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Estudio de la influencia del Carbonato de Calcio en los procesos de secado y en el tiempo de sinterización

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Academic year: 2020

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Construcciones Departamento de Ingeniería Civil. TRABAJO DE DIPLOMA Estudio de la influencia del Carbonato de Calcio en los procesos de secado y en el tiempo de sinterización.. Autor: Kenny Hernández Febles Tutor: Msc. Yosvany Días. Santa Clara 2009 - 2010.

(2) DEDICATORIA. Dedico este trabajo a: Mis padres y mi hermano que siempre me apoyaron y creyeron en mí. Mi abuela que aunque ya no esté presente físicamente siempre me apoyó y confió en mí. Mi Tía, mi abuelo y todas las personas que me quieren. Mi familia en general..

(3) AGRADECIMIENTOS. Mis más sinceros agradecimientos para: Mis padres por haberme apoyado en las buenas y malas a lo largo de mi carrera. Mi tutor Yosvany Días por haberme ayudado a realizar este trabajo. Mi tía, mis abuelos, mi hermano y familia en general. A todos los que de alguna manera u otra me ayudaron a realizar este trabajo..

(4) RESUMEN Resumen: La siguiente investigación tiene como fundamento la realización de un estudio acerca del uso del Carbonato de Calcio como aditivo en el proceso de fabricación de ladrillos cerámicos, con el fin de disminuir la temperatura y el tiempo de sinterización de las arcillas, se logró demostrar que la adición de carbonato de calcio (caliza finamente molida) en las proporciones adecuadas es decir entre un 2 y un 5% mejoran la resistencia así como otras propiedades físicas –mecánicas del ladrillo , además se logra con este aditivo que el proceso de sinterización ocurra a temperaturas y tiempos menores logrando un menor consumo de energía , sin que se afecte la calidad del producto final en sus propiedades física-mecánicas. Se fabricaron muestras de probetas con 4 dosificaciones diferentes y se quemaron con 3 temperaturas de 800°C, 900°C y 1000°C y tres tiempos diferentes para cada temperatura. A las muestras fabricadas se les hicieron ensayos de resistencia, absorción, y densidad aparente. Los incrementos producidos en la resistencia a compresión y la reducción del tiempo y la temperatura de la sinterización de los ladrillos demuestran la ventaja del uso del carbonato de calcio como adición en la producción de ladrillos. Como parte de esta investigación también se hace un estudio de secado de muestras con y sin Carbonato de Calcio a nivel de laboratorio y de planta piloto arrojando resultados satisfactorios..

(5) INDICE. Índice Introducción ............................................................................................................................. 1 Capitulo: 1 ................................................................................................................................ 7 1.1Estado del Arte. ................................................................................................................ 7 1.1.1 Retrospectiva histórica acerca del surgimiento de la cerámica .................................. 7 1.1.2 Surgimiento de la cerámica en Cuba ......................................................................... 8 1.2 Materias primas. .......................................................................................................... 10 1.2.1 Definición de arcilla ............................................................................................... 12 1.3 Propiedades de los ladrillos .......................................................................................... 12 1.3.1 Características que más importan a los usuarios del ladrillo. ................................... 13 1.3.2 Calidad del ladrillo .................................................................................................. 15 1.4 Proceso de elaboración de los ladrillos de cerámica roja................................................ 17 1.4.1 Los subprocesos de la elaboración de los ladrillos de cerámica roja. ....................... 17 1.5 Proceso de Sinterización: ............................................................................................... 22 1.5.1 Etapas del proceso de sinterización: ....................................................................... 23 1.6 Combustibles usados en la cocción de ladrillos. ............................................................. 25 1.7 Tipos de hornos: ............................................................................................................ 26 1.8 Influencia de los Fundentes utilizados en la producción de cerámica. ............................ 30 1.9 Uso de fundentes. ........................................................................................................ 30 1.10 Conclusiones parciales del capítulo.............................................................................. 34 Capitulo: 2 .............................................................................................................................. 36 2.1 Caracterización de la materia prima. ............................................................................. 36 2.2. Diseño experimental. ................................................................................................... 39 2.2.1 Estudio de la influencia del CaCO3 en el secado de los ladrillos. ............................... 39 2.2.2 Influencia del CaCO3 en el tiempo de cocción de las arcillas. .................................. 41 2.3 Procedimiento de fabricación de las muestras (probetas). ............................................. 42 2.4 Ensayos realizados......................................................................................................... 45 I.

(6) INDICE 2.4.1 Ensayo de resistencia (después de la quema) a las 24 horas. ................................... 45 2.4.2 Ensayo de absorción. .............................................................................................. 46 2.4.3 Ensayo de densidad aparente. ................................................................................ 47 2.5 Conclusiones parciales del capítulo................................................................................ 47 Capítulo: 3 .............................................................................................................................. 49 3.1 Análisis de los resultados. .............................................................................................. 49 3.1.1 Resultados del secado obtenidos a nivel de laboratorio. ......................................... 49 3.1.2 Análisis de los resultados del secado obtenidos en la fábrica: ................................. 50 3.1.3 Comparación de los resultados de la fábrica con los obtenidos en el laboratorio. ... 51 3.2 Resultados obtenidos de las muestras (Probetas). ......................................................... 51 3.2.1 Resultados del Ensayo de Resistencia a las 24 horas. .............................................. 51 3.2.2 Resultados del Ensayo de Absorción. ...................................................................... 53 3.2.3 Resultados del Ensayo de Densidad Aparente. ........................................................ 55 3.3 Conclusiones Parciales del capítulo................................................................................ 57 3.4 Conclusiones Generales................................................................................................. 58 3.5 Recomendaciones. ........................................................................................................ 58 Bibliografía ............................................................................................................................. 59 Anexos .................................................................................................................................... 62. II.

(7) INTRODUCCION Introducción La crisis energética actual es un problema generalizado a nivel mundial y es que el uso de combustibles fósiles a lo largo de tantos años ha provocado que los mismos hayan ido escaseando y sea cada vez mas difícil su extracción en la naturaleza requiriendo de tecnología mucho mas avanzada y por ello los altos precios alcanzados por los mismos en el mercado internacional. En la gran mayoría de las actividades humanas se emplean combustibles fósiles de manera indiscriminada en la generación de energía en industrias de todo tipo y la industria de la construcción no esta excerta de esto ya que para la fabricación de materiales de la construcción es necesaria la utilización de dichos combustibles. En la industria de materiales de la construcción es en uno de los sectores que mas energía se consume y donde también se desprenden gases tóxicos o de efecto invernadero uno de los causantes del cambio climático.(26) La industria de la construcción en Cuba específicamente la industria de la cerámica es una de las que mas contaminación produce y de las que mas energía necesita debido a que los productos que aquí se obtienen es producto de la cocción en hornos, ejemplo de ello es el caso de los ladrillos de cerámica roja ya que en su proceso de fabricación se generan contaminantes que afectan tanto el medio ambiente como la salud humana. La fabricación de ladrillos se realiza ya sea de manera Industrial o artesanal, esta ultima predominante en países del tercer mundo llevada a cabo por pequeños y medianos productores los cuales debido al bajo nivel tecnológico e ineficiencia de sus hornos utilizan como materia prima en la cocción de ladrillos altos volúmenes de madera procedentes de la tala indiscriminada de árboles, lo que trae como consecuencia la deforestación que constituye una de las causas del cambio climático , por todo esto se hace cada vez mas necesario el ahorro de combustible a fin de lograr un mejor aprovechamiento energético. Una solución viable para lograr una mejor eficiencia energética es el uso de fundentes. Estos son componentes de bajo punto de fusión que e combinan con los aluminosilicatos presentes en las arcillas reduciendo la temperatura de fusión de las mismas, son los encargados de disminuir la temperatura a la que ocurre la sinterización durante el 1.

(8) INTRODUCCION tratamiento térmico de las arcillas, mediante se produce la formación de las fases cristalinas que le aportan al ladrillo las propiedades necesarias para su puesta en explotación. Se logra con el uso de fundentes disminuir la temperatura y el tiempo de cocción, factores importantes en el ahorro de energía. (1,4, 12) Situación Problemática La industria de la construcción en Cuba especialmente la industria de la cerámica presenta un marcado atraso tecnológico comparado con el nivel alcanzado por la industria de la cerámica a nivel mundial en el caso muy específico de los ladrillos cocidos, ya que debido a la necesidad de viviendas en el mundo se han realizado un gran numero de investigaciones las cuales han ubicado a los materiales cerámicos dentro de los mas utilizados a nivel mundial. El ladrillo cerámico es un producto que goza de gran aceptación en nuestro país ya que es económico y tiene una gran tradición pero su uso en ocasiones se ve limitado por el alto consumo de energía necesario para su producción debido a varios factores que conllevan a la ineficiencia desde el punto de vista energético de esta industria . Con la utilización de fundentes es posible reducir el consumo de combustible logrando así una eficiencia energética, la función de los mismos no es más que bajar la temperatura a la que ocurre la sinterización en el proceso de cocción del ladrillo. Entre los materiales utilizados en este proceso de disminuir la temperatura de cocción y es al cual se refiere esta investigación en cuestión esta el carbonato de calcio compuesto principalmente por Calcita que es un mineral fundente utilizado también en la alfarería. El uso del carbonato de Calcio es una solución muy viable para las condiciones de nuestro país ya que se encuentra de forma abundante y es muy económico además , su uso como fundente no es solo recomendable en Cuba sino en todo el mundo ya que a nivel mundial se utilizan hornos de todo tipo entre los cuales están los que son a base de leña (madera) por lo que para su funcionamiento son necesarios grandes volúmenes de madera provenientes de la tala indiscriminada de los bosques conllevando esto a la deforestación la cual constituye una de las causas del cambio climático , fenómeno por el cual estamos siendo afectados en la 2.

(9) INTRODUCCION actualidad por lo que para su mitigación el uso de fundentes para lograr disminuir la temperatura y el tiempo de cocción en los hornos logrando un mejor aprovecha miento energético y un menor consumo de combustible o de madera en el caso de los que operan con dicha materia prima. Problema Científico ¿Será posible en el proceso de fabricación de ladrillos cerámicos, disminuyendo la temperatura de cocción y así lograr un mejor consumo de energía sin afectar la calidad de los productos con el empleo del CaCO3 como fundente? Preguntas científicas 1. ¿Qué influencia tiene el tiempo al cual ocurre la sinterización de las arcillas en la fabricación de materiales cerámicos con la adición de fundentes como el carbonato de calcio?. 2. ¿Qué influencia tendrá en la temperatura de cocción con la adición de carbonato de calcio como aditivo fundente?. 3. ¿Que influencia tendrá la adición del carbonato del calcio sobre el secado de los productos cerámicos? Objetivo general 1. Demostrar la influencia del carbonato de calcio sobre los procesos térmicos en la producción de los materiales cerámicos Objetivos específicos 1. Estudiar la influencia del CaCO₃ como fundente en el tiempo a la que ocurre la sinterización en los materiales cerámicos. 2. Estudiar la influencia del CaCO₃ como fundente en la temperatura a la que ocurre la sinterización en los materiales cerámicos. 3. Estudiar la influencia del CaCO₃ como fundente en el secado de los productos cerámicos. 3.

(10) INTRODUCCION Tareas científicas 1.. Hacer un resumen acerca del estado del arte.. 2.. Hacer una revisión bibliográfica detallada.. 3.. Evaluación de las principales materias primas a emplear. a) Realizar ensayos de granulometría.. 4. Observar el comportamiento del secado de una muestra de ladrillos con un 2% de CaCO₃ y comparar los resultados con muestras hechas con un 100% de arcilla .Todo esto a nivel de laboratorio. a) Comparar los resultados obtenidos en el laboratorio con los obtenidos en la fábrica. 5. Hacer un estudio un estudio acerca de la influencia del CaCO3 en el tiempo de sinterización. Hipótesis La adición de carbonato de calcio en las proporciones requeridas hace que se modifiquen las propiedades mineralógicas de la arcilla. lo que permite que. disminuya el tiempo como la temperatura de cocción sin que se afecten sus propiedades físicas. Novedad científica Con la adición de fundentes (Carbonato de calcio) en las proporciones adecuadas mejora la resistencia de los ladrillos a temperaturas cercanas a los 850 grados. Se logra que ocurra el proceso de sinterización de las arcillas a temperaturas mas bajas con una disminución además del tiempo de cocción. Aportes del trabajo 1. En el campo teórico: El trabajo hace una importante contribución al estudio de la influencia de la acción fundente de la adición de caliza como fuente de. carbonato de calcio en los materiales cerámicos y la formación de. nuevas fases mineralógicas. 2. En el orden práctico: El principal aporte de orden práctico del trabajo es mostrar las vías para la disminución del tiempo y la temperatura de cocción 4.

(11) INTRODUCCION de la cerámica,. y por ende. el consumo de combustible a través de esta. adición en el proceso productivo, lo que incide directamente en la eficiencia y productividad de este. 3. Desde el punto de vista de la preservación medioambiental, se demostró. que. esta. adición contribuye a la disminución del consumo de. combustibles fósiles y no fósiles, como la madera y el petróleo. Ello conlleva a una disminución de la emisión de gases de combustión hacia la atmósfera, lo que hace el proceso más compatible con la preservación del medio ambiente. 4. Desde el punto de vista social, el uso de este fundente conduce a un incremento en eficiencia y productividad en la producción de ladrillos de cerámica,. al. disminuir. su. tiempo. de. cocción. con menor. consumo. energético lo que posibilita una mayor disponibilidad de este material para su utilización en obras sociales y habitacionales. Estructura del Trabajo El. trabajo. se. estructuró. en:. Resumen,. Introducción,. 3. capítulos,. conclusiones, recomendaciones, bibliografía y anexos. En el Capítulo I se expone de manera clara y precisa la situación sobre el estado del arte, después de haberse hecho una amplia revisión bibliográfica de la literatura nacional e internacional más actualizada sobre el tema. En el Capítulo II se mostrarán los pasos seguidos para llevar a cabo el estudio sobre la influencia del carbonato de calcio como fundente en el proceso productivo del Combinado de cerámica roja de Manicaragua. En el Capítulo III se exponen los resultados. Posteriormente se reflejarán las Conclusiones donde se analizan los resultados más relevantes del trabajo. En. las recomendaciones. se. dan. las. sugerencias. a. considerar. en. próximos trabajos investigativos sobre el tema.. 5.

(12) INTRODUCCION Por último se dará a conocer. la bibliografía utilizada, de acuerdo con las. normas vigentes.. 6.

(13) CAPITULO 1 - Estado del Arte Capitulo: 1 1.1Estado del Arte. 1.1.1 Retrospectiva histórica acerca del surgimiento de la cerámica Las cerámicas son materiales inorgánicos, unidos por. enlaces. iónicos. o. covalentes, están constituidos por metales y no metales, que pueden tener una gran diversidad de estructuras cristalinas.Estos materiales son procesados a altas temperaturas por algún tiempo, durante su elaboración. La palabra cerámica se remonta al término griego “Keramos”, que significa “quemado”, dado que su proceso normal de obtención requiere un tratamiento térmico o, en términos cerámicos, una cocción a alta temperatura. La cerámica no aparece hasta el período de transición del Mesolítico al Neolítico, junto a otro descubrimiento trascendental como lo fue la agricultura (8,21). El ladrillo es un rectángulo de tamaño normalizado que varía ligeramente de una región a otra, el mismo constituyó el principal material de la construcción en las antiguas Mesopotamia y Palestina, donde apenas se disponía de madera y piedras. Los habitantes de Jericó en Palestina fabricaban ladrillos desde hace unos 9000 años. Los constructores sumerios y babilonios levantaron palacios y ciudades amuralladas, con ladrillos secados al sol, que recubrían con otros ladrillos cocidos en hornos, más resistentes y a menudo con esmaltes brillantes formando frisos decorativos. Los persas construían con ladrillos, al igual que los chinos, que levantaron la gran muralla. Los romanos también utilizaron los ladrillos en la construcción de. baños, anfiteatros y. acueductos, a menudo recubiertos de mármol. (20) En la edad media, en el imperio bizantino, al norte de Italia, en Alemania y en los países bajos, así como en cualquier otro lugar donde escaseara la piedra, los constructores le daban al ladrillo finalidades decorativas y funcionales, realizaban construcciones con ladrillos templados, rojos y sin brillo, creando una amplia variedad de formas, como cuadros, figuras de punto de espina, de tejido de esterilla o lazos flamencos. Esta tradición continuó en el renacimiento y en la arquitectura georgiana británica, y fue llevada a América del norte pro los colonos. El ladrillo ya era conocido por los indígenas americanos de las 7.

(14) CAPITULO 1 - Estado del Arte civilizaciones prehispánicas. En regiones secas construían casas de ladrillos de adobe secado al sol. Las grandes pirámides de los olmecas, mayas y otros pueblos fueron construidas con ladrillos revestidos de piedra. (20) En el siglo XV España lideraba la producción de cerámica en Europa luego se le unieron países como Francia, Bélgica, Alemania, Gran Bretaña e Italia haciendo estos últimos importantes innovaciones como. las técnicas de. decoración de la loza vidriada y exportaron sus técnicas y productos a distintos países europeos. (20) En el siglo XIX aparece la cerámica industrial y la producida con. posterioridad a 1860 era de una gran calidad. El Art Nouveau,. la Exposición Universal de París de 1900 y la Bauhaus, durante la década de 1920 ejercieron una gran influencia en el diseño de la cerámica industrial de nuestros días. (20) 1.1.2 Surgimiento de la cerámica en Cuba Se dice que en 1550 en la Habana ya existían casas de piedra y tejas pertenecientes a ricos hacendados y personas de la alta burguesía ,19 años después se le hace una solicitud al Cabildo para la construcción de un tejar en la zona de Guanabacoa, ya en 1617en Puerto Príncipe (Camagüey) se fabricaban ladrillos y tinajones en un tejar del alcalde de la villa. (26) En el siglo XIX, la producción de elementos a base de arcilla cocida, estuvo muy ligada a la industria azucarera; los tejares, al igual que las caleras, eran centros de producción que casi todos los centrales tenían, debido a que el azúcar se depositaba en tinajas de barro. Pero al igual que la cal en el proceso de creación de los grandes ingenios azucareros, la cerámica se separa de la industria que la había prohijado. (26) A finales del siglo XX los tipos de hornos utilizados para la producción de productos a base de cerámica roja fueron los llamados hornos criollos o intermitentes que aún existen en las fábricas artesanales para quemar ladrillos y tejas. En el siglo XX se lleva a cabo en el país de de hornos de llama invertida y y uno de los mas desarrollados para la época como lo era el Hoffman. (42) En la segunda mitad de este siglo, la producciones de elementos se encontraba generalizada por casi todo el país , las técnicas y formas de producción eran 8.

(15) CAPITULO 1 - Estado del Arte algo inhumanas ya que casi ningún centro contaba con extrusoras por lo que a la hora de moldear los productos había que hacerlo de forma manual lo que exigía mayor esfuerzo y dedicación de los operarios, los hornos donde se desarrollaban estas producciones eran los hornos criollos, de llama invertida los cuales necesitaban para su funcionamiento de altos volúmenes de leña . Con el triunfo de la Revolución, y con el creciente desarrollo económico del país la industria de materiales de la construcción siguió desarrollándose y ya en el año 1962 contaba con un total de 103 hornos. (26) En el año 1967 se puso en funcionamiento un combinado de cerámica roja con un horno túnel en Isla de Pinos, con tecnología húngara, y preparado para producir ladrillos, losas, tubos y conexiones de barro. (26) En la ciudad de Bayamo en el año 1971 se puso en funcionamiento una planta moderna donde se producían elementos de pared de cerámica roja, logrando una capacidad anual de hasta dos millones de bloques aligerados. (26) Ya en la década del 80 se realizó una modernización de esta industria con la construcción de cuatro fábricas automatizadas de gran capacidad con tecnología de fabricación española y hornos túneles de gran capacidad de 5 m de ancho y 103 m de largo, de estas dos se destinaron a la producción de tubos sanitarios mientras que las otras dos se dedicaban a la producción de elementos de pared en las provincias de Pinar del Río y Camagüey y aun hoy siguen funcionando. (42) En la década del 90 se lleva a cabo la construcción de la fábrica de cerámica roja más moderna que existe en Cuba en la actualidad: la fábrica de Managua en Ciudad e La Habana provista de tecnología italiana. (42) En 1994 se construyó el. combinado cerámico de Ciego de Ávila cuya. producción es de 4 millones de ladrillos al año, además de producir tejas y losas de barro. Esta fábrica cuenta con un horno Hoffman y otro de llama invertida, este último para la fabricación de la teja criolla (42). En este mismo año se puso en funcionamiento otro combinado cerámico en Cienfuegos con un horno Hoffman y otro de llama invertida con secadero natural. (42) 9.

(16) CAPITULO 1 - Estado del Arte En 1994 en San Cristóbal perteneciente a la provincia de Pinar del Río se puso en marcha una fábrica semi-automatizada con horno túnel de 3m de ancho para la fabricación de losas de azotea, que aunque ha tenido problemas tecnológicos debido principalmente a la errónea selección de la materia prima sigue en funcionamiento actualmente, produciendo bloques aligerados y losas de azotea. (42) La industria de materiales de la construcción a partir de la década del 90 no ha tenido un creciente desarrollo ya que no se han realizado inversiones de gran envergadura debido en gran medida a la crisis financiera de la cual hemos sido victima hace tantos años .Las tareas principales llevadas a cabo por esta industria en estos últimos años ha sido la construcción de un mayor numero de hornos y secaderos en los combinados ya existentes. (42) Los combustibles más utilizados en la industria de la cerámica roja en Cuba; en general ha sido el fuel oil, el cual se ha tratado de sustituir por el petróleo crudo cubano Varadero, esta sustitución estuvo vigente en las fábricas principales del país durante 6 años , pero debido al alto contenido de azufre, alrededor de un 6%, el cual trae consigo un alto grado de corrosión en las zonas más frías del horno, principalmente en la chimenea donde los gases salen a una temperatura por debajo del punto de rocío de los óxidos de azufre , además de la contaminación debido a los altos contenidos de sulfhídricos y azufre en los gases que se expulsan a la atmósfera se dejó de usar como combustible en los hornos, por lo tanto actualmente se está utilizando el fuel oíl en todos los combinados de cerámica roja de la industria. (42). 1.2 Materias primas. Las materias primas fundamentales de los ladrillos de cerámica roja son los materiales arcillosos, las arcillas adecuadas para la fabricación de ladrillos se encuentran prácticamente en todas partes y su costo es solo el de su extracción y su transporte a la fábrica , de hecho en ocasiones se le atribuye a la arcilla un “valor” artificial por considerarse poco ortodoxo producir un artículo comercial a partir de “nada” como sucede cuando se considera la extracción y el transporte de la arcilla como parte del proceso de fabricación . 10.

(17) CAPITULO 1 - Estado del Arte Algunas de las características mas importantes de un yacimiento de arcilla son su magnitud y uniformidad .Aunque algunos trabajadores experimentados pueden deducir el espesor de las capas de arcilla observando la configuración superficial del suelo, el conocimiento científico solo se obtendrá con sondeos y el estudio de las muestras de perforación. La evaluación de las reservas de arcillas es una de las tareas básicas del futuro fabricante de ladrillos. Demasiadas empresas han quebrado debido a la escasez imprevista de arcillas apropiadas ya que cuando un yacimiento de arcilla se agota antes de lo previsto se encuentra otro adecuado pero en ocasiones alejado de la fábrica. y un simple aumento de los costos de. transporte de la arcilla puede afectar decisivamente la rentabilidad de la empresa. Aunque en ocasiones se utiliza una sola arcilla, suele ser más corriente mezclar varios tipos para obtener propiedades óptimas. Otra ventaja que se obtiene al mezclar diversas arcillas es que se minimizan, e incluso se anulan, las consecuencias de la variación de sus propiedades físicas. Los yacimientos suelen contener diversas variedades de arcilla, que pueden combinarse para obtener las propiedades deseadas, a menudo se utilizan con este fin arcillas procedentes de diversos yacimientos. Para la preparación de una pasta cerámica existen tres ingredientes principales: los elementos plásticos, los magros o desengrasantes y los fundentes. El uso de estos ingredientes en las proporciones adecuadas así como la calidad de los mismos va a influir en el producto final. Elementos plásticos: Son las arcillas y caolines que forman la base de las pastas cerámicas debido a su plasticidad. (1.2, 7,12) Elementos magros o desengrasantes: Son la sílice, la arena, trozos molidos de terracota (chamota) y las arcillas silíceas. Son para reducir su excesiva plasticidad, para aumentar la porosidad así como facilitar el secado del objeto e incrementar la resistencia de las piezas. (1.2, 7,12, 17,21). 11.

(18) CAPITULO 1 - Estado del Arte Elementos fundentes: Son los feldespatos, las micas, la cal, los fosfatos, las fritas molidas, los vidrios pulverizados y las arcillas fundentes, ferrosas y calcáreas. Dentro de las pastas cerámicas, son componentes de bajo punto de fusión, que se combinan con los compuestos alumino-silíceos y que reducen la temperatura de fusión de la masa arcillosa; son sustancias que funden y hacen que fundan otros componentes. En otras palabras, son los encargados de bajar la temperatura de vitrificación y hacen que la pasta cerámica densifique más rápidamente. (1, 7, 9, 12,27) 1.2.1 Definición de arcilla. La arcilla es una mezcla de minerales, casi siempre en forma de laminillas, entre los que se encuentran silicatos de aluminio e hidratados de micas. Las arcillas constituyen los sedimentos geológicos más difundidos y su composición química es aproximadamente: Al2O3 SiO2 y H2O. Es una roca sedimentaria clásica poco consolidada, constituida por una mayoría de partículas de tamaño inferior a 1/256 mm (4 micras). Desde el punto de vista mineralógico, todas las arcillas están constituidas en su mayor parte por los denominados minerales de la arcilla: filosilicatos de aluminio, magnesio y hierro, entre los que merecen mencionarse la caolinita, montmorillonita, illita, vermiculita, halloysita, entre otros. Dichos minerales se originan por meteorización y en procesos pedogenéticos. de. feldespatos. y. feldespatoides.. Otros. componentes. mineralógicos de la arcilla son la sílice, generalmente en forma coloidal, carbonato de calcio, compuestos de hierro, y materia orgánica.. 1.3 Propiedades de los ladrillos: Dimensiones: Varían con las regiones y procedimientos de fabricación. Se toleran diferencias en medidas y formas de 8 a 2mm, según calidades. Densidades: La densidad real del material cerámico es igual a 2.6 y la densidad aparente varía desde 1.2 para los ladrillos huecos, 1.7 para los macizos y 1.9 para los vitrificados.. 12.

(19) CAPITULO 1 - Estado del Arte El peso medio de la unidad es de 0.9 Kg. la rasilla, 1Kg el ladrillo hueco o sencillo, 1.5 Kg. el hueco doble, 2.5 Kg. el macizo cerámico y 3 Kg. el ladrillo de tejar. Absorción de agua: Varía desde un 20 % para los ladrillos de tejar hasta un10-15 % el cerámico, a las 24 horas de inmersión en el agua. Conductividad térmica: Para el material cerámico macizo el coeficiente de conductividad Kcal/m/m2/h/. térmica es. =0.68 y para el material hueco. =0.32. C.. 1.3.1 Características que más importan a los usuarios del ladrillo. Las propiedades que más les importan a los usuarios de ladrillos son: a. Durabilidad b. Color c. Textura, d. Variación del tamaño e. Resistencia a la compresión f. Absorción. Durabilidad. La durabilidad del ladrillo resulta de la fusión incipiente y de la vitrificación parcial durante la cocción. Puesto que la resistencia a compresión y la absorción también se relacionan con las temperaturas de quema, estas características, junto con los coeficientes de saturación, se toman como indicadores de la durabilidad. No obstante, debido a las diferencias en las materias primas, un solo valor de la resistencia o la absorción no indica confiablemente el grado de cocción. Color. El color de la arcilla calcinada depende de su composición química, de las temperaturas de quema y del método de control de la calcinación. De todos los óxidos encontrados comúnmente en las arcillas, el de hierro tiene probablemente el efecto más grande en su color. Sin importar su color natural, la arcilla que contenga el hierro en cualquier forma, se quemará rojo cuando 13.

(20) CAPITULO 1 - Estado del Arte está expuesta a un fuego que oxida, debido a la formación del óxido ferroso. Cuando está cocida en una atmósfera reductora, la misma arcilla tomará un tono púrpura. Para las mismas materias primas y métodos de fabricación, los colores más oscuros se asocian a temperaturas de quema más altas, a absorciones más bajas y a resistencias a compresión mayores. Sin embargo, para los productos hechos de diversas arcillas crudas, no hay ninguna relación directa entre la resistencia y el color ni entre la absorción y el color. Texturas, capas y esmaltes. Muchos ladrillos tienen texturas lisas o con un acabado de arena, producidas por los moldes usados en la formación. La textura lisa resulta de la presión ejercida por el dado de acero mediante el paso de la arcilla a través del dado. En el proceso de extrusión, muchas texturas se pueden aplicar por los accesorios que cortan, rasguñan, ruedan, cepillan o ponen áspera la superficie de otra manera mientras que la columna de la arcilla sale del dado. El ladrillo puede ser abigarrado antes o después de la cocción para alcanzar un aspecto de ladrillo envejecido. Variación del tamaño. Puesto que las arcillas se contraen durante el secado y la calcinación, los ajustes se deben hacer en el molde y en el espaciamiento de cortar para conseguir el tamaño deseado del producto acabado. Tanto la contracción producto del desecado como la que resulta debido a la quema varían para diversas arcillas, generalmente cayendo dentro del rango siguiente: Contracción debido al secado: del 2 al 6% Contracción debido a la quema: del 2.5 al 6 % La contracción debido a la quema aumenta con temperaturas mayores que, a su vez, producen ladrillos de tonos más oscuros. Para obtener productos de tamaño uniforme, los fabricantes procuran controlar los factores que contribuyen a la contracción. Sin embargo, debido a variaciones en las materias primas y la temperatura dentro de los hornos, la uniformidad absoluta es imposible. Por lo tanto, las especificaciones para ladrillos incluyen variaciones admisibles del tamaño para permitir la fabricación económica. 14.

(21) CAPITULO 1 - Estado del Arte Resistencia a la compresión y absorción. Tanto la resistencia a compresión como la absorción, son afectadas por las propiedades de la arcilla, el método de fabricación y el grado de quema. Aunque hay excepciones a la regla, el proceso de extrusión generalmente produce unidades que tienen resistencias más altas a la compresión y absorciones más bajas que las unidades producidas por el proceso de moldeado. Para una arcilla y un método dados de fabricación, las resistencias a compresión más altas y absorciones más bajas están asociadas a temperaturas de quema más altas. Aunque la absorción y la resistencia a compresión se pueden controlar hasta cierto grado por métodos de fabricación y de cocción, estas características dependen en gran parte de las propiedades de las materias primas. Por lo tanto, varían extensamente para diversos productos. 1.3.2 Calidad del ladrillo Un buen ladrillo debe tener una estructura compacta. Su calidad debe reflejarse en su color, el cual es un indicador del tipo de quema (rojo–marrón) indica una buena quema). Debe ser de forma razonablemente uniforme; debe estar libre de grietas y esquinas o bordes despostillados, marcas de hornero, incrustaciones de piedras grandes y terrones mal triturados. Una inspección de calidad frecuente para evaluar la dureza y detectar la ausencia de grietas se realiza golpeando un ladrillo con otro. La emisión de un sonido metálico indica la ausencia de grietas en un ladrillo quemado adecuadamente, mientras que un ladrillo mal cocido emite un sonido opaco. Otra evidencia relativa a la resistencia puede obtenerse raspando la superficie de un ladrillo con una navaja; un ladrillo de buena calidad puede rasparse con dificultad.. 1.3.2.1 Factores que intervienen en la calidad de los ladrillos Partiendo de los resultados obtenidos en los ensayos se ha determinado que se debe tomar todas las variables que intervienen en el proceso de elaboración de los ladrillos como son:. 15.

(22) CAPITULO 1 - Estado del Arte . El tipo de tierra.. . La eliminación de elementos extraños como: piedras, hierbas, metales u otros elementos de características desfavorables.. . Los porcentajes de mezcla adecuados dependiendo del tipo de tierra.. . El nivel de exigencia tomado en cuenta al preparar la mezcla.. . El orden establecido para el dosificado de los componentes.. . La forma como se elabora la mezcla.. . La consistencia de la mezcla.. . La superficie del patio debe ser plana.. . La compactación de la mezcla en el molde de madera.. . La calidad superficial del molde.. . La velocidad de extracción del molde y eliminación de aristas irregulares.. . La protección de los ladrillos elaborados, contra agentes climáticos desfavorables.. . La prevención contra inundaciones.. . La altura de los cimientos para el apilado.. . La forma de apilar y el espaciamiento entre ladrillos.. . La distancia de ubicación del horno.. . La velocidad de transportación del ladrillo en verde.. . El correcto secado final.. . El tipo y nivel de secado de la leña.. . El dosificado y disposición de la leña al interior del horno.. . La temperatura generada en el interior del horno. . La atención que el quemador ponga en el proceso de quemado.. . La dirección del viento.. . El sellado del horno.. 16.

(23) CAPITULO 1 - Estado del Arte 1.4 Proceso de elaboración de los ladrillos de cerámica roja. El proceso de fabricación de cerámica estructural puede ser diferente en cada empresa. No obstante, el caso más general, es el que a continuación se detallará, indicando cada uno de los procesos involucrados. (18). El objetivo fundamental de una pasta cerámica es conseguir que la densidad aparente, en todas las etapas de fabricación, sea máxima. Una vez elegidas las materias primas que componen la pasta, ésta se somete a una etapa de triturado y, finalmente a la conformación. En cualquiera de estas fases es fundamental una rigidez para evitar roturas. En la fase de cocción, obviamente, el objetivo fundamental es lograr una, máxima densidad aparente que proporcione a la pieza cerámica las prestaciones físicas, químicas y térmicas que de ella se espera. Así pues, y a grandes rasgos, el proceso cerámico es sinónimo de densificación y esta debe lograrse en las dos fases en que puede dividirse la fabricación cerámica: EL CONFORMDO y LA COCCION. (11). Selección de la materia prima. Para diseñar correctamente la pasta se debe tener información sobre las materias primas disponibles, las propiedades del producto a fabricar y las características del proceso de fabricación. En efecto, la información acerca de las materias primas disponibles puede pasar por ver su costo. En una primera aproximación hay que suponer que las propiedades de las materias primas son aditivas, lo cual no es siempre cierto. (11) 1.4.1 Los subprocesos de la elaboración de los ladrillos de cerámica roja. El proceso cerámico consiste en una serie de subprocesos: • Molienda: En este proceso se realiza la trituración de la arcilla sin tratar, que proviene directamente de la cantera, y se obtiene la materia prima con la granulometría y textura necesarias para su posterior conformado. Puede llevarse a cabo de dos formas distintas, por vía seca o por vía semi-húmeda. 17.

(24) CAPITULO 1 - Estado del Arte Las arcillas secas y duras se preparan mejor en instalaciones por vía seca. Este tipo de sistema asegura la obtención de un porcentaje importante de partículas finas que se humectan con más facilidad y rapidez, obteniéndose una masa muy homogénea y de mayor plasticidad. Como consecuencia obtenemos un mejor acabado y una mayor resistencia mecánica, tanto del material seco como del producto cocido. Por otro lado, también puede llevarse a cabo este proceso por vía semi húmeda, donde el proceso de humectación de la arcilla puede comenzar desde el mismo lecho de homogeneización. En estas condiciones el agua queda fuertemente ligada al cristal arcilloso, dando como resultado un aumento de la plasticidad y cohesión de la masa arcillosa, así como un aumento de su resistencia a las tensiones del secado. • Mezcla: En algunos casos, la arcilla molida puede ser mezclada con distintos aditivos según los requerimientos de calidad del producto final. Usualmente, los más utilizados son: Arena, Carbonato de bario, Chamota, Orujo, Carbonato cálcico micronizado, Poliestireno y, Coque de petróleo. • Conformado: comprende dos etapas, el Amasado y el Moldeo. Amasado: La arcilla debe estar lo bastante húmeda (en general entre valores de 12 a 15% de humedad) para que se pueda mantener unida cuando se trabaja. En el amasado se regula el contenido de agua de la mezcla de la arcilla mediante la adición de agua o vapor (el vapor puede provenir de una caldera auxiliar). • Moldeo: En el caso del moldeo, el proceso puede diferir en función del material a fabricar. En el caso de ladrillos, bovedillas y bloques se realiza por extrusión, mientras que en el caso de la tejas, además se emplea el prensado. • Secado: Movimientos del agua: Durante la primera fase del secado, el aire arrastra las moléculas de agua libre situadas en la superficie de la pieza. Este arrastre da lugar a un movimiento ascendente o flujo de agua libre hacia la superficie para llenar el espacio vacío dejado por las moléculas de agua que han pasado a la atmósfera. La primera 18.

(25) CAPITULO 1 - Estado del Arte humedad que pierde la arcilla es la última adicionada, es decir el agua libre que ocupa los capilares, tal como se representa en las figuras 5 y 6.. Figura.1. Figura.2. La cantidad de agua evaporada por unidad de tiempo es constante en esta primera fase, tal como puede verse en la figura 7. El rendimiento de evaporación se mantendrá constante, mientras el agua fluya hasta la superficie con la misma velocidad con que se evapora, lo cual solo sucederá mientras exista agua libre en el interior de los capilares. La velocidad de evaporación del agua en la superficie de la arcilla es mucho menor que sobre la superficie libre del agua, debido a que existe una atracción entre el agua y las partículas arcillosas que reduce sensiblemente la velocidad de evaporación.. 19.

(26) CAPITULO 1 - Estado del Arte -. Figura.3 En el momento que se ha eliminado el agua libre o intersticial, se considera que ha terminado (en ese punto o antes) la contracción de la pieza y ese punto se llama “punto crítico” en la humedad residual de la arcilla. A partir de este punto desciende el rendimiento del secado - la cantidad de agua evaporada por unidad de tiempo - y se entra en la segunda fase del secado, el mecanismo de secado en esta etapa es distinto de la etapa anterior. A partir del punto crítico deja de fluir agua hacia la superficie, porque en la pieza ya no existe agua libre. Comienza la evaporación del agua ligada eléctricamente a la superficie de las partículas arcillosas, siendo tanto más difícil dicha evaporación, cuanto más cerca se encuentren las moléculas de agua de la superficie del cristal arcilloso. A medida que avanza el secado, el rendimiento se reduce cada vez más rápidamente. Durante esta segunda fase de secado, el agua no se evapora en la superficie de la pieza, sino en el interior de los capilares, en el mismo punto en que se encuentra ligada a la partícula arcillosa. Por lo tanto, el arrastre y depósito de sales solubles generadoras de eflorescencias desde el interior de la pieza hasta la superficie, no ocurre en esta etapa y sí en la primera, en la que el agua circula al estado líquido dentro de los capilares transportando las sales solubles a la superficie de la pieza. Como la solubilidad de las sales en general aumenta con la temperatura, conviene mantener baja la temperatura 20.

(27) CAPITULO 1 - Estado del Arte del secadero durante la primera fase del secado, para reducir al mínimo la cantidad de sales disueltas en el agua, depositadas en la superficie de la pieza. En los secaderos rápidos en los que el secado se inicia inmediatamente que la pieza se introduce en el secadero y se encuentra con aire caliente, es mucho más difícil o imposible evitar la eflorescencia por efecto de las sales solubles. La cantidad de agua libre puede variar en una misma arcilla, según su historia previa hasta llegar al secadero. En cambio, el agua ligada, es una constante de cada arcilla que depende de su naturaleza y granulometría, es decir, es función directa de la cantidad de cargas eléctricas superficiales. En la figura 8 se ha representado lo que sucede cuando una misma arcilla es amasada con distintos porcentajes de humedad. A medida que se aumenta el porcentaje de agua libre, se reduce la consistencia de la pasta y se incremente la separación entre partícula y partícula, lo cual dará como consecuencia una mayor contracción de secado. Con la contracción, se aumenta el peligro de roturas en secadero ; de ahí que resulte más largo y problemático el secado de un ladrillo manual, moldeado con un alto porcentaje de humedad, que el secado del mismo ladrillo, moldeado en galletera con un porcentaje de agua sensiblemente más bajo. Las mejores condiciones de secado se logran al moldear en prensas con porcentajes de humedad por debajo del “punto crítico”. Tampoco influye sobre la cantidad de agua ligada a la superficie de las partículas arcillosas, la mayor o menor rapidez con la que se efectúa el secado (39).. 21.

(28) CAPITULO 1 - Estado del Arte Figura.4 • Cocción: La cocción es la fase más importante y delicada del proceso de fabricación de productos cerámicos. En este proceso se confiere a la pieza las propiedades deseadas, al mismo tiempo que se muestra si las fases precedentes (amasado, moldeo y secado) se han llevado a cabo correctamente o no. Las piezas se cuecen en hornos, a una temperatura que va desde 875º C hasta algo más de 1000ºC. Los enlaces atómicos ceden y se inicia la formación de fase amorfa, parte de la cual funde y se va introduciendo en los intersticios reduciendo el volumen de poros. (18). 1.5 Proceso de Sinterización: El proceso por el cual se consigue que pequeñas partículas de un material se mantengan unidas por difusión al estado sólido se llama sinterización. En la fabricación de cerámicas este tratamiento térmico se basa en la transformación de un producto poroso en otro compacto y coherente. El proceso consiste en la formación de contactos entre partículas adyacentes. La formación de contacto entre partículas es proporcional a  c  t m donde t es el tiempo m y c es una constante característica de una partícula. En la Figura 5 se muestra la evolución de los contactos entre partículas a lo largo del proceso de sinterización. (30, 31,32). Figura 5: Evolución de la micro estructura durante el proceso de sinterización. 22.

(29) CAPITULO 1 - Estado del Arte 1.5.1 Etapas del proceso de sinterización: El proceso de sinterización en los materiales cerámicos pasa por 4 etapas principalmente como son: (24). 1 - El polvo suelto. 2 - La fase inicial. 3 - Fase intermedia. 4- Fase. Figura. 6. Etapas del proceso de sinterización: El proceso de sinterización depende de: La superficie específica de los granos en contacto: A mayor superficie especifica, la reacción tendrá lugar mas rápido. Triturando las partículas a los tamaños más pequeños permite lograr esto. El contacto entre las partículas: A mayor contacto entre las partículas, la reacción que tendrá lugar será mas completa. La consolidación con la presión de moldeo permite lograr esto. Tiempo de la residencia: Según la literatura, puede variar de 20 min. a 4 horas, dependiendo de los aspectos antedichos. La temperatura: Normalmente entre 900-1100ºC Proceso de ceramización: La primera operación que debe hacerse es la preparación de la arcilla ya sea triturada o colocada en agua (podrido de la arcilla), posteriormente pasaríamos a la fase de amasado donde se pone de manifiesto una de las principales características de las arcillas que es la plasticidad culminado el amasado extrusión o manualmente luego pasamos a una etapa de secado con el fin de extraerle el agua de amasado para pasar a la etapa principal de la ceramización: la cocción. que consiste en someter el producto a una. temperatura creciente hasta la viscosidad de la fase liquida pasaríamos al 23.

(30) CAPITULO 1 - Estado del Arte moldeo de las piezas que el mismo puede hacerse de dos formas principalmente por cohesiva y rigidiza el conjunto. (31,32) Desde el punto de vista cerámico, el material cocido puede definirse por un cuerpo complejo compuesto de: Fases cristalinas, que ya existían en las materias primas y permanecen inalterables a lo largo del proceso. Fase amorfa, desarrollada durante la cocción según la especie cerámica esta fase pude oscilar de un 50% al 90%. Fases cristalizadas, a partir del líquido. Depende de la naturaleza de la fase amorfa y de la velocidad de enfriamiento. Proceso de densificación La densificación según Xavier Elías es la esencia del proceso cerámico. En la cerámica convencional, entendiéndose esta como aquella cuya ceramización tiene lugar con la fase liquida como promotor, las partículas, próximas una con otras, gracias a la etapa de conformación, empieza a tender unos puentes (reacción en estado sólido), ayudadas por las fuerzas del tipo de Vander Waals.. Figura. 7. Proceso de densificación. 24.

(31) CAPITULO 1 - Estado del Arte Mas tarde comienza la formación de la fase liquida aunque muy viscosa, a esta temperatura y aumenta la superficie de contacto entre las partículas (figura 7 a.). En la medida que el líquido se va introduciendo en los intersitios aumenta la contracción puesto que se van rellenando los poros y se entra de lleno en la fase de densificación (Figura 7 b.). La diferencia en el desarrollo de esta etapa de densificación es la que catalogan las cerámicas, o los procesos de densificación en:  Sinterizaciones  Ceramizaciones  Fusiones o vitrificaciones. 1.6 Combustibles usados en la cocción de ladrillos. El uso de un combustible u otro en la industria de fabricación de productos cerámicos dependerá de diferentes factores: • Disponibilidad: combustibles como la biomasa, muy demandados en el sector debido a sus características, tiene una disponibilidad intermitente que dificulta muchas veces su consumo ya que, la industria necesita de un suministro regular. • Distribución e infraestructura: en algunas zonas no existe la infraestructura necesaria para el transporte y distribución de alguno de los combustibles como por ejemplo el gas natural, que se subministra canalizado. • Precio: es un factor determinante a la hora de consumir un combustible u otro, y no sólo su precio puntual sino las variaciones que se prevén que éste pueda sufrir en un futuro. • Eficiencia ambiental: en los países donde existe una legislación restrictiva, este es uno de los factores más importantes a tener en cuenta ya que la utilización de un combustible puede llevar a la instalación a cumplir o no con la. 25.

(32) CAPITULO 1 - Estado del Arte legalidad con el consecuente riesgo de sanción y perjuicio para el Medio Ambiente. • Eficiencia energética: la eficiencia energética que tiene uno u otro combustible también puede ser una de las causas de su mayor o menor utilización en los hornos de cocción del sector. No obstante, la poca información existente y la falta de estudios suficientemente contrastados hace que este sea un factor secundario a la hora de elegir un combustible u otro. Los principales combustibles utilizados actualmente en la producción de ladrillos son: • Gas natural • Coque de petróleo convencional y micronizado • Fuel • Carbón • Biomasa. 1.7 Tipos de hornos: .Horno Hoffmann El tipo de horno más conveniente es el horno continuo de fuegos móviles u horno Hoffmann, a partir del cual se han desarrollado ya numerosos diseños nuevos. Los hornos Hoffmann actuales son de puertas o aberturas laterales amplias para permitir la entrada en el horno de carretillas elevadoras y toda la sección transversal del túnel constituye la puerta de carga. Un horno Hoffmann bien utilizado consume como mínimo 1340 Kcal/Kg de ladrillos a una temperatura de cocción de 1000 grados pero su nivel de consumo se sitúa, por lo general, entre los 2500 y los 3400 KJ/Kg de ladrillos cocidos. El horno Hoffmann funciona con cualquier tipo de combustible.. 26.

(33) CAPITULO 1 - Estado del Arte Hornos de Kasseler. El horno Kasseler, es un tipo de horno antiguo, para la cochura de tejas y alfarería, es el llamado horno Kasseler. El espacio interior es alargado y se extiende del hogar a la chimenea. La llama es horizontal y pasa por encima o a través de un puente en el fogón.. Figura 8. Horno Kasseler. Hornos de tipo cámara y hornos redondos. Estos hornos pueden tener distintas formas (redondos o cuadrados) y usar los principios de llama ascendente o de llama reversible. Los que usan el principio de llama ascendente no se obtiene un caldeo homogéneo, por lo que es más práctico usar hornos de llama reversible que distribuyen de forma más uniforme el calor obteniendo un caldeo uniforme.. Figura.9. Figura.10. 27.

(34) CAPITULO 1 - Estado del Arte Horno redondo de llama ascendente. Horno cuadrado de llama reversible. Los hornos de llama reversible se usan, especialmente, para la cochura de gres. Hornos de túnel. Estos hornos consisten en un largo canal por el que se empuja un tren de carros sobre ríeles. La armazón inferior de los carros está protegida por un grueso revestimiento de material aislante y refractario. Una plancha en el canto inferior del carro resbala encima de arena para crear mayor hermeticidad. Para proteger enteramente las ruedas contra el calor, se puede dar acceso a aire frío debajo de los carros, a lo largo de los ríeles y las ruedas Igualmente los carros están ajustados unos a otros, sin espacios libres intermedios, y se empujan en el túnel mediante un dispositivo especial. Los hornos de túnel se emplean principalmente para fayenza, para la primera cochura de porcelana, o también puede disponerse para la cochura final de la misma. También se emplean estos hornos, en grandes dimensiones, en las fábricas de arcilla chamota y clincas. El caldeo es mejor con gas, petróleo o electricidad.. Figura.11 Horno Túnel Hornos de mufla para cerámica. Una mufla, en realidad es una cámara cerrada construida con materias refractario. Su construcción es relativamente sencilla empleándose todo tipo de combustibles. Estos hornos pueden usarse para la cocción de arcilla, mayólica, 28.

(35) CAPITULO 1 - Estado del Arte para el cocido de pinturas encima del barniz en la porcelana, para artículos de fayenza y de gres.. Figura.12 Hornos de mufla Hornos eléctricos para cerámica Hornos eléctricos. Los hornos alimentados con energía eléctrica son de un uso muy extendido por su comodidad y fácil manejo. En la actualidad con los sistemas de programación que se incorporan son muy útiles y fiables. Hay que tener en cuenta que un Kilovatio hora desarrolla, aproximadamente, 850 Cal/kg. Aunque parezca que el uso de esta energía eléctrica resulta demasiado cara, si contamos todas las ventajas que puede proporcionarnos, todos estos inconvenientes se ven reducidos e incluso resultar ventajosos.. Figura.13. Horno eléctrico. Hornos de gas para cerámica La técnica, cada vez más avanzada, ha permitido conceder a los hornos de gas un papel destacado en el uso y posibilidades que nos brinda su uso, mostrándose muy eficaces por su facilidad en el manejo y, por que los tiempos de cocción se ven reducidos, así como también se reducen sus gastos. (14.16) 29.

(36) CAPITULO 1 - Estado del Arte -. Figura.14 Horno de gas. 1.8 Influencia de los Fundentes utilizados en la producción de cerámica. Los fundentes son productos que se le adicionan a los materiales cerámicos con el fin de disminuir su temperatura de fusión y existen una gran variedad de ellos utilizados en la producción de cerámica tanto industrial como artesanalmente. (1, 5, 6,12) (15, 17, 25, 30,41) Estos materiales al combinarse con los aluminosilicatos presentes en las arcillas forman fases mineralógicas a más bajas temperaturas. La temperatura a la que comienza la sinterización o densificación del material cerámico depende del tipo de fundente y del tipo de arcilla; generalmente se conoce que la sinterización comienza (cuando se emplean fundentes) a partir de los 850°C y en casos muy específicos, alrededor de los 500°C. (13,19, 35,36). 1.9 Uso de fundentes. Una de las vías para disminuir el consumo de combustible en la fabricación de productos cerámicos en general es el uso de materiales fundentes (sustancias que se le agregan a las arcillas durante el proceso de mezclado) o la utilización de arcillas con altos contenidos de materiales alcalinos como los carbonatos de calcio y de magnesio (29,33, 34, 37, 40, 42). Tanto el uso de fundentes en forma de adiciones en las mezclas arcillosas como el uso de arcillas con contenidos de fundentes en su composición química traen consigo la cocción de los ladrillos a muy bajas temperaturas, con el consiguiente ahorro de energía, si 30.

(37) CAPITULO 1 - Estado del Arte se sabe que en la industria de la cerámica roja este es el principal indicador de costo y por tanto el que garantiza la eficiencia energética y económica. Entre los más utilizados están los carbonatos, el vidrio molido a partir del reciclado de botellas y recipientes de vidrio, el silicato de sodio, el lodo rojo de aluminio (residuo de la producción de aluminio), el bórax y el feldespato. Pueden ser utilizados de dos maneras fundamentalmente: como minerales presentes en la composición mineralógica de las arcillas o como adiciones a esta durante el proceso de elaboración. Carbonato de Calcio (CaCO3) como fundente. Este mineral ejerce una acción fundente muy enérgica en las pastas cerámicas rebajando la temperatura de cocción. Por acción del calor, se descompone en óxido de calcio y desprende gas carbónico, por eso se usa también cuando se desea obtener cerámica porosa. Si aparece en la arcilla como granos grandes, la cal formada durante la cocción tiende a carbonatarse e hidratarse al salir del horno por acción del medio ambiente, produciendo grietas en el interior y erosión en la superficie de los productos como resultado del aumento de volumen. En las pastas crudas actúa como anti plástico, aunque no reduce el encogimiento en el secado tanto como la sílice. (24) El vidrio molido como fundente en la mezcla de arcilla. El vidrio molido procedente de botellas y recipientes de vidrio es actualmente el aditivo fundente más utilizado en la fabricación de ladrillos de cerámica. Se ha comprobado que una adición entre un 5-10% de vidrio pulverizado a la masa de arcilla influye en el mejoramiento de las propiedades de este material, sobre todo en el incremento de la resistencia a la compresión, en la disminución de la absorción de agua y por ende en su durabilidad. Investigaciones recientes han demostrado además, que la temperatura de cocción puede ser reducida hasta en 100°C cuando se adiciona vidrio molido en un rango del 10% en peso en la mezcla; por ende, se reduce el consumo de energía en un 20% y debido a la reducción en el consumo de energía por 31.

(38) CAPITULO 1 - Estado del Arte cada tonelada de vidrio reciclado utilizado en la mezcla se emite 72kg menos de CO2 y se reducen en un 33% las emisiones de fluoruro de hidrógeno a la atmósfera. (13) El lodo rojo de aluminio o residuo de bauxita. El lodo rojo de aluminio o residuo de bauxita es uno de los más importantes residuos obtenido en grandes cantidades en las plantas productoras de aluminio. La incorporación de este residuo a la mezcla de arcilla, que en este caso casi siempre son suelos de mala calidad con deficiente contenido de esta (arcilla), mejora las propiedades de los materiales cerámicos. La presencia en estos lodos de material alcalino en un 4-5% es la que le provee al lodo rojo de aluminio la acción fundente. (22) El Silicato de Sodio. El silicato de sodio es un eficiente y barato aditivo utilizado en la producción de productos a base de arcilla. Se usa específicamente en la extrusión de ladrillos, tejas y otros productos de arcilla cocida. Al adicionar este en la mezcla, disminuye la cantidad de agua necesaria y aumenta la plasticidad de la misma, por lo que en la etapa de cocción disminuye la cantidad de energía necesaria para eliminar la humedad del ladrillo crudo. Además de su efecto fundente, se ha demostrado que no perjudica las propiedades de los ladrillos, todo lo contrario: debido a la disminución de la cantidad de agua en la mezcla se reduce su porosidad y por tanto la capacidad de absorción de agua. (23) El Feldespato. El feldespato es un mineral que se encuentra muy frecuentemente dentro de la composición química de las arcillas, pues se debe recordar que estas no son más que un grupo de minerales que le aportan a estas y a los productos elaborados con ellas sus propiedades finales. El feldespato se encuentra en. 32.

(39) CAPITULO 1 - Estado del Arte proporciones entre un 25-55% en las mismas y actúa como un agente fundente bajando la temperatura de fusión de las arcillas y del cuarzo durante la cocción. Las propiedades fundentes de los materiales feldespáticos dependen de su contenido de sílice libre y óxidos alcalinos, la relación entre el sodio y el potasio en ellos, y la composición del cuerpo en el cual son introducidos. La acción fundente de los materiales feldespáticos aumenta a medida que el punto de fusión disminuye, con el incremento del contenido de óxidos alcalinos. La cantidad y el tipo de material feldespático usado, además, dependen de la naturaleza del cuerpo cerámico producido. Los materiales feldespáticos usados en la producción de cerámicos incluyen feldespato, sienita nefelina, aplita, pegmatitas feldespáticas, “cornish stone”, aurita, y materiales feldespáticos manufacturados tales como escorias de horno de calidades apropiadas. Para el uso en cerámicas, todos estos materiales necesitan ser molidos a menos 200 mallas, y estar libres de calcita que emite dióxidos de carbono durante el quemado. Mientras esto es una ventaja útil en la fundición de vidrio porque la anima, esto es incompatible en la producción de cerámicas porque provoca porosidad. Tanto el feldespato sódico como el potásico son usados en cerámicas, sin embargo, los feldespatos potásicos son preferidos. Los feldespatos grado cerámico contienen, típicamente, 5-14% de K2O. El contenido de hierro debería generalmente ser bajo, si bien materiales con alto contenido de hierro pueden ser usados donde el quemado blanco no es importante. El feldespato potásico incrementa la traslucidez en los cuerpos cerámicos mientras el sódico aumenta la expansión térmica produciendo cuerpos más gruesos. Como fundente, el material feldespático primero disuelve la arcilla, y a medida que la temperatura crece, los otros materiales hasta el pedernal. Tanto el feldespato como la sienita nefelina actúan como fundente en porcelana vítrea y semi-vítrea, lozas para paredes y pisos, sanitarios, porcelana eléctrica y en lustres y esmaltes. También, por supuesto, contribuye con sílice al cuerpo cerámico. La sienita nefelina tiene una acción fundente más importante que el feldespato potásico. Cuando es usado en preferencia al feldespato potásico, es posible hacer 33.

(40) CAPITULO 1 - Estado del Arte ahorros considerables de costos de energía porque son posibles menores temperaturas de quemado. El Bórax En estudios realizados a ladrillos a base de arcilla con la adición de bórax se ha comprobado que los compuestos del bórax decrecen el punto de fusión de las arcillas, lo cual significa que estos ayudan a alcanzar la vitrificación a más bajas temperaturas; además, mejora las propiedades de los ladrillos: incrementa la densidad, disminuye la absorción de agua y la resistencia a la compresión se incrementa considerablemente (30). Dolomitas. El nombre de dolomitas se reserva para las rocas compuestas principalmente por el mineral dolomita, que consiste en doble carbonato de calcio y magnesia (54% CaCO3 y 46% Mg CO3). Pero en las calizas dolomíticas la proporción de MgCO3 es inferior que en la dolomita. Origen: Tanto las dolomitas como las calizas son producidas por uno o más de varios modos de deposición, ya sea mecánica,. química. o. reemplazamiento.. Muchas. dolomitas. no. son. sedimentarias, sino substituciones epigenéticas de caliza. Usos: La dolomita se emplea como fundente en los altos hornos y como fundente y escorificante en la metalúrgica. Se emplea como refractarios básicos para la extracción del magnesio metálico. En la industria se utiliza para la preparación de las sales de magnesio.. 1.10 Conclusiones parciales del capítulo.  El principal problema a enfrentar por la industria de la cerámica en la actualidad es el gran consumo de energía que requiere la producción de cualquier producto cerámico y es que este problema se acentúa aun más con la actual crisis económica mundial donde la escases de combustibles fósiles es un pilar importante.  La utilización de fundentes se presenta como una alternativa muy atractiva para alcanzar la eficiencia energética en esta industria en las 34.

(41) CAPITULO 1 - Estado del Arte condiciones cubanas, pues esta vía no implica la realización de grandes cambios tecnológicos en el proceso productivo.  El uso de carbonatos como adición fundente en pequeñas dosis aparenta ser una alternativa viable para alcanzar la eficiencia energética en la producción de ladrillos de cerámica roja en países en vías de desarrollo por su bajo costo de inversión y la facilidad de adaptación a varios procesos tecnológicos.  El proceso de secado es el primer proceso térmico por el cual pasan los materiales cerámicos, de que se haga correctamente depende en gran medida la calidad del producto terminado.. 35.

(42) CAPITULO 2 - Parte Experimental Capitulo: 2 2.1 Caracterización de la materia prima. Para los ensayos de laboratorio se utiliza una arcilla del combinado de cerámica del municipio de Manicaragua y el carbonato de calcio procede de la Cantera de Palenque en el municipio de Remedios.  Ensayo de Granulometría. Los ensayos de granulometría fueron realizados en la Empresa Geominera del Centro. Las materias primas se tamizaron utilizando mallas que varían en abertura desde 0.05 hasta los 5 mm. A partir de estos resultados, se obtuvieron las curvas de granulometría.. Tabla 2.1 Análisis granulométrico. Muestra. Fracción (mm ). % retenido. % acumulado. 0,8. 0. 0. 0,5. 0. 0. 0,088. 11,9. 11,9. 0,074. 3,8. 15,7. 0,063. 5,4. 21,1. fondo. 78,9. 100. Carbonato de calcio. Muestra. Fracción (mm). % retenido. % acumulado. 5. 0. 0. 2. 0. 0. Arcilla. 36.

(43) CAPITULO 2 - Parte Experimental 1. 0. 0. 0,5. 1.2. 1.2. 0,05. 30.6. 31.8. < 0.05. 68.2. 100. Composición Química de las materias primas.. Se realizó en el Laboratorio Químico de la Empresa Geominera del Centro, donde para determinar los % de SiO2, SO3 y PPI se utilizaron métodos gravimétricos y para el Al2O3, CaO y MgO métodos volumétricos. El resto de los análisis se hicieron por calorimetría.. Carbonato de. Determinación %. Arcilla. SiO2. 49.56. 0.2. Al2O3. 10.41. 0.5. Fe2O3. 10.73. 0.13. TiO2. 0.88. 0.02. CaO. 3.82. 54.78. MgO. 12.32. 0.27. Na2O. 1.39. 0.1. K2O. 0.22. 0.1. P2O5. 0.07. 0.09. MnO. 0.16. 0.01. SO3. <0.10. 0.1. calcio. 37.

(44) CAPITULO 2 - Parte Experimental PPI. 9.04. 43. CaCO3 (%). 0. 97,63. Tabla 2.2 Composición Química de las materias primas. PPI: Pérdida que sufre la muestra a una temperatura de 1000ºC (puede ser:. quarz. montmorillonite. quarz. montmorillonite. agua, carbonato, materia orgánica, etc.. arcilla tamizada por sedimentación. 70. 66. 63. 59. 56. 53. 49. 46. 42. 39. 36. 32. 29. 25. 22. 19. 15. 12. 8. 5. arcilla natural. 2 theta. Figura 2.1: resultados de la comparación de fases en arcilla natural y tamizada La arcilla usada tiene una cierta fracción de partículas gruesas, con tamaño superior a 0.707 mm, que aparentemente no son minerales arcillosos, sino material inerte que actúa como filler, que aporta principalmente a la textura de la arcilla. Para el estudio de mineralogía este material grueso fue sedimentado y extraído, de forma de poder comparar por patrones de difracción de rayos X de la arcilla completa y la fracción más fina. Los resultados se muestran en la figura 2.1 Los estudios mineralógicos indican una clara diferencia entre el material puro y material al que se ha retirado el fino. Cuando se retira la fracción gruesa pierden intensidad los picos de la fase de composición SiO2, específicamente 38.

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Figura 5: Evolución de la micro estructura durante el proceso de sinterización.
Tabla 2.1 Análisis granulométrico.
Figura 2.1: resultados de la comparación de fases en arcilla natural y tamizada  La  arcilla  usada  tiene  una  cierta  fracción  de  partículas  gruesas,  con  tamaño  superior  a  0.707  mm,  que  aparentemente  no  son  minerales  arcillosos,  sino  ma
Figura 2.4: Molde empleado para la elaboración de las muestras.
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