encima y debajo de los rodillos, los equilibrios se alteren. En particular, los quemadores debajo de los rodillos trabajarán siempre con una mayor potencia de lo habitual y los quemadores por encima de los rodillos trabajarán siempre con una menor potencia de lo habitual. La cabeza de producción, después de un vacío, transita en el horno con esta particular y diferente distribución de energía: es natural que el efecto sobre la planaridad se haga sentir. Si ha probado a forzar de modo dirigido las válvulas del caudal de gas de los grupos de quemadores, consiguiendo ciertamente una deformación menos pronunciada en las piezas, aunque esto ha necesitado un tiempo muy prolongado antes de restablecer la normalidad. La sugerencia es de aceptar el inconveniente como inevitable, dejando así la libertad de una veloz actuación a las válvulas de modulación del gas a los quemadores, para limitar al máximo lo transitorio de la deformación; por lo tanto, desviando habitualmente a la descarga de emergencia las primeras 10-20 filas después de cada hueco de cierta importancia. Si el fenómeno con las baldosas deformadas, después del hueco, resulta mucho más prolongado que la descarga de las primeras 10-20 filas, posiblemente sea recomendable apresurar la acción de los termorreguladores y las válvulas de modulación del gas. No uniformidad de calibre en la sección de carga de la monococción porosa Incluso si es una característica de la monococción porosa presentar una contracción en cocido limitada a valores alrededor del 1%, no es un hecho excepcional que se observen diferencias en la contracción de magnitud todo menos que irrelevante, sobre todo en los grandes formatos. El problema se presenta con un calibre más largo en los extremos laterales de la carga, de modo completamente análogo a lo que sucede a menudo en la fabricación del pavimento. Muy diferente es, sin embargo, la dinámica de la formación del defecto: para el pavimento se trata de un hecho de menor temperatura en proximidad de las paredes en la zona de cocción. Para la monococción porosa se trata al contrario de un hecho de calentamiento anticipado de los extremos de la carga en el intervalo de temperatura de 9501000 °C, durante la veloz contracción concomitante a la fase crucial de la descomposición de los carbonatos, y el juego de dilatación y contracción escalonada, que interfieren entre sí, alterando el resultado final (figura 84). No está todavía disponible una solución sencilla y de eficacia segura. Una buena contribución viene del enhornado de la carga con las baldosas distanciadas entre sí: se tiende así a homogeneizar la situación del “hueco” existente en los bordes de la carga. De este modo, la dimensión se uniforma a la medida más grande que se obtiene en los extremos de la carga. En algún caso se han obtenido resultados trabajando sobre los quemadores del precalentamiento con vistas a disminuir la temperatura en los extremos de la carga. De todas formas, una contribución a la solución del problema viene de la disminución de las temperaturas debajo del plano de rodillos en la zona de temperatura de 950-1000 °C: esto, obviamente, si el control de la planaridad lo permite. 422

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- temperatura de dilatación + temperatura - contracción La contracción del borde está obstaculizada por la dilatación del centro: = El borde se contrae menos de lo debido.

CONTRACCIÓN

DILATACIÓN

La dilatación del borde está potenciada por la mayor dilatación residual del centro = El borde queda más grande. DILATACIÓN

Figura 84.

Figura 85.

No está del todo claro por qué el defecto de calibre es una presencia constante para determinadas pastas, mientras que para otras es totalmente desconocido (figura 85). La comparación entre las curvas dilatométricas de las pastas con y las pastas sin problema muestra que: - El problema existe para las pastas con un alto porcentaje de carbonato cálcico. - El problema del calibre existe en presencia de curvas dilatométricas con una contracción más pronunciada, correspondiente a la descomposición de los carbonatos. - Ciertamente negativa es otra dilatación pronunciada sucesiva a la descomposición de los carbonatos. 423


Contaminación de la producción La casuística es bastante variada y el defecto no es siempre de fácil atribución. La observación de la circunstancia en la cual el fenómeno se acentúa, de la frecuencia y difusión en la carga, de la localización en el espesor del esmalte, el tamaño, la forma y el color, es iluminadora. Un pequeño microscopio es indispensable para la investigación. Por tipología, podemos distinguir los diferentes casos en los cuales el horno puede estar directamente encausado: a) Contaminación vítrea; b) Contaminación cerámica; c) Contaminación metálica ferrosa; d) Contaminación metálica no ferrosa; e) Contaminación carbonosa. Es una debida premisa que ninguna partícula contaminante producida por el horno podrá hundirse nunca debajo del espesor del esmalte: una vez partida la partícula, el microscopio notará la localización en el espesor de la baldosa. Otro caso a considerar aparte es aquel de la contaminación producida por las muelas, trabajos de soldado y residuos en proximidad de la línea de producción durante los trabajos de montaje y mantenimiento. a) Contaminación vítrea Se presenta con manchas de forma redondeada de notable tamaño (diámetro 1-40 mm), habitualmente de color amarillo-verde-marrón, vítreas y brillantes. El fenómeno se inicia con rara frecuencia que aumenta de manera notable con el pasar de los días. Aumenta decididamente de intensidad después de los huecos de alimentación del horno de cierta importancia y a causa del aumento de las temperaturas al final de la zona de precalentamiento. El fenómeno depende de la presencia de fuertes contaminantes (sobre todo de plomo y boro) en las fritas de los esmaltes en producción, cuyos vapores condensan sobre la bóveda y paredes del horno a temperaturas entre 850 y 1000 °C. Por exceso de acumulación o por aumento de fluidez debido a los aumentos de temperatura, se comprueba el goteo sobre el material en tránsito: el aspecto de las manchas es claramente “vítreo”. Es conveniente destacar que no existe una regulación del horno capaz de evitar la formación de estas condensaciones: un gran aumento de los volúmenes representa una mejora cuyo beneficio práctico es en todo caso muy modesto, mientras el aumento del consumo energético resulta sustancial. Cuando el fenómeno adquiere dimensiones que perjudican el rendimiento de la clasificación, se impone una limpieza de la bóveda. Ya que a menudo la velocidad de acumulación de las condensaciones es tal que resulte inadmisible enfriar el horno con tanta frecuencia para la limpieza (a efectuar martilleando y raspando), se utiliza el expediente de aumentar decididamente la temperatura (100150 °C) en la zona de 900-1000 °C durante un tiempo de unas 2 horas: se provoca así un fuerte aumento de la fluidez de la condensación, que caerá en gran cantidad. Obviamente es indispensable preservar los rodillos abajo del inevitable fuerte ensuciamiento: es recomendable extraerlos antes de aumentar la temperatura. En el caso que los rodillos estén en malas condiciones, tal de desaconsejar su extracción, se debe protegerlos con carga mantenida como barrera de protección durante todo el tiempo de 424

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la limpieza en la zona crítica. En este caso, hay que tener el cuidado de sacar y reinsertar la barrera con frecuencia suficiente para evitar la intervención de la seguridad “tiempo de barrera” que provoca el cierre de las válvulas de gas. Para ayudar el aumento de la temperatura, mantener en funcionamiento el ventilador de “soplado-enfriamiento final” y parar eventualmente el ventilador de “aspiración de aire caliente”. Tener cuidadosamente bajo control el horno y, en particular, la entrada, donde a causa del aumento de presión y temperatura existe el riesgo de provocar daños (fotocélulas, cables, rodillos de caucho, etc.). En todo caso, la limpieza de la bóveda por fluidificación de las condensaciones es una solución de la cual no se debe abusar: a la larga sufre la resistencia del aislamiento, el cual, en todo caso, tendrá que ser limpiado con el horno frío, también porque al impregnarse el refractario, la eficacia de la limpieza se reduce. En último análisis, la única solución verdadera al problema de las condensaciones es una selección inteligente de los esmaltes compatibles. Otro caso se da cuando se hallan condensaciones de aspecto polvoriento en las bajas temperaturas del prehorno y al inicio del precalentamiento. Aquí es posible limpiar la bóveda y las paredes maniobrando un tubo metálico con aire comprimido a través de las trampillas dispuestas en la pared debajo de la bóveda. Aún mejor es la utilización de agua nebulizada con aire comprimido, como los pulverizadores a presión, del tipo usado para el lavado de los automóviles. Tampoco en este caso es necesario enfriar el horno o extraer los rodillos. b) Contaminación cerámica La contaminación cerámica presenta el aspecto del “punto negro”, relativamente brillante, de forma redondeada perceptible con la uña y de pequeño tamaño. La observación con el microscopio revela su aspecto de agregado típico de la cerámica, sin halo; no produce ninguna cavidad. Se trata del omnipresente polvo fino que se acumula en pequeñas dunas siempre donde hay una turbulencia y se desprende en pequeñas laminillas por exceso de acumulación, vibraciones o variaciones termo-dimensionales de su soporte. Otra fuente de laminillas puede ser el rozamiento entre las baldosas que avanzan cabeceando en una carga excesivamente compacta. Una buena norma preventiva es el cuidado de la limpieza en las proximidades del horno, evitando de levantar polvo, teniendo presente que dentro de la planta, la zona del horno es una zona de baja presión hacia la que convergen corrientes desde todas las direcciones: por los grandes volúmenes aspirados por los ventiladores y expulsados de las chimeneas y por las corrientes ascensionales producidas por la gran masa caliente del horno. Por otra parte, una prevención muy válida es la instalación de buenos filtros a la boca de aspiración de los ventiladores de “aire de combustión” y de “enfriamiento rápido” cuya limpieza se debe cuidar escrupulosamente. Las áreas del horno implicadas en este problema son: Entrada del horno - Estructuras y protecciones de la máquina de carga que sobresalen a las baldosas, donde se acumula polvo. - Soplado del material, particularmente si alimentado por el ventilador autónomo: filtrar el ventilador y limpiar periódicamente el tubo de soplado. 425


Prehorno - Puertacita de entrada del horno, que sobresale a la carga: cepillar y aspirar. - Bóveda, tomas de los humos y paredes por encima del plano de rodillos deben ser limpiadas con aire comprimido, soplado por un tubo metálico manipulado a través de las puertacitas adecuadas. - Bordes de la toma de aire de ambiente en la bóveda al final del prehorno: cepillar y aspirar. Quemador Implicados son exclusivamente los quemadores por encima del plano de rodillos; esto no significa sin embargo, que también los debajo del plano de rodillos no deben limpiarse con regularidad para asegurar su buen funcionamiento: lijar y soplar el sistema de combustión y los electrodos, soplar el cuerpo quemador, golpear y soplar la válvula de regulación del aire y el tubo flexible. Enfriamiento rápido Si procede de esta zona, la escoria se presenta para nada o solo en parte fundida, rugosa al tacto y completamente superficial. Limpiar periódicamente los sopladores: soplar sencillamente, desenganchando de un lado el empalme flexible y golpearlo. Golpear y soplar también la válvula de regulación y el empalme flexible. Orientar hacia abajo los sopladores debajo del plano de rodillos puede levantar polvo y escorias que inevitablemente se depositarán sobre el fondo; sin embargo, la contaminación cesará enseguida después de la maniobra. En raros casos se ha comprobado que las rebabas producidas por las prensas con punzones gastados y baldosas raspadas desfilan violentamente en la fase de enfriamiento rápido y saltan, recayendo sobre el esmalte todavía no completamente consolidado: este tipo de contaminación se presenta en forma de fragmentos alargados con aristas abruptas y cortantes, apenas pegados al esmalte. Los fragmentos de piezas estalladas y escorias provocadas al caminar sobre la bóveda del horno o manipulando los reductores de tiro y la válvula de las tuberías no se toman en cuenta. El soplado del enfriamiento final no es capaz de producir contaminaciones, puesto que trabaja en un área del horno ya muy alejada del esmalte fundido. c) Contaminación metálica ferrosa Aparece como “punto negro” caracterizado por un pequeño halo marrón alrededor del núcleo negro, bien visible en el microscopio. Es una tipología de contaminación bastante frecuente, pero muy raramente generada por el horno. Para identificar su procedencia es indispensable partirlo y analizar su localización en el espesor de la pieza: si se genera en el horno, es siempre muy superficial y mal amalgamado al esmalte. Posibles fuentes de contaminación son: - La puertacita de entrada al horno por encima del plano de rodillos y la tubería superior. - Las tomas de humos en el horno, especialmente si la instalación sufre frecuentes 426

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apagones eléctricos que provocan la formación y el estancamiento de condensaciones ácidas y humedad. Lijar y cepillar la puertacita. Perforar el aislamiento de la tubería de humos en varios puntos y golpearla utilizando un punzón y martillo, provocando la separación de las partes ya inestables. El caso, absolutamente excepcional, de la oxidación dentro de la tubería de enfriamiento rápido debe ser verificado mediante la instalación de filtros apropiados para el uso, e inspeccionando el interior de la tubería y los sopladores. En todo caso, se aconseja no orientar los sopladores encima del plano de rodillos directamente sobre el material. En este caso las escorias contaminantes no se hunden mínimamente en el esmalte, quedando muy rugosas al tacto. d) Contaminación metálica no ferrosa La observación microscópica se distingue por el aspecto cristalino brillante, que recuerda el arrabio partido, y por la ausencia del halo marrón producido por la oxidación parcial del hierro. Posibles fuentes de contaminación son todas las partes de acero inoxidable y refractario expuestas al canal de cocción por encima de la carga; por lo tanto: - Anclajes de las placas de fibra de la bóveda del prehorno. En este caso se trata de escorias de pequeño tamaño, con inclusiones de composición y condensaciones, que aumentan decididamente de intensidad y difusión en los tramos después de los huecos, como resultado del aumento de la temperatura en el prehorno. Soplar con aire comprimido, valiéndose de un tubo metálico a manipular por las puertacitas. Apenas posible, con el horno frío, cepillar con precisión. Quemadores Trabajando en condiciones particularmente difíciles, el sistema de combustión puede sobrecalentarse con la consiguiente degradación, por la cual el sistema de combustión “se consume”: las escorias producidas de esta forma se pone en circulación por la llama rápida, generando contaminación. Se trata siempre de escorias de pequeña dimensión y de forma redondeada, que se presentan con una frecuencia y difusión constante y uniforme. Lo mismo es de aplicación para los electrodos de encendido cuando son excesivamente largos: en este caso es suficiente acortar los electrodos, eliminando la parte terminal que presenta señales de carbonización. Sopladores de enfriamiento rápido Producen puntos negros de dimensiones muy pequeñas, casi un polvo, con un fuerte aumento de la contaminación en el tramo después del hueco. Las partes metálicas permanecen en la superficie de las baldosas y son rugosas al tacto. En el origen de la contaminación está la degradación de los sopladores por encima del plano de rodillos, en general los 2-3 más cercanos a la zona de cocción. Esta degradación se produce por el sobrecalentamiento del acero en tiempos incluso breves, si la regulación y la gestión del enfriamiento son incorrectas. 427


- Regular el enfriamiento rápido de modo que en condiciones de “mínima apertura” de la válvula de modulación del aire soplado se asegure un mínimo enfriamiento a los sopladores, estableciendo una presión no inferior a 10 mm de ca. - No parar absolutamente el ventilador de enfriamiento rápido en las fases transitorias del calentamiento del horno o de huecos de carga. - Evitar la exposición directa de los sopladores a los humos de la zona de cocción, regulando adecuadamente la altura de los reductores de tiro entre la cocción y el enfriamiento, y vigilando su integridad. - Evitar la imposición del enfriamiento por lo que se produce la aspiración de humos de la cocción en el enfriamiento rápido. Si la degradación de los sopladores está dentro de un límite razonable, es suficiente separar de un lado el empalme flexible y soplar en el exterior la escoria acumulada. Con una degradación más avanzada, extraer los sopladores, cepillarlos y golpearlos. Más allá de un cierto límite, especialmente si los sopladores están muy deformados, es indispensable su sustitución. El revestimiento con fibra cerámica de los sopladores que más riesgo suponen evita la contaminación con las escorias resultantes en la superficie expuesta al canal de cocción. Hoy en día, se ha difundido el uso de tubos sopladores de carburo de silicio, que han permitido superar el problema. Los tubos sopladores de materiales silicoaluminosos presentan problemas de rotura por choque térmico y, cuando la rotura se produce, es infalible el perno en U. Intercambiador de calor Muy raramente está en el origen de la contaminación: esto se debe a la atención y cuidado dedicado a su elaboración. La contaminación en cuestión es reconocible por la forma de las laminillas metálicas: laminares y con esquinas vivas. En este caso es necesario desmontar el intercambiador, que en su actual forma está permitido, también con el horno caliente, obrando del exterior. e) Contaminación carbonosa Es muy poco frecuente y se limita a los casos donde, utilizando combustibles como el GPL o los combustibles líquidos, se verifica la formación de carbón en los quemadores por una mala combustión. Se presenta como un punto negro de pequeña dimensión, opaco y sin halo. Es indispensable la limpieza de los quemadores y una verificación y corrección de la regulación del aire-combustible.

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Este libro se terminó de imprimir en los talleres de litografica Faenza en agosto de 2004

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