CERAMICAS /// Lección 7.- COCCION COCC ION 1.- Introducción. La razón de ser de la cerámica, así como su importancia económica, se basan en el hecho de que la cocción de las pastas previamente moldeadas provoca una modificación fundamental en sus propiedades, dando lugar a un material duro de consistencia pétrea e inalterabilidad de forma, elevándose su dureza y resistencia mecánica, resistente al agua y a los productos químicos y que posee, además, características excelentes y muy diversificadas. La cocción de los productos cerámicos constituye, en consecuencia, la etapa más importante del proceso de fabricación. En esta fase se pone de manifiesto si las operaciones o etapas de fabricación anteriores se han desarrollado convenientemente y si el producto cocido ha adquirido las propiedades y características deseadas deseadas fijadas por las normas. En la industria cerámica, cerámica, se entiende entiende por cocción el proceso físico - químico químico de calentamiento, calentamiento, de acuerdo acuerdo con un plan preestablecido, de las piezas crudas moldeadas, seguido de un enfriamiento según un plan igualmente bien definido. En él las arcillas se transforman en silicatos de aluminio cristalinos sin hidratar. No se conoce exactamente la influencia de algunos factores que intervienen en la cocción, no bastando con elevar la temperatura, pues cada tipo de producto necesita una determinada en función de su composición química, sus dimensiones y sobre todo del espesor. Si la cocción se hace lentamente, l entamente, se mejora la calidad, pero con ello aumentan los costos. Industrialmente se estudian las curvas de temperatura-tiempo de cada horno para conseguir el equilibrio del sistema. Mediante el aporte de calor se produce un proceso de transformaciones físico-químicas que modifican la estructura química y cristalina de las arcillas de forma irreversible, adquiriendo consistencia pétrea y obteniéndose finalmente los productos cerámicos. Además de las transformaciones permanentes que experimentan las materias primas durante la cocción, las piezas sufren igualmente un cierto número de modificaciones temporales, entre las que cabe destacar la dilatación que experimentan como consecuencia del calentamiento. También es importante tener en cuenta que las piezas cocidas aún calientes actúan, durante un cierto tiempo, como acumuladores de calor. Durante el proceso, se genera una movilidad atómica que conduce a la unión de las partículas y a la disminución de la porosidad. La variación de dimensiones que se produce modifica la porosidad, dependiendo del proceso de fabricación y del grado de cocción. Si las variaciones de volumen no se producen de modo regular durante el proceso de cocción, las piezas presentarán falta de uniformidad y tensiones. Es necesario, pues, controlar la velocidad de cocción ya que una contracción rápida puede llevar l levar a tensiones y provocar la rotura. En la cocción de productos cerámicos preparados con materias primas arcillosas, es importante considerar el intervalo de cocción, es decir, el rango de temperatura entre el inicio de la vitrificación (formación de fase vítrea) y el inicio de la deformación. Este intervalo depende de las características de la pasta y debe ser lo más amplio posible, debiendo estar la temperatura óptima de cocción dentro de dicho intervalo, no demasiado cerca del inicio de la vitrificación para que el material no sea demasiado poroso, y no demasiado cerca del inicio de la deformación para que la pieza no quede deformada. Con un intervalo de cocción demasiado corto, cualquier pequeña diferencia de temperatura del horno hace que el producto pase de poco a demasiado cocido.
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Otro factor importante es el tiempo de cocción a la máxima temperatura, que depende de las dimensiones del producto ya que es necesario un tiempo que permita que las partes centrales del producto alcancen la temperatura requerida. Otras condiciones para una buena cocción son: (1).- Uniformidad de la temperatura en el horno lo más perfecta posible, evitando el contacto directo de la llama con el producto cerámico. (2).- Control de la curva de cocción (Figura 4.5.6.1) incluso durante el calentamiento y enfriamiento, ya que pueden presentarse presentarse tensiones tensiones que produzcan produzcan roturas. (3).- Atmósfera del horno controlada. La cuestión es más complicada para las piezas piezas gruesas, puesto que la superficie superficie se calienta más rápidamente que el interior, y de este gradiente de temperatura resulta una contracción exterior más rápida, que puede tener como resultado la fisuración del producto. Es esencial que la diferencia de temperatura entre el núcleo y la superficie de la pieza, en el momento del paso por los puntos críticos resulte pequeña para que los cambios dimensionales que experimente el material en las citadas zonas sea lo más parecido posible. Entonces, la curva de cocción deberá de establecerse en función de las características de los materiales atendiendo a su forma. La cocción puede considerarse como la fase más delicada de todo el proceso de fabricación cerámica, porque un gran número de defectos del producto cerámico se manifiestan después de la l a misma, aunque su origen esté en una etapa anterior del proceso de fabricación.
Figura 4.5.6.1.- Ciclo de cocción en un horno túnel.
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2.- Transformaciones que tienen lugar durante la cocción. 2.1- Introducción. Durante la operación de cocción intervienen tres factores fundamentales: temperatura, tiempo y atmósfera del horno. Los fenómenos que se desarrollan durante la cocción pueden clasificarse en fenómenos físicos y fenómenos químicos. Los fenómenos físicos se manifiestan en todos los materiales crudos o cocidos y pueden citarse la dilatación térmica, las transformaciones alotrópicas, la densificación, la fusión de ciertos constituyentes, etc. La dilatación térmica es un efecto de la elevación de la temperatura y se manifiesta de modo que el volumen aumenta en ausencia de transformaciones que modifiquen la naturaleza del material. En el caso general, la dilatacion es isotrópica. Las transformaciones alotrópicas son propias de las fases cristalinas y pueden producir grandes perturbaciones en el material. Así, por ejemplo, el cuarzo presenta una transformación α↔β a los 573 °C. Esta transformación va acompañada de una variación de volumen del 0.8 %. Este fenómeno es necesario considerarlo en productos crudos o cocidos que presenten cuarzo libre. A más alta temperatura, a partir de los 920 °C y bajo la acción de mineralizadores, el cuarzo- β da cristobalita - α con un aumento de volumen del 14.3 %. En los productos cocidos, la cristobalita se transforma reversiblemente en la variedad β, entre 240 y 170 °C, con una variación de volumen comprendida entre el 3 y el 7%. De estas transformaciones se deriva la baja resistencia al choque térmico de los productos refractarios a base de sílice. Entre los fenómenos químicos que se pueden producir se pueden citar, esencialmente, los que conciernen a los silicatos y silico - aluminatos, compuestos fundamentales de las materias primas cerámicas, y los que conciernen a los compuestos denominados impurezas, presentes en las mismas. De modo general, los diferentes constituyentes pueden entrar en reacción y dar nuevos componentes según la atmósfera del horno. 2.2.- Transformaciones que se presentan en los silicatos y silico - aluminatos. Muchos de los silicatos y silico - aluminatos que constituyen las materias primas naturales contienen agua bajo diferentes formas, según el tipo de unión química presente en estos silicatos. Se pueden distinguir diferentes tipos de agua lígala: el agua libre (humedad), el agua ligada por adsorción, el agua zeolitica y el agua de constitución. Después de la deshidratación tiene lugar la destrucción del retículo cristalino y la formación de nuevas fases cristalinas y vítreas. 2.3.- Transformaciones que presentan las impurezas. - Descomposición de carbonatos, que tiene lugar entre 800 y 900 °C. En las pastas a base de silicatos de aluminio se nota que su descomposición se acelera y se forma progresivamente wollastonita, gelenita y anortita en las pastas cálcicas y diópsido en las dolomiticas. - Los carbonatos ferrosos se descomponen a óxido férrico sobre los 370 °C y a alta temperatura se forma magnetita (Fe3O4). 3
- Los hidróxidos de aluminio hidratados pasan a óxidos sobre los 300 °C. - La presencia de materia orgánica produce una descomposición gradual, en atmósfera oxidante, entre los 300 y 900 °C. -El sulfato de cal es estable hasta los 1100 °C y el sulfato de magnesio descompone antes de los 1000 °C. Por tanto, el proceso esquematizado en la cocción es el siguiente: - DE 0° A 400°:
SE ELIMINA RESIDUO DE HUMEDAD CON DILATACIÓN DE LA PASTA.
- DE 400° A 600°:
ELIMINACIÓN DEL AGUA COMBINADA. DESCOMPOSICIÓN EN ÓXIDOS. RETRACCIÓN DE LA PASTA Y AUMENTO DE POROSIDAD.
- DE 600° A 900°:
FORMACIÓN DE UN METACAOLÍN INESTABLE.
- DE 900° A 1000°: FORMACIÓN DE SILICATOS POR REACCIÓN DE LOS ÓXIDOS. - MÁS DE 1000°:
TRANSFORMACIÓN MOLECULAR DE LOS SILICATOS CRISTALIZANDO EN AGUJAS.
- SOBRE 1800°:
FUSIÓN DEL MATERIAL VITRIFICANDO.
3.- Hornos cerámicos. 3.1.- Clasificación de los hornos cerámicos. (1).- Por la forma de calentamiento: - Eléctricos. - De combustión:
- Con combustible sólido. - Con combustible liquido. - Con combustible gaseoso.
(2).- Por el tipo de proceso: - Intermitentes. - Continuos. (3).- Por las disposiciones del material con respecto a los productos de combustión: - De llama libre. - Muflado. Se observa que los hornos pueden ser de tipo discontinuo como los primitivos o continuos como los actuales con mayor rendimiento. El combustible puede entrar o no en contacto con las piezas, consiguiéndose menores impurezas en el último caso.
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Las temperaturas de trabajo suelen ser las siguientes: - Productos porosos de ladrilleria y tejería: 900° a 1000°C - Loza y gres cerámico:
1000° a 1300°C
- Porcelana, refractarios y vitrificados:
1300° a 1500°C
Dependen del tipo de arcilla empleada y el tipo de horno, por ello se establece una curva teórica de cocción que se consigue en cada caso determinado. Diferentes tipos de hornos cerámicos : El punto de vista más importante para la elección del horno es su modo de funcionamiento. Vamos a considerar diversos tipos de hornos empleados actualmente. (i).- Hornos de funcionamiento periódico (Intermitentes). Se entiende por hornos intermitentes aquellos que necesitan una interrupción entre los ciclos de cocción. El esquema del proceso es: - Entrada de los productos. - Precalentamiento. - Cocción de los productos. - Enfriamiento de los productos. - Salida de los productos. Los tiempos que ocupan estas operaciones no son idénticos y difieren considerablemente según el producto a cocer y la naturaleza del proceso. La cocción se realiza según una curva de temperatura que debe estar adaptada al producto, es decir, que las variaciones de temperatura con el tiempo puedan ser soportadas por las piezas sin que aparezcan daños. Debido al sistema de funcionamiento de este tipo de hornos, en los que muros y bóveda están sometidos al mismo ciclo de temperatura del material, interesa que éstos sean capaces de absorber y desprender calor, como mínimo con la misma facilidad que éste. Interesa también, para reducir el gasto de calentamiento, reducir el peso de los mismos y que el calor especifico del revestimiento refractario sea bajo, con el fin de conseguir un mayor rendimiento térmico por este concepto. Con el empleo de los materiales aislantes (Baja densidad) en la construcción del horno se consigue: - Disminución de los espesores del revestimiento. - Disminución de la masa del conjunto. - Disminución de la capacidad calorífica. -Mayor resistencia a las variaciones de temperatura. - Facilidad de montaje, sobre todo en materiales fibrosos.
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Para aprovechar las ventajas de estos productos se deben tener en cuenta ciertas precauciones de uso, como son: (1).- Debido a su baja resistencia a la abrasión, al esfuerzo mecánico y a su textura porosa, se debe evitar su utilización en instalaciones donde existan estos riesgos. (2).- Debido a su estructura porosa, estos materiales son más vulnerables a cualquier agresión química, gaseosa o líquida. Si comparamos distintos aislamientos se observa que la forma de aislamiento qué permite una mayor reducción de peso por m 2 (aproximadamente 2/3) y reduce la capacidad calorífica en la misma proporción, así como el espesor del mismo, es la que utiliza fibras cerámicas en la cara caliente. El empleo de este tipo de aislantes también permite, debido a las consideraciones anteriormente expuestas, reducir los ciclos de cocción en dichos hornos. En la figura 4.5.6.2 se representa un horno intermitente para la cocción y recocción de sanitarios. Puede realizarse con una o dos puertas de entrada y salida, con abertura mediante batiente o con abertura mediante elevación hidráulica. La carga de las vagonetas puede realizarse en altura en una o más capas, gracias al particular sistema de distribución de la energía térmica que prevé una serie de quemadores colocados en sentido vertical. Los quemadores funcionan mediante sistema de combustión de tipo aire y gas modulados. El sistema de combustión viene realizado colocando en ambos lados del horno una serie de quemadores ubicados en sentido vertical (cuyo número depende de la altura de la carga a realizar) y de manera alternativa con relación a los laterales de las vagonetas. La salida de los humos tiene lugar a través de chimeneas, colocadas al tresbolillo entre sí y ubicadas entre una hilera y otra de quemadores y con entrada puesta al nivel de la base de las vagonetas. Un especial sistema neumático, formado por tubos toroidales agujereados, utilizando la señal procedente de un transmisor, controla la presión en el seno del horno creando más o menos obstrucción a la salida de los humos.
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Figura 4.5.6.2.- Horno intermitente para la cocción de sanitarios.
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Figura 4.5.6.2.- Horno intermitente para la cocción de sanitarios. Cuando los productos cerámicos no soportan el contacto directo con los gases de combustión, se utilizan hornos de mufla. En este tipo de hornos, los gases de combustión circulan entre la mufla y el revestimiento del horno. En el horno de mufla representado en la figura 4.5.6.3 el hogar está a los lados del horno y los gases de combustión suben por las paredes, pasan por la bóveda de la mufla y descienden por los lados frontales.
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Figura 4.5.6.3.- Horno muflado con calefacción lateral. 1.- Hogar. 2.- Mufla 3.- Conductos de gases de combustión. (ii).- Hornos continuos. Horno Hoffmann. Los hornos continuos aparecieron como una solución más rentable a la fabricación de productos cerámicos. El funcionamiento continuo de los hornos se caracteriza por el desarrollo ininterrumpido de la cocción y la posibilidad de efectuar las diferentes etapas sin variar el ritmo de la producción. El horno Hoffmann fue el primer horno de funcionamiento continuo y se caracteriza por una colocación fija de los productos cerámicos y una cocción móvil. El horno Hoffmann constituyó un progreso considerable en la cocción de tejas y ladrillos. En un principio fue un horno circular, aunque por diversas razones se abandonó esta forma, adoptando hoy en día la forma ovalada. Dicho horno, que todavía se utiliza, presenta dos galerías paralelas unidas en sus extremos por cámaras de paso redondas o rectangulares (Figuras 4.5.6.4 y 4.5.6.5 ). Tiene un gran rendimiento térmico evacuando los gases quemados y los productos cocidos a muy baja temperatura. Se llenan de ladrillos todas las cámaras menos dos que sirven de carga y descarga. El combustible se suministra por la cubierta. En las primeras cámaras los ladrillos ya están cocidos y el aire que entre los enfría calentándose él, sirviendo luego de comburente en la zona de cocción y precalentando los ladrillos recién cargados hasta salir por una válvula próxima a un tabique de papel que se coloca delante de las cámaras de carga y descarga. El tabique se va cambiando de sitio, abriéndose la válvula inmediatamente anterior y usando de carga y descarga las cámaras siguientes de forma rotativa.
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Figura 4.5.6.4.- Horno Hoffmann.
Figura 4.5.6.5.- Esquema de un horno Hoffmann Tienen los inconvenientes del contacto directo del combustible con las piezas y de la imposibilidad de regular la temperatura en cada momento. Se pueden cocer unas 200000 piezas al día con una economía de carbón del 60 % respecto a los hornos intermitentes. La figura 4.5.6.6 muestra un dibujo esquemático de este horno, en el que todas las cámaras están llenas y todas las puertas cerradas, excepto las que dan a las cámaras 1 y 2. Hay dos planchas de papel que limitan la cámara 12 , las restantes están quemadas. La cámara 8 se halla en acción. La alimentación de combustible tiene lugar echando polvo de coque o similar en tubos verticales que pasan entre los ladrillos a cocer. El aire fresco entra por succión de la chimenea por las puertas de las cámaras 1 y 2 y pasa por los productos cocidos que, partiendo de 3 a 7, tienen temperatura creciente. Con ello se consigue que el producto se enfríe 10
pero, al mismo tiempo, se aprovecha el calor de los productos y de las paredes para el secado y se consigue que el aire fresco llegue muy caliente al hogar, lo que representa un gran ahorro de combustible. El gas deja el hogar a una temperatura de 900 °C y en su camino a través de las siguientes cámaras se enfría a unos 250 °C. Con ello los ladrillos se calientan fuertemente antes de que empiece su cocción. En la figura se ve abierta la cámara 1. En vistas a una buena economía de combustible, el aire debe hacerse pasar por tantas cámaras como lo permita la succión de la chimenea. A veces se ayuda la succión con un ventilador. La compuerta de papel de la cámara 12 impide que la corriente de aire frío pase desde la cámara 1. En las cámaras 1 y 2 la temperatura es moderada y se puede trabajar. Se llenan los ladrillos y tejas crudas y se sacan las cocidas de la cámara 3.
Figura 4.5.6.6.- Modo de trabajo de un horno Hoffmann. Variantes del horno Hoffmann son el horno en zigzag y el horno de cámaras múltiples. Horno túnel: Son de hogar fijo moviéndose las piezas a cocer. El horno túnel de llama libre es el más clásico y simple de los hornos túnel. Está constituido por una galería recta con una sección relativamente pequeña y una longitud que puede alcanzar los 130 metros. La galería está provista de puertas a ambos lados (Figuras 4.5.6.7 y 4.5.6.8. ). El producto cerámico que se va a cocer se coloca en vagonetas que recorren lentamente la galería desde un extremo al otro. Las vagonetas cargadas llenan casi por completo el interior del horno y circulan sobre raíles. A intervalos regulares se introduce una vagoneta de producto crudo y se extrae otra de producto cocido. El movimiento de las vagonetas en el interior del horno es continuo y uniforme. Las vagonetas están constituidas por una parte metálica inferior, con ruedas, que sostiene una capa de material aislante y refractario; la parte superior del refractario, que sostiene el material que se cuece, tiene espacios a través de los cuales pasan las llamas y productos de combustión. Las vagonetas forman un diafragma horizontal que aísla del calor todo lo que está situado por debajo y en particular las partes metálicas de la vagoneta. Con objeto de que el aislamiento sea más perfecto, los bordes de la vagoneta están prolongados y tienen una forma curva, de modo que estos lados curvos están colocados en dos canales laterales rellenos de arena.Las vagonetas circulan por la acción de un mecanismo de empuje, generalmente hidráulico, que permite el 11
empuje en ambos sentidos. El movimiento puede ser intermitente o continuo y suele estar comprendido entre 40 y 90 minutos. A lo largo del horno túnel se distinguen tres zonas principales ( Figura 4.5.6.7): (1).- Zona de precalentamiento, friamiento.
(2).- Zona de cocción
(3).- Zona de en-
A ambos lados de la zona de cocción, situada en la par te central del túnel, se encuentran los mecheros, que pueden ser de fuel o de gas. La extracción de aire se realiza en la primera parte de la zona de precalentamiento, de tal modo que se crea una corriente de los productos de combustión en sentido opuesto al de circulación de las vagonetas. El calentamiento del material es, de este modo, gradual hasta la temperatura máxima. Una vez atravesada la zona de cocción, se produce un enfriamiento gradual mediante una corriente de aire que circula en contracorriente y que se introduce en el horno por medio de ventiladores. El aire de los ventiladores se calienta al circular entre el material cocido y alcanza la zona de cocción, recuperando así el calor; en la zona de cocción el aire se mezcla con los productos de combustión y, en parte, sirve de aire de combustión. Además, las paredes, en la zona de enfriamiento, presentan unos intersticios por los que circula el aire frío.mParte del aire caliente se recupera en los secaderos. Para graduar el enfriamiento y tener la posibilidad de modificar la curva de cocción, en la zona descendiente se tiene el aire de enfriamiento directo, que ha pasado desde la entrada por las vagonetas que van a salir del horno y circula en sentido contrario, y una acción de enfriamiento indirecto obtenido haciendo pasar parte de este aire por los canales situados entre dos paredes del horno.
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Figura 4.5.6.7.- Horno túnel de llama libre. En la figura 4.5.6.9 pueden verse la vista lateral, la superior y una sección transversal de un horno túnel.
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Figura 4.5.6.8.- Horno túnel con llama directa. 1.- Galería de cocción. 2.- Quemador inferior. 3.- Quemador superior. 4.- Conducción de aire comburente. 5.- Foso 6.- Conducción de gas.
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Figura 4.5.6.9.- Vista lateral, superior de un horno túnel.
Figura 4.5.6.9.- Sección transversal de un horno túnel.
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Para la fabricación, con gasóleo o fuel, de soporte de azulejo, gres rojo y clinker y con gas para la fabricación de artículos sanitarios y productos cerámicos de pavimento esmaltados se emplean hornos tuneles semimuflados. La producción oscila entre 800 y 5000
m2 dia
o 8000 y 50000 Kg de producto
cocido dia
. Su
longitud está comprendida entre 35 y 130 metros y su anchura y altura entre 720 -1200 mm y 720 - 1080 mm respectivamente. La temperatura de cocción máxima es de 1250 °C y el consumo específico está comprendido entre 650 y 1200
Kcal Kg
de producto cocido.
Este horno está dotado de una puerta de entrada plegable y un empuje automático mediante empujador hidráulico. En la zona de precalentamiento y cocción posee cámaras de combustión independientes y doradas de regulación de temperatura de arriba a abajo mediante juntas de refractario maniobrables desde el exterior. En la zona de enfriamiento posee enfriamiento rápido, indirecto horizontal forzado, directo forzado, natural vertical y final. La diferencia entre el horno de llama libre y el horno semimuflado está en la zona de precalentamiento en la que los productos de combustión, en el caso de horno semimuflado, pueden seguir el camino normal como en el horno de llama libre o pueden entrar en canales muflados que forman las paredes laterales de la misma zona de precalentamiento. Por esto, para materiales especialmente sensibles, ricos en materia or gánica o con facilidad para adsorber los productos de combustión, se tiene un precalentamiento con un ambiente puro, que favorece la combustión de la materia orgánica y, por otra parte, permite una mejor regulación de la temperatura, de modo especial si se presentan dos canales muflados por cada lado regulables independientemente. Los hornos que algunos constructores de hornos llaman semimuflados son hornos de llama libre, en los que delante de los mecheros presentan una defensa que impide que las llamas alcancen al material que se cuece. En ladrillería se emplean hornos túnel de vagonetas con secciones mucho mayores, del orden de 1.8 m de ancho e incluso más. En estos hornos, la colocación de las piezas cerámicas en la vagoneta es de un interés primordial para la efectividad de los mismos (Figura 4.5.6.10 ).
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Figura 4.5.6.10.- Colocación de los ladrillos en las vagonetas. Los hornos túnel muflados se caracterizan porque los gases de combustión no están nunca en contacto con el material a cocer , ya que hasta la zona de cocción presenta canales a ambos lados de la galería. Las paredes internas de los canales están construidas de material refractario y los productos de combustión se enfrían en su transcurso hacia la entrada del horno por los canales. En este tipo de horno el calentamiento es muy gradual y la zona de enfriamiento es similar a la de los hornos túnel mencionados anteriormente. La evolución de los hornos túnel se ha desarrollado hacia la búsqueda de reducir el consumo específico, bien mediante el incremento de las dimensiones del horno o bien mediante el aumento de la velocidad de paso del producto por su interior. El incremento de las dimensiones del horno se realiza tanto en longitud como en anchura y asimismo se reduce la estructura adoptando perfiles más anchos con bóvedas ligeras siendo, por tanto, el calentamiento lateral con quemadores de alta velocidad. Los quemadores se colocan de manera que desemboquen en los espacios libres dejados entre cada vagoneta y generalmente se paran en los momentos de cada impulsión, a fin de evitar un impacto sobre la carga. Estos hornos son típicos de ladrillos y tejas y porcelana sanitaria. La evolución de los hornos túnel, en cuanto al aumento de velocidad del producto, ha llevado a la creación de hornos túnel de vagonetas de una sola capa, de hornos túnel de cinta transportadora y de hornos de rodillos de una o varias capas superpuestas. 17
El horno túnel de una sola capa es comparable a un pequeño horno túnel muflado, con vagonetas ligeras recubiertas de una sola capa de piezas cerámicas apoyadas sobre un enrejado de acero refractario (Figura 4.5.6.11 ) o sobre soportes refractarios verticales. El calentamiento se produce por la radiación de la superficie por encima de la cual se encuentra el canal que recorre los productos de combustión.
Figura 4.5.6.11.- Esquema de un horno túnel monoestrato de vagonetas. Hornos de rodillos (Figura 4.5.6.12). En los hornos de rodillos , estos producen un movimiento, de traslación continuo y suave. Pueden estar preparados para cocer con placas refractarias o sin ellas. El horno túnel de cocción sobre rodillos de piezas cerámicas mediante placas refractarias presenta ciclos de ejecución rápidos y consumos reducidos. Así, los ciclos de cocción son de 2 - 3 horas para hornos sin placas y de 45 - 65 minutos con ellas. Los rodillos pueden ser de material refractario, principalmente sillimanita, o de acero inoxidable tipo Iconel . Los inconvenientes son, en el material refractario, la fragilidad y, en el acero inoxidable, la curvatura de los rodillos. Presentan las mismas zonas características que los hornos túnel (Figura 4.5.6.13), son normalmente de llama libre y utilizan combustible gaseoso, gas natural o GLP. Debido a la cocción en llama libre, el consumo energético especifico es sensiblemente más bajo que en los hornos muflados, siendo del orden de las 2926 KJ/Kg de producto cocido para el caso de monococción de pavimento gresificado y del orden de 2090 KJ/Kg de producto cocido en el caso de cocción de producto esmaltado (bicocción). Otro tipo de diferencias entre estos hornos son la utilización de fibra cerámica refractaria o de ladrillo refractario de calor especifico bajo. Por la inercia térmica es más aconsejable la fibra cerámica, pero por el ataque de diversas sustancias a la fibra cerámica y en especial su deterioro con el tiempo, parece más interesante el ladrillo refractario. Sus características estructurales son: - Estructura modular prefabricada. - Aislamiento mediante especiales refractarios ligeros de estructura microporosa para los elementos en contacto con el fuego y fibras cerámicas para los no expuestos a la llama. - Bóveda del horno en refractario aislante colgando de la carpintería del módulo mediante ganchos de acero inoxidable. 18
- La solera está realizada con material refractario cuyo revestimiento de protección es de placas de refractario denso. - Paneles exteriores en chapa de acero esmaltada.
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Figura 4.5.6.12.- Horno de rodillos de un solo piso.
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Figura 4.5.6.12.- Horno de rodillos de un solo piso. Vistas laterales y superior. Secciones transversales.
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Figura 4.5.6.13.- Esquema de un horno túnel de rodillos. El sistema de movimiento de los rodillos es accionado por motorreductores con inversión y transmisión del movimiento mediante pares de engranajes cilíndricos de dientes helicoidales (Figura 4.5.6.14), con lubricación en baño de aceite, emparejados a cada rodillo. Cada engranaje está acoplado, mediante un perno, a una copa especial que, actuando en conjunto con un par de resortes laminares moldurados, asegura el centrado de la pinza porta - rodillo y su arrastre correcto. Figura 4.5.6.14.Engranajes cilíndricos de dientes helicoidales para el movimiento de los rodillos
Los rodillos descansan sobre cojinetes de banda ancha en el lado libre, mientras que al extremo opuesto viene fijada una pinza metálica especial que permite el enganche rápido de los mismos a la copa indicada anteriormente. El sistema de combustión es de aire fijo - gas modulado o aire modulado y gas modulado. Los quemadores son de alta velocidad, van provistos de válvulas de seguridad y repartidos en grupos autorregulados instalados por arriba y por debajo de la carga y van equipados de válvula moduladora. Todos los quemadores cuentan con dispositivos de encendido automático y control de la llama. Existen hornos de rodillos de dos o más pisos (Figura 4.5.6.15), con lo que se pueden tener pues dos o más hornos en un único equipo, con todas las ventajas de la economía de escala: • aprovechamiento del espacio del establecimiento industrial • utilización de estructuras comunes de soporte y de aislamiento térmico • optimización de los gastos de transporte, instalación, gestión.
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La zona de enfriamiento rápido, precedida por un tramo de estabilización, está separada de la zona de cocción por una doble serie de diafragmas. Cada canal tiene su propio ventilador y su propio circuito de regulación, con el fin de evitar interacciones de presiones. El enfriamiento lento viene realizado de manera independiente por cada canal, mediante la inyección modulada de pequeñas cantidades de aire a través de unos tubos distribuidores ex profeso. El enfriamiento final se efectúa mediante un intenso chorro de aire procedente de gruesos tubos perforados por arriba y por debajo del plano de rodillos. El aire caliente capturado viene utilizado en otros equipos del establecimiento (por ejemplo en los secaderos).
Figura 4.5.6.15.- Horno de rodillos de varios pisos. Para la cocción de cantidades del orden de los 500 - 700
m2 dia
de productos cerámicos de pavimento o
revestimiento esmaltados (Segunda cocción), se han utilizado ampliamente los hornos de canales. Son hornos muflados con movimiento mediante placas de arrastre accionadas por un empujador. Permiten una buena homogeneización de la temperatura y dan una producción aceptable (Fiquras 4.5.6.16 y 4.5.6.17) . 23
Figura 4.5.6.16.- Esquema de un horno bi canal .
Figura 4.5.6.17.- Esquema de un ho rno tri canal . Finalmente, entre las ventajas de los hornos túnel figuran: - Un ahorro de mano de obra, - Un trabajo más racional, - Un mejor aprovechamiento del calor, - El aumento del tiempo de cocción 24
- Una regulación automática y precisa. Tipos de piezas según su cocción y composición química. Las piezas cerámicas se destinan a diferentes usos y presentan diversos aspectos según la temperatura de cocción y su composición química: - 900° y 1000°: Productos porosos para ladrillería y tejería. - 1100° y 1300°: Productos semiporosos de loza y gres cerámico. - 1300° y 1500°: Productos impermeables de gres vitrificado. Porcelana y refractarios. De acuerdo al cociente entre sus óxidos Al 2O3 y Fe2O3, según el porcentaje que contengan las materias primas se clasifican en: - A/F > 5.5 : Arcillas puras de alúmina para refractarios y porcelana de color blanco. - A/F < 5.5 : Arcillas ricas en alúmina y pobres en hierro para lozas y color amarillo grisáceo. - A/F = 3 : Arcillas pobres en alúmina y ricas en hiero para materiales de construcción (tejería). Color rojo a violáceo. - A/F = 1.5: Arcillas ricas en hierro y cal. También para construcción. Colores rojo claro y blanco amarillento. Efecto de las impurezas: Las impurezas que aportan las arcillas, debido a su origen sedimentario, pueden mejorar alguna propiedad del material cerámico pero perjudicar otras. En esquema el efecto es el siguiente: SiO2 (arenas): Aportan dureza y resistencia mecánica a las piezas y son desgrasantes pero quitan homogeneidad. Para evitarlo se deben moler muy finamente. Se detectan por el tacto, tamaño del grano y brillo. CO3Ca (caliza): Tiene un efecto fundente y vitrificante pero al cocer las arcillas se descomponen dando cal viva CO3Ca calor CO2 + CaO y esta se hidrata con carácter muy expansivo al mojar las piezas fisurándolas. Son los denominados "Caliches" que se evitan en parte moliendo finamente. Se detectan por su color blanco. CO3Mg (dolomía): Se descompone a mayor temperatura que la caliza por lo que no produce su efecto. Es refractaria. Fe2O3 (óxido de hierro) : Aporta resistencia mecánica. Da arcillas más bastas y heterogéneas. Da coloración rojiza o gris. SO4Ca (yeso) y álcalis: No aportan ventaja alguna y por su solubilidad en agua y posterior cristalización forman eflorescencias o manchas externas. Si lo hacen internamente disgregan las piezas. 25
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