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Aportaciones de calor en el proceso
Los procesos que precisan calor aparecen sombreados en los diagramas anteriores y son descritos con más profundidad a continuación. Hay otros procesos que en ocasiones también entrarían en esta categoría, como la molturación por vía húmeda que puede realizarse con agua caliente. Por su menor orden de importancia, no los contemplaremos aquí.
La cocción
Es el proceso de mayor demanda térmica dentro de la fabricación de piezas cerámicas (cerca del 70% de la demanda energética total). Supone la elevación de la temperatura de las piezas hasta 900-1.400 °C (en función del material y/o destino). En este proceso tienen lugar los cambios físico-químicos que confieren sus características a los materiales cerámicos.
La cocción puede desarrollarse según diversos procedimientos:
- Cocción en hornos continuos o discontinuos (por lotes)
- Cocción con exposición directa a la llama o aislada de la llama
- Cocción en hornos con atmósfera controlada
La transferencia de calor en los hornos tiene lugar principalmente por convección entre la pieza y la atmósfera del horno, y por radiación entre la pieza y la llama. Dentro de la pieza, la transferencia de calor se realiza por conducción desde la superficie hacia el interior. La cocción exige un control riguroso tanto de la temperatura como del tiempo: las velocidades de calentamiento y de enfriamiento son críticas para evitar daños a las piezas tratadas.
Los gases de salida del horno de cocción (en el caso de procesos continuos) pueden dirigirse hacia el secado, con lo que se recupera parte del calor que aún contienen estos gases. En hornos túnel, de tipo continuo, la temperatura de las piezas va sufriendo una variación al ir avanzando en el horno. En las primeras etapas el calentamiento se realiza aprovechando los gases calientes procedentes de la zona de alta temperatura y no suelen colocarse quemadores. Éstos, se sitúan en la zona de alta temperatura. Tras atravesar dicha zona, las piezas sufren un enfriamiento controlado, introduciendo aire exterior. El horno continuo basa su eficiencia en el funcionamiento ininterumpido; cuando por razones operativas o de mantenimiento hay que apagarlo, pueden surgir problemas de calidad en las piezas, durante las fases de enfriamiento o posterior calentamiento en la subsiguiente puesta en marcha hasta llegar a la temperatura de régimen. Estos problemas son más graves con el gasóleo, porque puede generar inquemados. En hornos de tipo discontinuo el aporte de calor comienza una vez que las piezas se encue ntren en el interior del horno. La elevación de la temperatura ha de seguir una curva determinada (como en los hornos continuos) para evitar el deterioro de las piezas. Alcanzada la temperatura de cocción, ésta debe mantenerse durante el tiempo suficiente como para que toda la masa de la pieza adquiera esta temperatura y puedan tener lugar los procesos físico-químicos que transforman el producto de partida en material cerámico. Finalmente se produce el enfriamiento controlado, ya sin aporte de calor; cuando concluya, se abrirá el horno y se extraerán las piezas. La temperatura alcanzada durante la cocción de las piezas determina una nueva clasificación de los productos cerámicos, según se indica en la tabla adjunta.
Las temperaturas anteriores corresponden a la cocción del bizcocho o bizcochado. La cocción del esmaltado y de la decoración tiene lugar a temperaturas algo inferiores a la correspondiente al bizcocho, con el fin de evitar daños en éste o en los colores cerámicos.
El control del tipo de atmósfera en el interior de los hornos de cocción suele ser importante. La cocción del bizcocho se realiza en atmósfera oxidante (con exceso de aire), para eliminar toda la materia orgánica que pueda acompañar al cuerpo. La cocción del esmaltado y la decoración puede requerir atmósfera reductora (con defecto de aire), como cuando se trata de obtener reflejos metálicos o determinados colores. En los hornos continuos es posible variar el tipo de atmósfera a lo largo del túnel, actuando sobre la introducción del aire.
El secado
Tras el conformado de la pieza es preciso eliminar la mayor cantidad de agua posible para evitar que sufra deformaciones o fracturas durante la cocción. El secado se realiza mediante el aporte de calor a la pieza. Este aporte puede tener lugar básicamente por dos procedimientos:
- Secado por aire caliente, a 50-80 °C
- Secado por infrarrojos
Una tercera vía de secado consiste en el secado por deshumectación a baja temperatura, en el que se elimina la humedad de la corriente de aire mediante un enfriamiento con condensación del agua para, posteriormente, volver a calentar el aire. Finalmente hay industrias que simplemente dejan las piezas secar en el medio ambiente. El proceso de secado puede realizarse mediante un procedimiento continuo (el sistema más habitual) o por lotes (destinado a pequeñas series). Finalmente se debe indicar que en algunos procesos en los que la atomización ha eliminado una gran cantidad de agua, no se requiere el secado, pasando las piezas tras el conformado en seco directamente a la cocción (en las primeras etapas de la cocción tiene lugar el secado final).
La atomización
El proceso de atomización consiste en eliminar una gran parte del agua contenida en el producto resultante de la molturación por vía húmeda (la barbotina): la humedad se reduce desde el 50% hasta el 20-25% (valores aproximados). La eliminación del agua se realiza mediante la exposición de la barbotina dividida en pequeñas partículas a una corriente de aire caliente. Para la pulverización de la barbotina se pueden utilizar dos métodos:
- Bombeo y pulverización por alta presión
- Proyección sobre un disco que gira a gran velocidad
En general la corriente de aire caliente se produce mediante quemadores en vena de aire, baterías de vapor o intercambio directo en generadores de aire caliente.
También es posible la utilización de sistemas de cogeneración con gases a 500 °C.
La fusión de fritas
Los hornos de fusión de fritas son similares a los hornos de fusión de vidrio. En un recipiente se añade la mezcla de materias primas de partida y se eleva la temperatura habitualmente por aplicación directa de una llama. El proceso puede ser continuo, introduciéndose las materias primas por un extremo y extrayéndose la frita fundida por el extremo opuesto. La elevada temperatura alcanzada (del orden de 1.400 °C) exige la utilización de llamas enriquecidas con oxígeno en los quemadores.
Conclusión
La utilización de uno u otro combustible para la fabricación en el sector cerámico vendrá determinada principalmente por las necesidades del horno de cocción. El resto de las demandas de calor son inferiores en cantidad, aunque, en determinadas ocasiones, pueden justificar la utilización de combustibles diferentes a los del horno por la mejora de rendimientos o calidades (caso de quemadores en vena de aire para el secado o la atomización) o para ahorrar costes en procesos no críticos (como el secado por orujillo o leña en fábricas de cerámica roja).
