MEJORA DE LA ESTABILIDAD DIMENSIONAL DE PIEZAS DE GRES PORCELÁNICO A TRAVÉS

DE LA MEDIDA EN CONTINUO DE LA HUMEDAD DE LOS SOPORTES PRENSADOS

J.1. Amorós(l), G. Mallol(l), A. Mezquita"), D. Llorens(l), F. Castr~-Lopes(~), A. Cerisue10(~), M. Varga~'~)

(l)Instituto de Tecnología Cerámica. Asociación de Investigación de las Industrias Cerámicas. Universitat Jaume 1. Castellón. España

(')Sistemas de Control en Línea, S.A. (3)Zirconio, S.A.

RESUMEN

Se ha detectado la aparición de mayores problemas de calibres en piezas de gres porcelánico de gran formato, con respecto a otros tipos de pavimento. Se ha estudiado para piezas de gres porcelánico, pavimento rojo y pavimento blanco, el efecto que las variables de prensado ejercen sobre su comportamiento en la fase de cocción. Los resultados ponen de manifiesto la gran importancia que la operación de prensado tiene para mantener u n determinado calibre en piezas de gres porcelánico. En consecuencia se propone u n sistema de control efectivo de dicha operación, basado en la modificación de la presión máxima de prensado para corregir las variaciones de la humedad del polvo atomizado, que debe medirse en continuo sobre las piezas prensadas. La medida en continuo de la humedad de las piezas a la salida de la prensa, se basa en la absorción de parte de una radiación infiarroja por el agua presente en el soporte recién prensado. Se ha comprobado la validez de este procedimiento y se ha constatado, a escala industrial, que las fluctuaciones máximas de humedad en condiciones habituales de fabricación, en ocasiones, son superiores a la variación permisible para esta variable, lo que implica una modificación apropiada de la presión de prensado para mantener la compacidad de la pieza en crudo dentro de los márgenes adecuados para obtener u n calibre único.

Los dos defectos más comunes asociados a la falta de estabilidad dimensional de las baldosas cerámicas son los calibres y los descuadres, y conducen a una importante pérdida de calidad del producto final. Los calibres suponen falta de estabilidad dimensional entre piezas, es decir, baldosas que deberían tener el mismo tamaño, no lo tienen. Sin embargo, los descuadres son defectos que afectan a las dimensiones de cada pieza y suponen la falta de ortogonalidad entre los lados de la misma. En numerosos trabajos de investiga~ión[~-~] se ha demostrado, que la falta de estabilidad dimensional de las baldosas cerámicas se debe a un incorrecto desarrollo de las etapas de prensado y / o cocción.

En efecto, la falta de estabilidad dimensional en piezas de azulejos (revestimiento poroso)171, se debe fundamentalmente a desuniformidades en la distribución de las temperaturas en la zona de precalentamiento del horno (entre los 800 y 950°C), siendo prácticamente independiente de la porosidad en crudo de las piezas. Industrialmente, un control adecuado de la composición del soporte y de la distribución de la temperatura en esta zona del horno, permiten obtener piezas de azulejos sin defectos dimensionales.

En el caso de pavimentos no porcelánicos [habitualmente denominados "gres de pasta roja o blanca", en función del color del soporte cocido], la falta de estabilidad dimensional se debe tanto a variaciones en la porosidad de las piezas en crudo como a heterogeneidades en la distribución de la temperatura máxima durante la cocción['-61. Un control exhaustivo de la porosidad en crudo de las piezas durante su permite obtener piezas con el mismo calibre, siempre que el funcionamiento del horno sea el adecuado. En el caso de que no se consiga la uniformidad de la porosidad en crudo deseada entre piezas, siempre es posible modificar la temperatura máxima de cocción para obtener piezas del mismo calibre, debido a la capacidad de estos materiales a modificar su contracción lineal con la temperatura.

Se ha constatado la existencia de mayores problemas de estabilidad dimensional [sobre todo calibres] en piezas de gres porcelánico de gran formato, con respecto a otros tipos de pavimento, debido fundamentalmente a que la porosidad final de este producto es menor y su compacidad más baja. Estos problemas son difíciles de evitar en la práctica, puesto que el comportamiento de este tipo de materiales de muy baja porosidad a la temperatura habitual de cocción, difiere del de las de pavimento no porcelánico, siendo la contracción de cocción prácticamente insensible a las modificaciones de la temperatura máxima de cocción. En la práctica, si el producto final se rectifica y pule, pueden subsanarse los problemas de estabilidad dimensional. Sin embargo, el pulido y rectificado de piezas de pavimento porcelánico esmaltado, cuya producción es cada vez mayor en España, supone añadir una nueva etapa al proceso productivo, aumentando considerablemente el coste del producto.

2. OBJETIVOS

Se han realizado una serie de experimentos de laboratorio y a escala industrial con los siguientes objetivos:

Estudiar el efecto que sobre la estabilidad dimensional de los pavimentos cerámicos ejercen las variaciones de la compacidad en crudo de los soportes

y de la temperatura máxima de cocción, con vistas a comparar la sensibilidad de estos materiales a las alteraciones de estas variables. Determinar el intervalo máximo permisib aparente en crudo de los soportes (ADap*) prensas (AH*), para conseguir un único producto, su tamaño, tolerancia de calibre y

le de variación de la densidad y de la humedad del polvo de calibre en función del tipo de funcionamiento del horno.

Desarrollar y poner a punto a escala industrial un sistema fiable de medida en continuo de la humedad de los soportes a la salida de la prensa, con vistas a mejorar el control de la operación de prensado.

3. MATERIALES, EQUIPOS Y PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Para la realización de los ensayos de laboratorio se han utilizado tres composiciones empleadas industrialmente para la fabricación de pavimentos: una de pavimento gresificado de pasta blanca (B), otra de pavimento gresificado de pasta roja [R] y, la tercera, de gres porcelánico (P). Sobre estas composiciones se han realizado los ensayos oportunos en el laboratorio para determinar sus diagramas de compactación y de gresi f i~ación~~~l .

Para la determinación de la humedad de las piezas recién compactadas se ha utilizado un sistema de medida de la humedad por in f r a r ro jo~[~~I [ '~ . El sistema permite la medida, en continuo y en tiempo real, de la humedad de cada una de las piezas prensadas. Los valores se almacenan en un ordenador para su análisis posterior. El sistema de medida de la humedad se ha calibrado en el laboratorio en condiciones estáticas. Posteriormente se ha instalado en una prensa industrial y se ha ajustado el calibrado obtenido en el laboratorio.

Los experimentos a escala industrial se han realizado en una prensa hidráulica[l31 de las que habitualmente se utilizan para el prensado de los soportes de las baldosas cerámicas. Las medidas se han llevado a cabo sobre soportes de gres porcelánico esmaltado.

4. RESULTADOS OBTENIDOS

4.1. SENSIBILIDAD DE LOS DIFERENTES TIPOS DE PAVIMENTOS A LA APARICI~N DE CALIBRES. ANÁLISIS COMPARATIVO

En la Figura 1 se representan los diagramas de gresificación correspondientes a los materiales P, B y R, prensados a diferentes compacidades en crudo. Los resultados se han ajustado a una ecuación polinómica del tipo:

AA O CL = (AD,, + B ) T ~ + (CD,, + D)T + ED,, + F ec. 1

donde:

CL = Contracción lineal de cocción (%) AA = Absorción de agua del producto final(%) D ~ P = Densidad aparente de los soportes crudos y secos(g / cm3) T = Temperatura máxima de cocción ("C) A, B, C, D, E y F = Parámetros empíricos de ajuste

Figura l . Diagramas de gresificación del gres porcelánico (a), pavimento blanco (b) y pavimento rojo (c).

Como puede comprobarse en la Figura 1, los valores calculados (líneas) se ajustan bien a los experimentales. La forma de estas curvas es la habitual para este tipo de composiciones~"~.

A partir de estas ecuaciones se ha determinado, para cada material y en función de la absorción de agua, la variación de la contracción lineal con la temperatura máxima de cocción, manteniendo constante la compacidad ((aCL/a T)~ap=de) Y, con la densidad aparente, manteniendo constante la temperatura máxima de cocción ((aCL/a Dop)l=cte). LOS resultados se detallan en la Figura 2. Se aprecia que la forma de estas curvas es similar para los diferentes tipos de productos, reduciéndose el efecto de la temperatura máxima de cocción sobre la contracción lineal conforme disminuye la porosidad (curva continua). Por el contrario, el efecto de la densidad aparente de la pieza prensada sobre dicha propiedad (contracción lineal) aumenta conforme se reduce la porosidad (curva discontinua).

- .-

D,, = 1 98 g/cm'

_....-_-_-__-.-----..--.--.--.--.--.-..-.---.-.---.---------.------.--*.---.--

I I I I

Figura 2. Sensibilidad del gres porcelánico (a), pavimento blanco (b) y pavimento rojo (c) a las variaciones de la densidad aparente y de la temperatura máxima de cocción.

Se comprueba que, para las condiciones de operación y las porosidades finales habituales para cada tipo de producto [área rayada], la contracción lineal del gres porcelánico es muy sensible a la variación de compacidad en crudo de la pieza y prácticamente insensible a la modificación de la temperatura máxima de cocción. (Figura 2a) Por el contrario, la contracción lineal del resto de materiales, es bastante sensible a las modificaciones de la temperatura máxima de cocción. (Figura 2a y 2b) Esto posibilita que una modificación conveniente de la temperatura máxima de cocción corrija el efecto de una desviación de la compacidad en crudo de la pieza, manteniendo el calibre de esta. Por el contrario, la mayor sensibilidad de estos materiales a la temperatura máxima de cocción, exige un control más exhaustivo de la homogeneidad de esta variable en la sección del horno, mayor que en el caso del gres porcelánico. Por lo que respecta a la sensibilidad de la contracción lineal a las variaciones de la densidad aparente, se comprueba que son bastante similares en los tres materiales.

4.2. VARIACI~N MÁXIMA PERMITIDA DE LA DENSIDAD APARENTE (ADap*) DURANTE EL PROCESO DE FABRICACI~N

Para calcular ADap* es necesario conocer la ecuación que relaciona la contracción lineal de cocción con la compacidad en crudo de la pieza <la temperatura máxima de cocción (ecuación 1) y el valor de la variación máxima fiermisibie de la contracción lineal (ACL*). El cálculo de esta última variable puede realizarse utilizando la expresión:

t ACL* = -(lo0 - CL)

L *- ec. 2

siendo:

ACL*= contracción lineal máxima permisible (%)

t = diferencia máxima que podemos admitir en el tamaño de dos piezas para considerarlas del mismo calibre (tolerancia en el calibre) (mm)

Lr = longitud final nominal de la pieza (mm) CL = contracción lineal (%)

Derivando la ecuación 1 y transformando los términos diferenciales en incrementos finitos, resulta una expresión que relaciona la alteración de la contracción lineal de la pieza durante la cocción (ACL) debido a las posibles oscilaciones de la densidad aparente en seco (ADap) y de la temperatura máxima efectiva de cocción(AT) (ecuación 3).

ACL = [IAD,, + B)2T + (CD ,, + D)]AT + ( A T ~ + C'T + E)AD ,, ec. 3

Si en esta expresión se sustituye T y Dappor la temperatura máxima de cocción (To) y por la densidad aparente de la pieza en crudo (DaPo) nominales, a la vez que ACL se sustituye por el incremento máximo permisible (ACL*), definido por la ecuación 2 y AT por AT*, oscilación máxima de la temperatura efectiva de cocción, de la ecuación anterior se obtiene:

ACL* -~AD,,, +B)2To +(CDap0 + D ~ A T * AD:, = ec. 4 I A T ~ + CT, + E I

Dicha expresión permite calcular la máxima diferencia que puede existir entre la densidad aparente media de las distintas piezas que se introducen en el horno para que no existan calibres, en función de la máxima variación de contracción lineal permitida (ACL*) y de las diferencias en la temperatura máxima efectiva de cocción (AT*) que se pueden producir entre las piezas durante dicha operación. Los valores de AT* dependen exclusivamente de las características del horno y de su funcionamiento (posibles gradientes transversales de temperatura y / o fluctuaciones de la temperatura puntual a lo largo del tiempo).

4.2.1. Efecto de las diferentes variables de operación sobre ADap*

En la Tabla 1 se detallan los valores calculados de ADap* mediante la ecuación 4 para diferentes tipos de producto, tamaños finales de las piezas, tolerancias en el calibre y variaciones máximas de la temperatura efectiva de cocción (AT*). Los cálculos se han realizado para las absorciones de agua del producto final habituales en cada caso (4% para el pavimento rojo (R), 3% para el pavimento blanco (B) y 0.05% para el gres porcelánico (P)). Se han elegido dos valores de AT*, de acuerdo con la aparición o no de calibres a lo largo de la sección del horno. Se ha podido constatar que un AT* = 3°C corresponde a un funcionamiento deficiente del horno, mientras que uno de 1.5"C debe considerarse el funcionamiento normal. Obviamente, AT* = 0, correspondería a un funcionamiento ideal.

Tabla 1. Variación máxima permisible de la compacidad en crudo entre piezas, AD,* (g/cm3) 10'

Tolerancia / Fori * ' AT* = 1 nfl

de calibrf P (mm)

De los resultados de la Tabla 1 se deduce que, para las tres composiciones, ADap* se reduce al aumentar el formato, disminuir la tolerancia de calibre y aumentar AT*, como era de prever. Se aprecia que, para formatos grandes y funcionamiento normal del horno, ADap* de las tres composiciones es muy parecida. Para estos tamaños, si aumenta AT*, ADap* del gres porcelánico se hace mayor que la del pavimento rojo y blanco, debido al mayor efecto de la temperatura máxima de cocción sobre la contracción lineal de estas últimas.

Aparentemente estos resultados parecen decir que, para formatos grandes, la dificultad en producir gres porcelánico es prácticamente la misma, en el caso de

20 12 4 35 23 12

26 19 12 40 30 19

35 2 3

12 55 39 23

1

1.5

24 13 2

45 29 13

24 17 10 38 28 17

->O\ ->~J

40x40 60x60 30x30

40x40 60x60

LZ

17 10 40

29 17

funcionamiento normal del horno, que para fabricar los otros materiales, e incluso menor si aumenta AS*. Realmente esto no es cierto, ya que la mayor sensibilidad de la contracción lineal de las composiciones de pavimento rojo y blanco a la temperatura máxima de cocción, hace que puedan corregirse eventuales fluctuaciones de la compacidad media entre piezas, cosa que no es posible en el caso del gres porcelánico, dificultando su fabricación por la aparición de más calibres.

Aunque las variaciones de densidad aparente puedan ser corregidas durante la etapa de cocción para el caso del pavimento rojo y blanco, dada la sensibilidad de estas composiciones a la temperatura máxima de cocción, la disminución de ADap* es tan acusada cuando se aumenta el formato que es necesario, si se desea producir estos tamaños sin incrementar la tolerancia de calibre, disponer de una elevada homogeneidad de la temperatura en la zona de cocción.

4.3. VARIACI~N MAXIMA PERMISIBLE DE LA HUMEDAD (AH*) DURANTE LA OPERACI~N DE PRENSADO

Con vistas a determinar AH* para los materiales estudiados y presiones de prensado utilizadas, se han obtenido los diagramas de compactación, ajustando los resultados experimentales a una ecuación del tipo:

siendo:

ec. 5

Dap = Densidad aparente de los soportes crudos y secos (g/cm3) H = Humedad del polvo de prensas en base seca (%) P = Presión máxima de compactación (kg / cm2) a, b, c, d = Parámetros empíricos de ajuste

En la Figura 3 se representan los resultados experimentales y los calculados según la ecuación 5 (línea continua), siendo el ajuste entre ambos muy bueno. Se comprueba que, a igualdad de presión y humedad de prensado, las piezas de pavimento rojo son mucho más densas que las de gres porcelánico y pavimento blanco. Además el efecto de la humedad de prensado sobre la compacidad de las piezas, también es mucho mayor para las composiciones de pavimento rojo. Este comportamiento se debe tanto a la diferente naturaleza y porcentaje de las partículas coloidales, como a la distribución granulométrica de las particulas más gruesas (cuarzo, feldespato, etc.)l11

1 3 i 6 7 S

H ("'o)

Figura 3. Diagramas de compactación del gres porcelánico (a), pavimento blanco (b) y pavimento rojo (c)

Siguiendo un procedimiento análogo al del apartado 4.2, se ha obtenido la expresión analítica que relaciona AH* con la variación máxima de densidad aparente (AD.,*) y con la variación máxima de la presión efectiva de prensado (AP*). Se ha estimado un valor para este último parámetro de 10 kg/cm2, basándose en las diferencias de compacidad que pueden encontrarse entre las compacidades medias de las diferentes piezas en una misma prensada y entre prensadas distintas, sin que se altere la humedad del polvo de prensas.

4.3.1. Efecto de las diferentes variables de operación sobre AH*

Se han calculado los valores de DH* para los distintos materiales estudiados modificando el formato, la tolerancia en el calibre y la homogeneidad de la temperatura máxima de cocción (AS*). Los resultados se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2. Variación máxima permisible de la humedad del polvo de prensas (AH* (%))

Tolerancia de calibre

(mm)

1

1.5

De los resultados de la tabla anterior se desprende que, para los tres materiales analizados, AH* se reduce conforme aumenta el tamaño final de las piezas. Además, la variación máxima permisible de la humedad es mucho menor para las piezas de pavimento rojo (R) que para las del resto de materiales. A pesar de lo restrictivo de estos resultados, especialmente para el gres rojo, ya que sería prácticamente imposible obtener piezas de un único calibre para formatos de tamaño grande, el hecho de que la contracción lineal de este tipo de material pueda alterarse modificando la temperatura máxima de cocción, si es necesario, permite producir piezas de gran formato y con un calibre mayoritario. Lo propio puede decirse para el pavimento blanco (B).

Por el contrario, el gres porcelánico presenta una problemática distinta; en efecto, aunque presenta un AH* superior al de la composición de pavimento rojo, lo que supone una menor tendencia a la aparición de calibres por este concepto, las alteraciones de tamaño que puedan producirse como consecuencia de diferencias de la compacidad en crudo, no pueden corregirse en la fase de cocción, ya que el efecto de la temperatura sobre la contracción lineal, para valores de la absorción de agua muy bajos, es prácticamente nulo. En consecuencia, para estos materiales, la fabricación de piezas de formatos grandes requiere el aumento de la tolerancia en el calibre.

4.4. MEDIDA EN CONTINUO DE LA HUMEDAD DE LOS SOPORTES RECIEN PRENSADOS

Foi -

(cm I

Lo anteriormente expuesto pone de manifiesto la necesidad de tener que modificar la presión de prensado para mantener la compacidad en crudo de las piezas cuando varía la humedad del polvo de prensas por encima de AH*, especialmente en piezas de gres porcelánico, si se quiere mantener el calibre. En otros casos aún se puede actuar, para obtener un único calibre, modificando la contracción de cocción al cambiar adecuadamente la temperatura máxima de cocción. Para conseguir de forma efectiva una compacidad de la pieza más o menos constante es imprescindible, suponiendo un buen funcionamiento de la prensa, que las variaciones de humedad del polvo de prensas sean inferiores a AH* o conocer de forma continua dicha variable para modificar convenientemente la presión de prensado. En ambos casos es imprescindible medir la humedad del polvo de prensas de forma continua.

3 0x3 0 40x40 60x60 30x30 40x40 60x60

A m

-

Para ello en este trabajo se ha desarrollado y puesto a punto un sistema capaz de medir esta variable en continuo, utilizando un medidor de humedad, modelo MM710 de la marca Infrared Engeenering, basado en la absorción de la radiación infrarroja por parte de las moléculas de agua que contiene un ~ ó l i d o ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ . El sistema ya se utiliza con éxito para la medida de la humedad del polvo atomizado a la salida del

0.6 0.3 O. 1 1 .O 0.7 0.3

1.2 0.8 0.4 2.1 1.5 0.8

0.4 0.2

0.9 0.5 0.2

1.3 0.6

2.8 1.7 0.6

2.0 1.2

0.5 3.4 2.3 1.2

1.4 0.9 0.5 2.2 1.6 0.9

atomizador y permite controlar de forma automática la operación de secado por atomización de suspensiones No obstante, dada la particularidad de la nueva aplicación, se ha considerado oportuno realizar una serie de experimentos previos a la instalación del equipo en la prensa industrial.

4.4.1. Experimentación a escala de laboratorio. Puesta a punto del equipo.

4.4.1 .l. Medida en continuo de la humedad de los soportes en condiciones estáticas. Incidencia de diferentes condiciones de operación sobre la medida de la humedad.

Para realizar poner a punto el equipo se realizó un experimento en el laboratorio consistente en registrar simultáneamente la pérdida de peso experimentada por un soporte recien prensado en condiciones ambientales y la señal eléctrica proporcionada por el sensor, durante un tiempo suficiente para permitir el secado del soporte hasta alcanzar la humedad de equilibrio con el ambiente. Para ello se situó el soporte húmedo encima de una balanza, y se dispuso el sensor de humedad orientado a la superficie del mismo (Figura 4). Este montaje permite realizar una lectura simultánea de la pérdida de peso del soporte y del valor proporcionado por el equipo.

Figura 4. Medida de la humedad del soporte en condiciones estáticas

En la Figura 5 se ha representado la lectura del medidor de humedad durante el experimento, en función de la humedad real del soporte. Se aprecia que la relación entre las dos variables es prácticamente lineal, lo cual demuestra la capacidad del equipo para la medida de la humedad en continuo.

3,m 5,25 5,50 5.75 600 6,25 6,50

Humedad real (%)

Figura 5. Relación entre la humedad del soporte y la lectura del sensor

Este mismo experimento se repitió para diferentes valores de la humedad relativa (desde un 60% hasta un 45%) y de la temperatura (desde 25°C hasta 40°C) del aire ambiente, obteni6ndose una correlación similar a la de la Figura 5, lo que demuestra que, en el rango estudiado, la medida de la humedad con el sensor es independendiente de estas variables.

No obstante, el sensor de infrarrojos dispone de un sistema de refrigeración autónomo que permite mantener sus elementos internos a temperatura constante, compensando de esta manera la posible incidencia de la temperatura ambiente y del calentamiento de los dispositivos del sistema con el tiempo de funcionamiento del equipo, sobre la medida de la humedad. Para analizar la incidencia de la temperatura interna sobre la lectura del sensor y verificar el funcionamiento del equipo en caso de no funcionar correctamente el sistema de refrigeración, se realizó un experimento similar al anterior, desconectando el sistema de refrigeración. Durante el mismo la temperatura del sensor se incrementó en 10°C pero la correlación entre la señal registrada por el sensor y la humedad del soporte durante su secado, es similar a la reflejada en la Figura 5, lo cual demuestra la estabilidad del sensor aún sin funcionar el sistema de refrigeración, al menos para una variación en la temperatura del equipo del orden de 10°C.

4.4.2. Experimentación a escala industrial

4.4.2.1. Instalación del sistema en planta

Una vez realizada la puesta a punto del equipo a escala de laboratorio, se procedió a su instalación en una planta industrial. El equipo se situó inmediatamente después de la prensa, concretamente tras el volteador y antes de la entrada de los soportes recién prensados al secadero (Figura 6). El área de medida del sensor es una circunferencia de 50 mm de diámetro.

Figura 6. Vista del equipo de medida de la humedad de los soportes en la línea de producción

El sistema de medida dispone de una serie de fotocélulas que proporcionan información al sensor sobre la presencia de piezas en su campo de medida de modo que, si no pasan piezas por debajo el sensor no proporciona ninguna señal. Cuando se detecta la entrada una pieza en el campo de medida, el sensor empieza a medir con una velocidad máxima de 10 medidas por segundo, de modo que el sistema es capaz de proporcionar, en función del formato de la pieza y de su velocidad de paso por debajo del sensor, varios valores de humedad para cada pieza. Se ha desarrollado un

software que permite hacer una media de los valores de la humedad medidos por el sensor para cada pieza, tomando este valor medio como la humedad de la pieza.

4.4.2.2. Calibrado del sistema

Una vez situado el equipo en la instalación industrial, se procedió a realizar un calibrado del mismo en las condiciones reales de operación. Para ello hay que establecer la relación entre la humedad real de las piezas secadas en estufa y la señal del sensor.

Para llevar a cabo el calibrado se comprobó previamente que la humedad de las piezas prensadas determinada por secado en estufa coincidía con la del polvo atomizado que se está alimentando a la prensa en este momento (Tabla 3). Tal y como se desprende de los resultados obtenidos, los valores son muy parecidos, siendo ligeramente inferior el correspondiente a la humedad del soporte prensado, debido probablemente al tiempo transcurrido desde que se extrae del molde de la prensa hasta que se pesa.

Tabla 3. Comparación entre la humedad del polvo de prensas y la de los soportes prensados (%)

Este hecho permite utilizar el valor de la humedad del polvo atomizado como valor real de la humedad de los soportes, facilitando el proceso de calibrado. En efecto, medir la humedad por secado en estufa de los soportes es mucho más tedioso que medir la humedad secando en estufa el polvo atomizado, debido a su elevada compacidad, lo que alarga los tiempos de secado, a la necesidad de disponer de una balanza al lado de la prensa para pesar el soporte inmediatamente después de ser compactado, mientras que el polvo atomizado puede recogerse en una bolsa de plástico sin perder humedad y a la dificultad en el manejo de las piezas recién prensadas, tanto por su tamaño como por su baja resistencia mecánica lo que hace que las probabilidades de rotura de las mismas sean muy elevadas.

El calibrado del sensor industrial se realizó, por tanto, a partir de la humedad del polvo atomizado alimentado a la prensa y del valor indicado por el equipo al pasar el soporte prensado por debajo del lector. Los valores de la humedad real medidos y los registrados por el equipo de infrarrojos se han representado en la figura 7.

6.4 6.3

6.3 6.3

En dicha Figura se aprecia que los valores se ajustan aceptablemente bien a una línea recta, cuya ecuación es:

6.3 6.3

Humedad del polvo de prensas Humedad de los soportes

H = 0.949 S + 1.932 r2 = 0.927 ec. 6

5.8 5.7

donde:

5.8 5.7

6.1 6.0

H : Humedad del soporte (%) S : Lectura del indicador

La desviación típica de los valores medidos sobre los estimados a partir de esta regresión, para un intervalo de confianza del 85%, es de 0.10 %, suficiente para la precisión requerida, por lo que se utilizará la ecuación 6 como recta de calibración del sensor de humedad.

6.1 6.1

6.1 6.0

Lectura del sensor

Figura 7. Calibrado del sensor de humedad por infrarrojos

Esta recta de calibrado se ha obtenido para un polvo de prensas utilizado en la fabricación de piezas de gres porcelánico esmaltado sin colorear en masa. Se ha comprobado que, al añadir pequeñas proporciones de pigmento (< 0.5% en peso), la recta de calibrado se conserva. No obstante, para otro tipo de composiciones o para proporciones superiores de pigmento, debe de obtenerse la recta de calibrado correspondiente, ya que la absorción de radiación infrarroja se ve influenciada por la composición química del sólido y su color. Asimismo se ha constatado que las posibles modificaciones que puedan producirse en la coloración y /o composición química del polvo de prensas con el tiempo, dado el carácter natural de la mayor parte de las materias primas que intervienen en su composición, afectan a la recta de calibrado, debiendo ser corregida de acuerdo a las variaciones que se detecten.

4.4.2.3. Influencia de la compacidad de la pieza sobre la medida de su humedad

En este apartado se pretende comprobar si alteraciones de la compacidad de la pieza modifican el valor de la medida de la humedad con el sensor de infrarrojos. Para lo cual se prensaron soportes a diferentes presiones durante un periodo de tiempo en el que la humedad del polvo de prensas permaneció constante.

En la figura 8 se representa la humedad medida por el sensor de infrarrojos en función de la compacidad de la pieza. A pesar de que la humedad real del polvo de prensas permanece constante, la medida por el sensor de infrarrojos es mayor cuando aumenta la compacidad de la pieza.

1,90 1,92 1.94 1,96 1,98 2.0(! 2.02

D,, (,g/&)

Figura 8. influencia de la compacidad de la pieza sobre la medida de la humedad

Este comportamiento es debido al secado de los soportes desde la prensa hasta que pasan por debajo del censor y al efecto de la compacidad del soporte sobre el mecanismo de secado. En efecto, la etapa que controla el secado de las piezas es la difusividad del agua desde el interior de la pieza a la superficie de la misma, y el parámetro que caracteriza este comportamiento es el coeficiente de difusión cuyo valor aumenta al incrementarse la compacidad de la pieza. Como resultado de ello, al aumentar la compacidad de la pieza, el proceso de secado de la misma es más lento y la humedad que tiene la pieza en el momento que pasa por debajo del elemento de medida e9 mayor, aunque su humedad inicial sea la misma.

Para reducir en la medida de lo posible este efecto, se aconseja situar el sistema de medida de la humedad lo más cerca posible de la salida de la prensa. En cualquier caso, el efecto de esta variación sobre la medida de la humedad es muy bajo (4.31 % / (g / cm3)) para la composición estudiada] y puede corregirse a partir del ajuste de los datos experimentales reflejados en la Figura 8.

4.4.2.4. Medida e n continuo de la humedad de prensado. Análisis de casos reales.

Con el sistema de medida debidamente calibrado, se ha realizado el seguimiento de la evolución de la humedad de los soportes recién prensados a la salida de la prensa con el tiempo, presentándose, a continuación algunos de los resultados más interesantes.

t (11)

Figura 9. Evolución de la humedad de los soportes recién prensados

En la figura 9 se ha representado la evolución de la humedad de los soportes recién prensados durante dos horas, en condiciones normales de funcionamiento de la prensa. En la misma se aprecia que, durante el periodo analizado, la humedad se ha mantenido aproximadamente constante alrededor de un valor del 5.8%, con una variación máxima de k0.15 %, inferior al valor máximo permisible de variación de la humedad calculada para este tipo de producto [gres porcelánico esmaltado], tamaño final de las piezas (45 x 67.5 cm) y tolerancia en el calibre considerada (1.5 mm) que resulta ser de + 0.45 %.

Si se analiza con mayor detalle los valores experimentales de la Figura 9, centrando la atención en un periodo de tiempo más corto (30 minutos), se obtiene la figura 10. En la misma se aprecia que, en condiciones normales de funcionamiento de la prensa, la variación de la humedad de prensado con el tiempo es cíclica coincidiendo la frecuencia de estos ciclos con el tiempo de llenado-vaciado de la tolva que alimenta el polvo atomizado a la prensa. El hecho de que el llenado de la tolva no

sea continuo hace que el tiempo de permanencia del polvo atomizado en la misma sea distinto y su humedad se modifique conforme vaya saliendo de la tolva, debido al secado del mismo. Estas fluctuaciones son intrínsecas al proceso de llenado-vaciado de la tolva y, en el caso que nos ocupa, podemos establecerlas en aproximadamente 10.15% aunque este valor dependerá, fundamentalmente, de las características de la tolva(tamaño, si está cubierta o no, etc.) y de su gestión (tiempo de llenado, etc.).

7 .

f

1

- .. . . - - .- ... . *. --.L- . . . - ..- -.- .- -.--A-...--..-

- :*-----*; blenado-vaciado i

- i de la tolva j 1 I 1 I 1 I 1 1 1

Figura 10. Variaciones de humedad debidas a los ciclos de llenado de la tolva

En la Figura 11 se ha representado la evolución de la humedad de prensado durante seis horas, siendo las dos primeras las reflejadas en la Figura 9. Se aprecia que, a partir de un cierto tiempo (18 horas), la humedad del de prensado empieza a aumentar lenta pero continuamente. Durante aproximadamente hora y media asciende pero se mantiene por debajo de AH*, sin embargo, transcurrido este tiempo la humedad de prensado sigue ascendiendo, situándose por encima de la variación máxima permitida y provocando la existencia de calibres en el producto final.

Figura 11. Evolución de la humedad de prensado en condiciones de aparición de calibres

A la vista de los resultados obtenidos, se propone un sistema de control automático de la prensa que permita, a partir de la medida de la humedad de prensado en continuo y el conocimiento de AH* corregir, de modo automático, la presión máxima de prensado, de acuerdo con los diagramas de compactación del polvo y reduzca los calibres en el producto final, al mantener constante la compacidad en crudo del soporte (Figura 12).

Presión

continuo mediante sensor partir del + Controlador diagrama de de la prensa

Figura 12. Esquema del control automático propuesto para la operación de prensado

5. CONCLUSIONES

Del trabajo realizado pueden extraerse la siguientes conclusiones:

Los calibres en piezas de gres porcelánico se deben, fundamentalmente, a variaciones de la compacidad media en crudo entre los soportes, ya que, a diferencia de otros pavimentos, estas variaciones no pueden corregirse en la etapa de cocción, debido a la baja sensibilidad de la contracción lineal de este tipo de materiales con la temperatura máxima de cocción. Para obtener piezas de gres porcelánico del mismo tamaño es necesario, en condiciones correctas de funcionamiento de la prensa, que la humedad del polvo de prensas se mantenga constante o que sus fluctuaciones se conozcan en tiempo real para modificar convenientemente la presión máxima de prensado, especialmente para grandes formatos, para los que la tolerancia máxima en la variación de la humedad es muy baja (AH*<k0.5%). La humedad de prensado puede medirse en continuo y con suficiente precisión, mediante el sistema utilizado en este trabajo, basado en un sensor de infrarrojos, lo que posibilita el control automático de la prensa para mantener constante la compacidad media de los soportes, reduciendo los calibres, sobre todo en piezas de gres porcelánico.

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