ESTUDIO PARA LA OPTIMIZACI~N DEL PROCESO DE SECADO DE LAS PASTAS. F. Gene1 Ricciardiello (l), D. Minichelli (2', F. Battistella

Transcripción

1 ESTUDIO PARA LA OPTIMIZACI~N DEL PROCESO DE SECADO DE LAS PASTAS F. Gene1 Ricciardiello (l), D. Minichelli (2', F. Battistella DICAMP - via A.Valerio Trieste (Italia) (2) DSTC - via Cotonificio Udine (Italia)

2 El secado de las pastas cerámica es una fase importante en la producción de piezas cerámicas, ladrillos, porcelana y aparatos sanitarios. Después de cualquier proceso de conformación de la pieza [prensado, colado, colado en banda etc.], las pastas están todavía húmedas, con un exceso de humedad en el intervalo entre 6% y 12%. Por lo tanto, es necesario eliminar el agua antes de la cocción, para evitar la rotura de los materiales. En el caso de los productos de colado, el proceso de secado es crítico, debido al alto contenido de agua en las piezas. Se encuentran problemas tanto en la tecnología tradicional del colado de las suspensiones en moldes de yeso, como en la mayoría de los procesos modernos, como p. ej. el colado de las piezas en moldes de resina bajo presiones medio/altas [ N/mm2] y el proceso de colado en banda [o conformado en cinta], una tecnología innovadora para producir baldosas cerámicas de un grosor importante [en la figura 1 se puede observar una configuración típica]. El proceso de secado se puede realizar de varias maneras (convección, radiación, rnicroondas, etc.), pero en la fábrica, se realiza habitualmente por convección en grandes secaderos de túnel, utilizando el calor de los humos de los hornos de cocción. El proceso se basa en el reciclado del aire, utilizando agua de vapor a temperaturas inferiores a 160 C. La velocidad de secado es una función del poder de permanencia en la masa del producto superado por el calor. Este proceso causa la disminución del la viscosidad del agua y de la tensión superficial - y promueve el desplazamiento del agua. La ventaja del método es que el vapor no está obligado a moverse a través de un gas, sino dentro de la masa, reduciendo la consiguiente gradiente de humedad, y reduciendo el esfuerzo debido a la contracción['~. En la producción cerámica, donde se procesan grandes masas de materiales, para las baldosas cerámicas se utiliza generalmente un secadero rápido, y, para los productos obtenidos por colado, un secadero continuo (túnel). En el último caso, las piezas se ponen sobre los mismos recipientes utilizados para llevar los materiales después del colado. Para todos los tipos de producciones cerámicas es necesario evitar la prolongada manipulación de las piezas crudas. En un primera fase, se satura el secadero con aire caliente y húmedo (> 85%). En estas condiciones, la evaporación es muy baja cerca de la superficie y el calor puede difundir dentro de la masa de la pieza, ayudando a la difusión del agua de la masa hacia la superficie [*l. En todos los procesos de producción, el secado se basa esencialmente en la convección del calor, donde los factores más críticos son la temperatura, humedad relativa y velocidad del aire, junto con el grosor de los productos. En este estudio, nos hemos acercado a los problemas del proceso de secado mediante la investigación de los aparatos sanitarios, donde las dimensiones de las piezas son grandes y los resultados se pueden trasladar fácilmente a la tecnología del colado en banda. 2. EXPERIMENTAL Materiales: Se conformaron varias probetas de 15 x 15 cm en el laboratorio, de acuerdo con los procedimientos habituales: los polvos eran materias primas de molienda, obtenidas en un molino de bolas de laboratorio [adición de agua: 40761, Pos - 20

3 con reducción hasta un tamaño medio de grano [<=65-m]. Los polvos se sometieron entonces a colado, utilizando moldes de yeso, después de un control reológico de la viscosidad. Las muestras se secaron en aire durante 2 h y se sometieron a continuación a los ensayos de secado en un horno ventilado de laboratorio. Las formulaciones de las muestras se obtuvieron de acuerdo con la práctica industrial. Métodos: Para demostrar la evolución del proceso de secado en una pasta cerámica, es útil emplear los diagramas donde los valores de pérdida de peso (%), que se correlacionan con la humedad, se pueden seguir en función de la contracción (%), a una temperatura dada (diagramas de Bigot). El proceso se realiza hasta alcanzar el equilibrio (peso constante). Cuando el sistema alcanza el equilibrio, el valor correspondiente de la humedad se llama "humedad crítica" y es muy importante en el proceso de secado, ya que presenta un valor que permite, para contenidos de humedad más bajos, un gradiente térmico más rápido sin generar tensiones peligrosas y líneas de fractura. Es posible obtener un refinamiento adicional de los diagramas trazando las curvas de Bigot-Bourry, donde la contracción y la pérdida de peso de los materiales se presentan en función del tiempo. Estos diagramas también permiten evaluar la velocidad de contracción, un parámetro definido como la razón [-contracción % /-tiempo]: en todos los casos donde no era lineal esta razón, se seleccionó el mayor valor de la pendiente. Las medidas se realizaron mediante la permanencia de las muestras en el horno ventilado, con la utilización de una temperatura constante (30, 40, 60, 70 C), secado de las muestras hasta peso constante, y con la utilización de curvas de temperatura dobles, a C y a 40'-60 C, respectivamente. En los experimentos de dos fases, el tiempo de permanencia en el horno se estableció en 45' para la temperatura más baja, y en 45' para la temperatura más alta, de acuerdo con los parámetros industriales. Cada 15', las muestras se extrajeron del horno, se sometieron enseguida a las medidas (peso y tamaño) y se devolvieron rápidamente otra vez. Para cada ciclo térmico, se ensayaron 6 probetas y los datos finales se recogieron calculando los valores medios de los 4 datos centrales. Los datos experimentales se presenten de forma resumida en las figuras 2-4, mientras que en la tabla 1, se detallan los valores de la velocidad de contracción. 3. RESULTADOS Y CONCLUSIONES El secado de un material cerárnico es un proceso altamente variable, que requiere controles industriales precisos de los parámetros críticos como la humedad relativa, velocidad de secado y temperatura del aire. Los resultados recogidos después de los diferentes ciclos de secado demuestran una dispersión de datos, con una desviación media de aproximadamente 775, el cual se puede considerar satisfactorio. Pos - 21

4 Las curvas de Bigot-Bourry, realizadas en muestras que se secaron a una sola temperatura (30, 40, 60, 70 C) y con una curva térmica de dos fases (30"-70 C y 40"- 60 C), conducen a las siguientes consideraciones: Las observaciones de los ensayos realizados a una sola temperatura constante demuestran que las curvas de Bigot son muy similares para todas las muestras en cualquier condición térmica; por el contrario, la velocidad de contracción es diferente según el ciclo térmico, como se puede observar en la tabla 1. El ciclo térmico de 40"-60 C presenta una mayor velocidad de contracción conrespecto al ciclo de 30"-70 C: el valor de la pendiente observado a 40 C es cerca el doble del valor observado a 30 C [0.039 contra Este hecho demuestra que el ciclo de 30"-70 C es más fiable para poder evitar los problemas de secado [fractura, deformación, etc.]. Las pendientes de las líneas a 60 C y a 70 C son superiores para los ciclos de una sola fase. Este fenómeno indica que en los ciclos de dos fases, la contracción se produce sobre todo en los primeros tiempos y bloquea algunos flujos relativos entre las partículas con la consiguiente reducción de la velocidad de contracción. CICLO TÉRMICO VELOCIDAD DE CONTRACCIÓN MEDIA [%/MINI 70 C 30" - 70 C ciclo 40" - 60 C ciclo [Primera fase a 30 C] [Primera fase a 40 C] [Segunda fase a 70 C] [Segunda fase a 70 C] Tabla 1. Valores de la velocidad de contracción para las muestras secadas en el horno. \+ Suspensión 4 Película de plástico Soporte Figura 1. Esquema del proceso de colado en banda Pos - 22

5 O' * $8 O*$ O,? a,*.$# k'$ Contmcd6n 1%) Figura 2. C u m de Bigof a difeentes temperaturas constantes + PtrdMA de paio (S)+-Cantrieci6n t%)i O So Tiempo (min) Figura 2. Curvas de Bigot-Bourry para el ciclo térmico de C Pdrdlda de pero í%)tcontrreot4n (S) O 16 a0 Y w 75 so 1w lno Tiempo (min) Figura 2. Curvas de Bigot-Bourry para el ciclo térmico de 40'-60 C

6 [l] Le Séchage en Céramique, Principes & Techniques, Eberhard Krause Editor, Septima, [1977]. [2] Introduction to the Principles of Ceramic Processing, James S. Reed, Wiley Interscience, [1988].