Baseline Gravity Model Specification

Para la fabricación de los materiales cerámicos, las arcillas que se utilizan requieren un proceso de elaboración, lo cual permite que se obtengan mejores piezas y de una mayor calidad, los procesos que se llevan a cabo son:

11

Desecación: Las arcillas admiten de un 15-50% de agua para formar una masa plástica.

1. Se elimina el agua intersticial de las partículas, aproximándose y produciendo una retracción.

2. Se elimina el agua de plasticidad o película que rodea las partículas, produciéndose un vacío y retracción menor que la anterior.

3. Se desprende el agua de absorción y capilar, produciéndose un vacío. Esta eliminación de agua produce, una retracción y un vacío que en una pasta del 75% de arcilla y 25% de agua es del 8% lineal y del 22.5% cúbica.

Cocción: Durante la cocción de las materias arcillosas se producen una serie de transformaciones fisicoquímicas, variando sus estructuras químicas y cristalinas, lo que se traduce en las propiedades que después alcanzan: Compacidad, resistencia mecánica, etc.

1. De 0-400ºC: Eliminación de residuos de agua, quema la materia orgánica. El material se dilata hasta los 100ºC, sufriendo después a 250ºC una retracción y volviéndose después a dilatar. No se producen cambios químicos ni estructurales.

2. De 400-600ºC: Se desprende el agua químicamente combinada, descomponiéndose la arcilla en óxidos, cesando la dilatación e iniciando la contracción de volumen.

3. De 600-900ºC: Se forma un metacaolín muy inestable, tendiendo a formar alúmina siendo muy hidroscópico.

4. De 900-1000ºC: En este período reacciona la alúmina con la sílice, formándose el silicato alumínico SiO2.Al2O3, del que existen tres estados alotrópicos en la naturaleza: Sillimanita, Andalucita y Distena.

5. Mayores de 1000ºC: El silicato SiO2.Al2O3 tiende a transformarse en 3Al2O3.2SiO2 (mullita de gran dureza, pequeño coeficiente de dilatación, cristalizando en agujas muy finas).

6. Fusión: Las arcillas, a 1780ºC; La Sillimanita, a 1880 ºC y la Mullita, a 1930ºC. Por el color que adquieren después de cocidas las arcillas y por su composición química, se puedensegún Seger:

12

b) Arcillas ricas en alúmina y pobres en hierro, dan por cocción coloración amarilla o gris, empleándose para fabricar lozas.

c) Arcillas pobres en alúmina y ricas en hierro. Por cocción adquieren color rojo característico y elevando más la temperatura se vuelve violáceo y azul. Son las arcillas más favorables para fabricar materiales de construcción, siendo la relación entre la cantidad de alúmina y hierro igual a 3 la más favorable.

d) Arcillas pobres en alúmina, ricas en hierro y cal, como las margas arcillosas, dan a baja temperatura coloración roja y a alta roja claro o blanco-amarillento, debido a la formación de silicatos cálcicos y si se funden toman color verde o negro.

1.3 Productos cerámicos.

Se le llama productos cerámicos, a aquellos que adquieren consistencia pétrea por procesos físicos, al cocer las tierras arcillosas, vidrios, los obtenidos por la fusión de ciertos óxidos y aglomerantes, cuando se preparan con materiales simplemente comprimidos o unidos por un aglomerante en frío a la temperatura ordinaria mediante el proceso químico de fraguado.

Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos no metálicos, constituidos por elementos metálicos y no metálicos enlazados principalmente mediante enlaces iónicos y/o covalentes. Las composiciones químicas de los materiales cerámicos varían considerablemente, desde compuestos sencillos a mezclas de muchas fases complejas enlazadas. (10)

Los materiales cerámicos son típicamente duros y frágiles con baja tenacidad y ductilidad, son predominantemente de estructura cristalina. Se comportan usualmente como buenos aislantes eléctricos y térmicos debido a la ausencia de electrones conductores, normalmente poseen temperaturas de fusión relativamente altas y, así mismo, una estabilidad relativamente alta en la mayoría de los medios más agresivos debido a la estabilidad de sus fuertes enlaces. (11)

En general, los materiales cerámicos usados para aplicaciones en ingeniería pueden clasificarse en dos grupos: materiales cerámicos tradicionales y materiales cerámicos de uso específico en ingeniería. Normalmente, los cerámicos tradicionales están constituidos por tres componentes básicos: arcilla, sílice y feldespato. Ejemplos de cerámicos tradicionales son los ladrillos y tejas utilizados en la industria de la construcción y las porcelanas eléctricas de uso en la industria eléctrica. Las

13

cerámicas ingenieriles, por el contrario, están constituidas por compuestos puro o casi puros, tales como el óxido de aluminio (Al2O3), carburo de silicio (SiC), y nitruro de silicio (Si3N4). (11).

1.3.1 Preparación y conformado de los productos cerámicos.

Los productos cerámicos fabricados por aglomeración de partículas pueden conformarse mediante varios métodos en condiciones secas, plásticas o líquidas. Los procesos de conformado en frío son predominantes en la industria cerámica, pero los procesos de modelado en caliente también se usan con frecuencia. Prensado, moldeo en barbotina y extrusión son los métodos de modelado de cerámicos que se utilizan más comúnmente. (10).

Preparación de las pastas: Las tierras arcillosas empleadas en la fabricación de ladrillos se amasan con un poco de agua, después de añadir algún desgrasante (arena, carbón, etc.) y trituran mediante molinos de rulos o cilindros, por acompañarles generalmente piedras, arena, etc. Para los productos cerámicos se suelen preparar las tierras haciéndolas sufrir primero una meteorización, exponiéndolas en capas de pequeño espesor a la acción de lluvias, para que las disgreguen y laven. Por vía húmeda se preparan las arcillas por levigación, poniéndolas en suspensión en el agua, con objeto de separar los productos no deseados, esto se hace en unos grandes depósitos, en los cuales una serie de rastrillos giratorios agitan la masa, recogiéndose en el fondo las impurezas y dando salida a la papilla por un vertedero y es conducido a una fosa de sedimentación, obteniéndose así la arcilla colada.

Por electroósmosis se prepara la arcilla pulverizada y puesta en suspensión en agua, añadiendo un electrolito, sosa, carbonato sódico o silicato alcalino y haciendo pasar una corriente eléctrica se deposita la arcilla en el ánodo, con poca agua (15).

La preparación por vía seca de las arcillas, es raramente usada, se reduce a la pulverización y mezclado mediante malaxadores.

Amasado: Rústicamente se hace en las eras, vertiendo la arcilla en una pista circular, amasándola con los pies o con caballería, describiendo una espiral desde el centro hacia la periferia.

14

Industrialmente el amasado se hace en molinos de rulos o cilindros, humedeciéndolas ligeramente para poder ser moldeadas. En alfarería se amasan por medio de malaxadores, constituidas por un cilindro de eje vertical u horizontal, de palastro o artesana, dentro del cual gira un árbol provisto de cuchillas y paletas dispuestas en espiral.

Moldeo: En esta operación se le da a la arcilla la forma que ha de tener el producto cerámico después de la cocción, pudiendo hacerlo a mano o a máquina. En ambos casos hay que dar al molde mayores dimensiones, por experimentar las pastas una contracción lineal del 1/10 al 1/7 en la desecación y cocción.

A. El moldeo a mano se practica vertiendo la arcilla amasada con consistencia muy plástica en unos moldes llamados gradillas. El operario comprime la masa con las manos y después pasa un rasero para eliminar el exceso de material.

Este moldeo puede hacerse sobre una superficie plana y enarenada del terreno donde se va a desecar o en talleres cubiertos, sobre mesas. Para evitar la adherencia de las arcillas a la gradilla y rasero, estos se humedecen si es magra y se espolvorean de arena si es grasa. Los materiales fabricados a mano presentan ciertas irregularidades de forma y son más porosos.

B. El moldeo a máquina puede hacerse con la pasta húmeda o seca. Con la pasta húmeda se emplean máquinas llamadas de hilera, o galleteras, en las que se obliga a salir la pasta mediante un helicoide o un par de cilindros por una boquilla de sección rectangular, formándose un prisma continuo que se corta por medio de un bastidor provisto de alambres. Modernamente, en las máquinas galleteras se hace el vacío, pues se obtiene la ventaja de que se rompen menos piezas y se ahorra combustible en la desecación y cocción.

C. El moldeo por prensas se usa si las piezas a fabricar tienen relieves y superficies curvas los cuales no pueden darse con las máquinas de hilera.

D. El moldeo por colada se usa en la fabricación de losas y porcelanas, licuando las pastas amasadas con poco agua por medio de álcalis.

Desecación: Tiene como objetivo eliminar de la pasta el agua de amasado, antes de la cocción. La desecación debe practicarse de manera lenta y gradual, para evitar alabeos y resquebrajaduras.

En los tejares se realiza este proceso poniendo los ladrillos primero de plano, después de canto, apoyados de dos en dos, por dos aristas y finalmente se apilan al

15

cabo de dos o tres días, formando rejales de unas cinco o seis hiladas, colocando cada una perpendicular a la inferior y dejando espacios. Estos rejales se resguardan del sol y la lluvia. En algunas fábricas la desecación se verifica en secadores situados en la parte alta de los hornos anulares. Las estufas de desecación son las más aptas para la desecación producto que en estas se verifica una desecación gradual, tardándose el proceso 24 horas.

Cocción: En esta fase de la fabricación se hace que la forma de los productos permanezca inalterable. La cocción de los productos cerámicos se verifica rústicamente en moles, e industrialmente en hornos intermitentes o continuos.

1.3.2 Tratamientos térmicos

El tratamiento térmico es un paso esencial en la fabricación de la mayoría de los productos cerámicos. En esta subdivisión consideremos de los siguientes tratamientos térmicos: secado y sinterizado

Secado y eliminación del aglutinante: El propósito del secado es eliminar el agua del cuerpo cerámico plástico antes de someterlo a altas temperaturas. Generalmente esto se lleva a cabo a menos de 100°C, y puede demorar más de 24 hs. La mayoría de los cimentadores orgánicos pueden extraerse de las piezas cerámicas por calentamiento en un rango de 200°C a 300°C, aunque algunos residuos hidrocarbonados pueden requerir temperaturas superiores. (10).

Mecanismo de secado

El secado de un cuerpo arcilloso crudo es el mecanismo por el cual se elimina el agua que lo humedece. El secado es necesario par que la cocción de un cuerpo se realice adecuadamente. (15) Este es un fenómeno de superficie: el agua de humedad debe migrar hacia la superficie para su evaporación. (14).

Este fenómeno ocurre en tres fases principales que ocurren cronológicamente: 1) Se elimina el agua que llena lo intersticios entre partículas; estas tienden a aproximarse unas a otras produciéndose una primera contracción, es decir, el volumen disminuye de forma proporcional al agua eliminada.

2) Se elimina el que constituye un velo que envuelve a las partículas. Continúa la contracción de la pieza, pero no de forma proporcional al volumen de agua porque comienzan a formarse poros.

16

3) Se elimina el agua que produjo el hinchamiento de las partículas coloidales, o sea, el agua absorbida en los espacios interlaminares del retículo cristalino. En esta fase se anula la contracción y se forman espacios vacíos proporcionales al agua eliminada.

En conclusión, los fenómenos fundamentales que ocurren durante el secado son: Movimiento del agua de dentro hacia fuera de la pieza, y disminución del volumen de la pieza. (16)

La figura1 muestra la circulación del agua desde el interior del retículo arcilloso hacia la superficie donde se forma la capa límite que entra en contacto con la corriente de aire.

También se observa, en la figura 1.2 en una idealizada visión microscópica, la presencia de moléculas bipolares de agua en los bordes de los granos de arcilla, de ahí que se precise cierta energía en esta segunda etapa desecado.

A medida que avanza el secado, las partículas se van aproximando y la contracción aumenta. (14)

17

Figura 1.3: Presencia de moléculas bipolares de agua en los bordes de los granos de arcilla.

Cinética de secado. Transferencia de masa y calor.

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 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 1.3 y 1.4.

Figura 1.4 - Representación esquemática de la forma en que se elimina el agua libre o intersticial mediante el aire que circula sobre la pieza.

18

Figura 1.5 : Representación esquemática de la forma en que se elimina el agua libre o intersticial mediante el aire que circula sobre la pieza.

La cantidad de agua evaporada por unidad de tiempo es constante en esta primera fase, tal como puede verse en la figura 1.5. 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

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 mediante fuerzas electrostáticas 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. (14).

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 m

t c

a * , donde t es el tiempo, m y c es una constante característica de una partícula. En la Figura 1.7 se muestra la evolución de los contactos entre partículas a lo largo del proceso de sinterización. (11)

20

Figura 1.7: Evolución de la micro estructura durante el proceso de sinterización.

Etapas del proceso de sinterización:

El proceso de sinterización en los materiales cerámicos pasa por 4 etapas principalmente como son:

1 - El polvo suelto 2 - La fase inicial 3 - Fase intermedia 4- Fase Final Figura 1.8: Etapas del proceso de sinterización:

Factores que intervienen en le proceso de Sinterización:

1. 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 logramos este efecto.

2. El contacto entre las partículas: A mayor contacto entre las partículas, la reacción que tendrá lugar será mas completa. Esto se puede lograr mediante la consolidación con la presión de moldeo.

3. Tiempo de la residencia: Según la literatura, puede variar de 20 min. a 4 horas, dependiendo de los aspectos antedichos.

21

4. La temperatura: Normalmente entre 900-1100 °C

Proceso de ceramización: Los procesos cerámicos, según Xavier Elías, se pueden dividir en subetapas o subprocesos, llamados procesos 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 pasaríamos al moldeo de las piezas que el mismo puede hacerse de dos formas principalmente por 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 cohesiva y rigidiza el conjunto.

Desde el punto de vista cerámico, el material cocido puede definirse por un cuerpo complejo compuesto de:

1. Fases cristalinas: que ya existían en las materias primas y permanecen inalterables a lo largo del proceso.

2. Fase amorfa: desarrollada durante la cocción según la especie cerámica esta fase pude oscilar de un 50% al 90%.

3. 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.

22

Figura 1.9 : Proceso de densificación.

Más tarde comienza la formación de la fase liquida aunque muy viscosa, a esta temperatura y aumenta la superficie de contacto entre las partículas (figura 4a.) En la medida que el líquido se va introduciendo en los intersticios aumenta la contracción puesto que se van rellenando los poros y se entra de lleno en la fase de densificación (figura 1.9 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

Desde el punto de vista para el ahorro de energía en los materiales cerámicos podemos decir que la primera etapa es una de las más importantes ya que la misma ocurre a temperaturas más bajas.

1.4 Utilización de combustibles en la producción de ladrillos.

En la era actual la producción de ladrillos esta regida por el uso de combustibles, que pueden ser, Gas natural, Coque de petróleo convencional y micronizado, Fuel, Carbón o Biomasa entre otros.

23

conceptos encaminados a reducir el uso de estos combustibles y uno de ellos es la Eficiencia Energética: que no es más que el conjunto de acciones que permiten el ahorro de energía en todas sus tipos: eléctrica, térmica, etc.Es la habilidad de lograr objetivos empleando la menor cantidad de energía posible. Es la capacidad de alcanzar los mayores beneficios en el uso final de la energía con el menor impacto

In document Essays in Regional Integration and International Macroeconomics. (Page 36-39)