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CRITERIOS DE SELECCION DE MATERIAS PRIMAS PARA LA
FABRICACION DE PAVIMENTOS Y REVESTI- MIENTOS CERAMICOS
E. Sánchez; J. García; V. Sanz; E. Ochandio.
Instituto de Tecnología Cerámica de la Universitat de Valencia. Asociación de Investigación de las Industrias Ceramicas
(A.I.C.E.). Castellón
1.- INTRODUCCION
E n la actualidad, en España, se fabrica una amplia gama de productos cerámicos para su uso en el revestimiento de paredes y suelos, de características diferentes y fabricados con diversos siste- mas de producción.
La fabricación de pavimentos y revestimientos cerámicos tiene gran interés en la Comunidad Valenciana, al ser España el tercer productor mundial con unos 200 - 220 millones de m2/año y la producción está muy concentrada en la Comunidad Valenciana. De unas 220 empresas que hay en España, unas 180 están ubicadas en la Comunidad Valenciana.
Por otra parte es un sector eminentemente exportador, con unas exportaciones de unos 65 - 70 millones de m2 al año, alrededor del 40% de la producción, siendo los países de la Comunidad Europea el primer destino de las exportaciones.
En el proceso de fabricación, se parte de un conjunto de materias primas que sufren una trans- formaci6n para alcanzar las propiedades deseadas del producto acabado.
La calidad del producto está relacionada con la composición de materias primas utilizadas y con el procedimiento seguido en su fabricación.
En la fabricación de pavimentos y revestimientos cerámicos se tiene que adaptar a cada caso la composición en función de las características de la pieza cerámica que se desea obtener, y del proceso de fabricación (1).
Las composiciones utilizadas han seguido una evolución en el tiempo unida a los cambios tec- nológicos que ha sufrido el proceso de fabricación, adaptándose a los ciclos de cocción rápida y a la fabricación por cocción simultánea del esmalte y del soporte "monococción". Por otra parte las mayores exigencias del mercado, en cuanto a la calidad de los materiales cerámicos han provocado la utilización de materias primas de mayor calidad y con un mayor grado de elaboración (2).
2.- CRITERIOS DE SELECCION
Los productos cerámicos utilizados para revestir paredes y suelos, se pueden dividir atendiendo a distintos criterios de clasificación, en función de su aspecto, uso al que va destinado, características del proceso de fabricación y propiedades del producto acabado.
2.1.- CLASIFICACION
Estos criterios de clasificación no son excluyentes, estando cada caso particular incluido en los distintos tipos de clasificación utilizada:
2.1.1.- Coloración de la pasta.
En general, los productos fabricados de pavimento y revestimiento, se dividen en dos grandes grupos:
- Productos de pasta blanca. - Productos de pasta roja.
ya no solo por las características del producto acabado, en el que la diferencia fundamental es el color del soporte, sino por el tipo de composición utiliiada, sobre todo en la Comunidad Valenciana, donde se utilizan en la fabricación de productos de pasta roja casi exclusivamente arcillas rojas, mientras que en los de pasta blanca se utilizan una mezcla de materias primas arcillosas y desgrasantes que requieren normalmente un superior grado de molienda.
Como un caso aparte se puede considerar las composiciones utilizadas para la fabricación de productos rústicos que utilizan arcillas de características más similares a las arcillas de cocción blanca, aunque ccn un superior contenido en hierro y se suelen adicionar desgrasantes inertes para reducir la contracción.
En España debido a la disponibilidad de arcillas rojas naturales (con elevado contenido en óxidos de hierro), de características adecuadas, la producción está muy orientada a la fabricación de baldosas de "pasta roja", siendo la producción actual la baldosas cerámicas de "pasta blanca" inferior al 10% de la producción total.
2.1.2.- Uso al que va destinado.
Las baldosas cerámicas se utilizan, mayoritariamente para:
- Revestimiento de paredes. - Pavimento de suelos.
La fabricación española de baldosas cerámicas, ha estado orientada tradicionalmente a la producción de azulejos para revestimientos. Con la introducción del sistema de monococción al inicio de los 80, aumenta la producción de baldosas para pavimento, situándose en el año 1984 en algo más del 30% y en la actualidad alrededor del 50%.
2.1.3.- Características del proceso de fabricación.
Atendiendo a las distintas etapas del proceso de fabricación, se pueden realizar las siguientes divisiones:
a/ MOLIENDA.
- Vía húmeda. - Vía seca.
El proceso de molienda vía seca y humectación tradicional ha evolucionado hacia la granula- ción en los procesos vía seca y se h a introducido en gran medida la molienda vía húmeda, sobre todo cuando los requerimientos de calidad son altos. En estos momentos, en España, se utilizala molienda vía húmeda en una proporción superior al 70%.
bl FORMACION DE PIE=
- Prensado. - Extrusión.
El prensado es el proceso de fabricación utilizado mayoritariamente para la fabricación de baldosas cerámicas, debido a la superior estabilidad dimensional alcanzada con este procedimiento de moldeo. En España la fabricación de baldosas por prensado se sitúa alrededor del 95%, aunque en estos últimos años se está extendiendo la fabricación de gres rústico por extrusión.
c/ COCCION.
En la etapa de cocción, se pueden realizar dos clasificaciones distintas. En función de la duración del ciclo de cocción:
- rápida. - lenta.
y de que la cocción del soporte se realice o no simultáneamente con al del esmalte:
- monococción. - bicocci6n.
La evolución de esta etapa se ha dirigido hacia la máxima reducción de los ciclos (incremento de la productividad) y la realización de una única cocción. En la fabricación de los productos de pavimento, se ha asimilado con mayor facilidad y rapidez estas tecnologías.
2.1.4.- Propiedades del producto acabado.
La clasificación propuesta en la normativa europea EN-87, para baldosas cerámicas, se realiza en función de su capacidad de absorción de agua, de si están o no esmaltados y del procedimiento de formación de pieza, lo que define unas características a cumplir. Los grupos de productos más habitualmente fabricados son los siguientes:
-Baldosas cerámicas prensadas esmaltadas de alta absorción de agua (> 10% ). B 111 GL. ("azulejos").
-Baldosas cerámicas prensadas esmaltadas de mediana absorción de agua. B 11 a GL.
-Baldosas cerámicas prensadas esmaltadas de baja absorción de agua. B 1 GL. Estos dos y p o s incluyen a los productos de gres o pavimento gresificado.
-Baldosas cerámicas prensadas de baja absorción de agua no esmaltados, B 1 UGL. En este grupo se incluye el gres porcelánico.
-Gres extruido rústico sin esmaltar incluido dentro de los grupos de baldosas cerámicas extruidas de media y baja absorción de a y a sin esmaltar. AIUGL y AIIaUGL.
-Algunos otros productos menos mayoritarios:
-Productos prensados de alta absorción de agua sin esmaltar. B 111 UGL.
-Productos prensados de mediana absorción de agua sin esmaltar. B 11 UGL.
-Productos extrusionados de baja absorción de agua esmaltados. A1 GL.
2.2.- CARACTERISTICAS DE LAS COMPOSICIONES
Para la fabricación de una determinada baldosa cerámica, será necesario que la composición cumpla con los requisitos, que impondrá cada una de las opciones elegidas de los distintos criterios de clasificación.
2.2.1.- Coloración de la pasta.
La divisi6n que surge en función de! color de cocción delimitará el contenido en óxidos colorantes de las materias primas disponibles, principalmente en óxidos de hierro. La blancura de las piezas cocidas está en función de dicho contenido en óxido de hierro, aunque es de gran importancia, la forma en que este elemento está presente en las materias primas: integrado en la estructura arcillosa, en forma de distintos compuestos de hierro, como sales solubles de hierro, o en forma de hierro metálico.
Por otra parte depende de la presencia de otros óxidos colorantes, como el óxido de titanio que proporciona una coloración amarillenta, del tipo y cantidad de fase vítrea formada en la pieza cocida, que puede hacer que una mayor o menor proporción de hierro pase a formar parte de esta y de la facilidad de formación de fases cristalina que pueden ocluir el óxido de hierro en su estructura. Las fases cristalinas más corrientes desarrolladas son la formación de mullita a partir de los minerales arcillosos caoliníticos y la de silicoaluminatos cálcicos (anortita) a partir de los minerales arcillosos y de los óxidos de calcio.
Como clasificación muy general, podemos considerar que las arcillas con un contenido en hierro menor del 2% pueden ser utilizadas en los productos de pasta blanca y los desgrasantes con un contenido inferior al 0.5%.
2.2.2.- Usos del producto.
En líneas generales las composiciones utilizadas para pavimento y revestimiento, presentan características especiales en función de las propiedades exigidas para cada uso y en cierto modo algunas peculiaridades de su colocación.
En general los productos de revestimiento son productos a los que se exige una alta estabilidad dimensional que se obtendrá mediante el uso de una composición con una baja contracción de cocción. Esta baja contracción de cocción va unida a una alta porosidad, que además ha supuesto una mayor facilidad en su colocación.
Por otra parte la pieza porosa es muy accesible por el agua, hidratándose las fases amorfas y vítreas presentes, lo que lleva consigo un aumento del tamaño de la pieza cocida y puede llegar a producir curvaturas o cuarteos en el esmalte. Debido a esto, es necesario que las piezas cocidas presenten una elevada proporción de fases cristalinas con mínima presencia de fases amorfas.
La estabilidad dimensional, la alta porosidad y la estabilidad de las fases presentes se consi- gue normalmente con la introducción de.carbonatos de calcio ymagnesio en la composición. Los óxidos de calcio y magnesio reaccionan con las fases amorfas provenientes de la deshidratación de los minerales arcillosos para formar silicoaluminatos cálcicos y magnésicos estables frente a la acción de la humedad.
En las composiciones de revestimiento, se tendrán que introducir arcillas u otras materias primas que aporten 6xidos alcalinoterreos. Las arcillas con una proporción de carbonato cálcico superior al 5%, se consideran típicas de revestimiento.
bl PAVIMENTO.
Los productos de pavimento están normalmente caracterizados por una alta resistencia mecá- nica de las piezas cocidas y en algunos casos por un buen comportamiento frente a la helada. Esto se consigue normalmente con la reducción de la porosidad de las piezas como consecuencia de la formación de fase vítrea. Este efecto fundente se consigue habitualmente con la introducción de materias primas que aporten óxidos alcalinos.
Esta reducción de la porosidad va normalmente acompañada de una alta contracción de cocción que será superior cuanto más baja sea la porosidad de la pieza.
Las materias primas para pavimento deberán aportar óxidos alcalinos en mayor o menor medida, en función de la temperatura de cocción. El aporte de óxidos alcalinoterreos normalmente reduce el rango de cocción y aumenta las deformaciones, por lo que las arcillas con un contenido en carbonato cálcico superior al 5% no se consideran aptas para pavimento.
2.2.3.- Características del proceso de fabricación.
a/ MOLIENDA.
La operación de reducción de tamaño se efectúa para aumentar al reactividad entre los mate- riales y disminuir la incidencia de las impurezas presentes. A esta operación va asociado un tamizado posterior, para la separación de las partículas de superior tamaño.
Un primer aspecto a considerar en las materias primas, relacionado con la molienda, es la dureza de las mismas o su dificultad de desintegración. Algunas materias primas, como pegmatitas, talcos, dolcmitas, e incluso algunas arcillas compactas como la de Moró, son poco adecuadas para su procesado en seco debido a la alta abrasión de los molinos con un aumento de la cantidad de impurezas y a la dificultad de obtención de granulometrías finas, en las instalaciones industriales habituales de preparación de composiciones.
Por otra parte la molienda vía húmeda permite la realización de un mejor tamizado para la eliminación de las impurezas presentes en las materias primas. Esto supone que las arcillas con impurezas de difícil molienda, tales como calizas, dolomitas, piritas, carbón, ... sean más problemá- ticas de utilizar en los procesos de vía seca.
Otro aspecto a considerar es la dificultad de defloculación de la composición, bien porque alguna de las arcillas presentes tenga una plasticidad excesiva o por la presencia de sales solubles floculantes, normalmente sulfatos. Esto hace que una arcilla sea apta o no para su procesado vía húmeda a no ser que se utilice es muy pequeñas proporciones. El uso de composiciones difícilmente defloculables supondrá un costo adicional por el incremento en la cantidad de defloculantes a utilizar, o por los bajos contenidos en sólidos utilizados en la molienda y atomización.
Un posible límite del contenido en sulfatos solubles en arcillas para su uso en molienda vía húmeda es el 0.2%.
bl FORMACION DE PIEZA.
En cuanto al procedimiento de moldeo utilizado en la conformación de pieza, las composiciones utilizadas presentan en ocasiones algunas diferencias.
En los procesos de extrusión, es necesaria una mayor plasticidad que en prensado para el buen funcionamiento de la extrusora. Esta lata plasticidad tiene que ir unida a una baja contracción de
secado y auna alta permeabilidad que facilite el secado y las desgasificaciones durante la cocción. Esto se consigue con el uso de composiciones con una alta proporción de mineral arcilloso plástico y con desgrasantes inertes de granulometría gruesa, normalmente chamotas de arcilla refractaria.
c/ COCCION.
Como ya se ha señalado anteriormente la cocción del soporte y el esmalte pueden realizarse simultánea o consecutivamente, lo que conducirá a los procesos de monococción o bicocción, respec- tivamente.
En los procesos de monococción puede existir una interferencia entre las desgasificaciones que experimentala pieza en el transcurso dela cocción y el esmalte en su fusión, por lo que deben utilizarse preferentemente composiciones con una menor proporción de compuestos que sufran descomposicio- nes, sobre todo si son a alta temperatura y si su tamaño de partícula es grueso.
En monococción se suelen emplear composiciones con una proporción en carbonatos algo más baja que en bicocción y son más problemáticas algunas impurezas como los sulfatos o el carbón ya que se descomponen a alta temperatura.
La cantidad máxima permisible de sulfatos en un proceso de monococción la podríamos situar en un 0.2% en peso de SO,=.
Además, el contenido en materia orgánica es más limitante en los procesos de monococción ya que la accesibilidad del oxígeno necesario para oxidarla, se reduce en el momento en que el esmalte impermeabiliza la pieza. La cantidad máxima permisible de materia orgánica en el proceso de monococción rápida se estima en un 0.3%, medida como carbono total.
En cuanto a la duración del ciclo de cocción, se pueden considerar dos aspectos:
-La presencia de materia orgánica en la composición se ha de oxidar en el transcurso de la cocción. En los procesos de cocción rápida, esta reacción de oxidación en ocasiones limita la velocidad máxima permisible del ciclo de cocción. Se puede estimar que no es aconsejable utilizar en los procesos de cocción rápida composiciones con un contenido en materia orgánica superior al 0.4%.
-La granulometría de las materias primas que intervienen en los procesos de cocción rápida, ha de ser más fina para que se completen las distintas reacciones, sobre todo la de algunas impurezas como las partículas gruesas de calcita "caliches" que necesitan un mayor tiempo para reaccionar con los minerales arcillosos o para descomponerse totalmente. Debido a esto no serán aconsejables para los procesos de cocción rápida arcillas con impurezas sobre todo si se han de procesar vía seca.
3.- ESQUEMAS PRODUCTIVOS
Dentro de los distintos tipos de baldosas cerámicas existentes en el mercado, podemos consi- derar como más significativos, atendiendo a las distintas propiedades del producto final, los siguientes:
- Revestimiento poroso. - Pavimento gresificado. - Gres porcelánico. - Gres rústico sin esmaltar.
Lógicamente, todos los procedimientos de fabricación no se utilizan para producir los diferen- tes productos existentes, ya que las distintas propiedades del producto final hacen más adecuada su fabricación de un modo u otro. A continuación, se detallan las distintas secuencias de fabricación seguidas en cada uno de los casos.
3.1.- RCEVESTIMlENTO POROSO
En la figura 1, se esquematizan los procedimientos más habituales para la fabricación de productos porosos para revestimiento
RAPIDA 1
- - - - - - - - -
VIA SECA
I BICOCCION 1 1 MONOCOCCION I
VIA HüMEDA
Figura 1. Revestimiento poroso.
1 PRENSADO 1
El procedimiento de formación de pieza exclusivamente utilizado es el prensado, debido a l a alta estabilidad dimensional requerida en los productos de revestimiento. Cuando se utiliza la molienda vía seca, la cocción del soporte y del esmalte se realizan generalmente de forma independiente, en un proceso de bicocción, debido a la problemática carga de las prensas y al retraso de las desgasificaciones de las impurezas de mayor tamaño obtenidas por vía seca. Si se utiliza una cocción lenta del soporte, con piezas apiladas, el esmalte se somete a una segunda cocción que puede ser lenta ó rápida.
3.2.- PAVIMENTO GRESIF'ICADO
En este tipo de productos la molienda se realiza mayoritariamente por vía húmeda, ya que la materia prima granulada obtenida, es más apta para una correcta realización de la carga de prensas. La extrusión se utiliza poco debido a los problemas de estabilidad dimensional que presenta, y cuando se utilizava unida a u n a moliendavía seca, lo queva acompañado de esmaltes de acabado más rústico. En todos los casos se utiliza una cocción simultánea del esmalte y del soporte, debido a los problemas que ocasiona el esmaltado de una pieza cocida poco porosa.
En la figura 2, se resumen los esquemas de fabricación más utilizados.
1 VIA SECA 1 1 VIA HUMEDA
- - - -
MONOCOCCION %
Figura 2. Pavimento gresificado.
3.3.- GRES PORCELANICO
Esquema de fabricación utilizado exclusivamente es el correspondiente a la figura 3.
1 VIA HUMEDA 1
1 PRENSADO 1
Figura 3. Gres porcelánico.
En este producto, la molienda es siempre vía húmeda, debido a las finas granulometria y al riguroso tamizado requeridos para alcanzar las características deseadas. El procedimiento de formación de pieza utilizado es el prensado debido a la mayor estabilidad dimensional que proporcio- na. El producto no se esmalta y se decora en la operación de prensado, combinando gránulos de distinto color en masa.
3.4.- GRES RUSTICO
Se utiliza normalmente la molienda vía seca, debido al aspecto rústico de las composiciones y a la necesidad de adición de chamotas de granulometría gruesa. La extrusión, es el procedimiento mayoritariamente utilizado para la formación de pieza por el aspecto más rústico de las piezas, al no requerirse normalmente una elevada estabilidad dimensional y a la menor porosidad superficial de las piezas moldeadas. Las piezas en general no son esmaltadas, y si lo son se fabrican por monococción.
Los esquemas más habituales de fabricación, se resumen en la figura 4.
1 VIA SECA 1
1 MONOCOCCION 1
L 1
EXTRUSION PRENSADO
Figura 4. Gres rústico.
LENTA
4.- COMPOSICIONES UTILIZADAS
RAPIDA
De acuerdo con las características del producto acabado y los distintos esquemas de fabricación normalmente utilizados, se ha de elegir el conjunto de materias primas más adecuadas para la formulación de la ~om'~osición.
r 1
4.1.- REVESTIMIENTO POROSO
Como hemos indicado, para la fabricación de productos porosos de revestimiento, se utilizan composiciones de alta proporción de carbonato cálcico (=15%), para conseguir producto porosos, sin apenas contracción de cocción y estables frente a la acción de la humedad.
En la figura 5 se representa el rango de cocción para este tipo de composiciones. Se puede apreciar como en la zona de trabajo (1080-1 110%) lasvariaciones en la temperatura de cocción afectan poco sobre el tamaño de las piezas (una variación de 10% a la temperatura de cocción repercute en una variación de la contracción de cocción de 0.05-0.10%). Normalmente cuanto mayor es el contenido en carbonato cálcico, y m& refractarios son los minerales presentes en la composición, menor es la variación de la contracción lineal y de la absorción de agua con la temperatura de cocción (4).
Por otra parte la baja contracción de cocción se consigue introduciendo carbonato cálcico y des- grasantes inertes que mejoren la compactación de las piezas y reduzcan la contracción de cocción. Esta baja contracción de cocción, lleva consigo, el que las diferencias de compactación, por variación en la presión 6 humedad de prensado, afecten poco al tamaño de las piezas. En estas composiciones una variación de la densidad aparente de 0.050 g/cm3, equivalente a una variación en la presión de prensado de unos 50 Kg/em2 (51, repercute en una variación en la contracción de cocción de = 0.1 %.
Por último la composición debe presentar una adecuada proporción de minerales arcillosos fundentes para proporcionar la fase vítrea necesaria para obtener la resistencia mecánica en cocido adecuada a la temperatura de trabajo.
Las composiciones utilizadas para la fabricación de revestimiento poroso son totalmente diferentes en función de la coloración del soporte, realizándose una división de composiciones de pasta roja y de pasta blanca.
- --
l OSO
1 m 1110 . 1140
4.1.1.- Revestimiento poroso en pasta roja.
En estas composiciones se utiliza normalmente una mezcla de arcillas naturales de alto con- tenido en hierro, de distinta plasticidad y con contenidos en cuarzo y en carbonato cálcico variables, hasta conseguir las propiedades deseadas (6) (7) y (8).
Las materias primas utilizadas son las siguientes:
Arcilla Contenido en carbonatos Cuarzo Plasticidad
Araya Sichar Mas Ve11 Bugarra Chulilla Geldo Useras Galve Villar Moró
En ocasiones se utilizan adiciones de pequeñas proporciones de arenas, borras y tiesto, para reducir la contracción de cocción.
4.1.2.- Revestimiento poroso en pasta blanca.
En estas composiciones de revestimiento poroso, se utiliza una mezcla de arcillas de distinta plasticidad y bajo contenido en hierro, junto a u n conjunto de desgrasantes para reducir la contracción y como aporte de óxidos alcalinoterreos. En general este tipo de composiciones requiere un alto grado de blancura, por lo que en ocasiones se introducen distintas proporciones de caolín.
Habitualmente se utilizan las siguientes materias primas:
Arcillas Blancura Plasticidad Fundencia Cuarzo
Arcillas de importación ++ +++ Arcillas Nacionales + ++ Caolines +++ ++
Desgrasantes ( Calcita, Dolomita, Arenas, Talcos ... )
4.2.- PAVIMENTO GRESIFICADO
Como hemos indicado, las composiciones de pavimento gresificado son composiciones de baja porosidad.
Son necesarias composiciones fácilmente gresificables, con una formación adecuada de fase vítrea a la temperatura de cocción deseada; fase vítrea que no deberá presentar una viscosidad demasiado baja que pueda proporcionar deformaciones de cocción.
En las composiciones de pasta roja, se utilizan normalmente fundentes alcalinos de las arcillas illíticas y feldespato Na y K en las composiciones de pasta blanca, no siendo aconsejable la presencia de óxidos de calcio, ya que se introducen en la fase vítrea de forma muy acusada y disminuye rápidamente su viscosidad, apareciendo más fácilmente calibres y deformaciones.
Normalmente cuanto más fundente es la composición, existe una mayor variación de la contrac- ción de cocción y de la absorción de agua con la temperatura, en la zona normal de trabajo, siendo más problemáticos los calibres por diferencias de temperatura.
En la figura 6, se representa el rango de cocción de una de estas composiciones. Se puede apreciar como en la zona de trabajo (absorción de agua = 0.4%), una variación en la temperatura de cocción de l P C , repercute en una variación de la contracción de cocción del 0.35 al 0.45% (9).
Para obtener esta baja absorci6n de agua es necesario que la pieza contraiga. Esta alta contrac- ción de cocción es la principal problemática de su fabricaci6n ya que las variaciones de compactación afectan de forma acusada sobre el tamaño de las piezas. En estas composiciones una variación en la densidad aparente en seco de 0.05 glcm3, equivalente a una variación del 2%, afecta a la contracción de cocción en un 0.4-0.5% del orden de 4 a 5 veces más que en las composiciones de revestimiento poroso.
Por tanto se tendrán que formular composiciones que presenten en crudo una baja porosidad, con una distribución granulométrica apta para el empaquetamiento y con una baja pérdida por calcinación y se minimice la contracción de cocción para alcanzar la baja porosidad deseada.
Las composiciones de pavimento gresificado, también son totalmente diferentes en función de que los productos sea de pasta roja o de pasta blanca.
4.2.1.- Pavimento gresificado en pasta roja.
En las composiciones utilizadas para la fabricación de pavimentos gresificados en pasta roja, se utiliza una mezcla de arcillas rojas naturales de distinto contenido en cuarzo y con apenas carbonatos, para alcanzar el máximo grado de compactación junto a una plasticidad adecuada.
Se utilizan las siguientes arcillas rojas:
Arcilla Plasticidad Contenido en cuarzo
Villar plástica Villar arenosa Galve Moró
4.2.2.- Pavimento gresificado en pasta blanca.
En estas composiciones se toma una base de minerales arcillosos similar a la de las composi- ciones de revestimiento, aunque los requisitos de blancura no son tan importantes y sin embargo si lo es el grado de compactación alcanzado, por lo que no se suelen introducir caolines en la composición. Este conjunto de minerales arcillosos, va unido a una serie de desgrasantes fundentes, que a la vez reducen la contracción de cocción necesaria para alcanzar la absorción de agua deseada.
A continuación se resumen algunas características de las materias primas utilizadas:
Arcillas Origen Blancura Plasticidad Fundencia
R.Unido +++ +++ ++ Importaci6n Francia +++ Variable +
Alemania +++ +++ ++
Teruel + + Nacionales Asturias + ++
Desgrasantes ( Feldespato, cuarzo, talco ... ) '
4.3.- GRES PORCELANICO
Las composiciones de gres porcelánico, son composiciones típicas, similares a las de pavimen- to gresificado de baja absorción de agua con algunas peculiaridades. La porosidad abierta ha de ser muy baja (normalmente menor del 0.05%) e incluso la porosidad cerrada no puede ser muy alta. Esto es debido a que es un producto que se fabrica sin esmaltar y para su uso en pavimentos exige al menos una parcial resistencia al manchado. Se necesita pues alcanzar en la composición un alto grado de gresificación lo que va incluido a una alta contracción de cocción.
Para cerrar la mayor parte de los poros se ha de partir de una porosidad muy fina que pueda ser cerrada fácilmente con fase vítrea formada y no deben existir impurezasen la fabricación que produzcan desgasificaciones a altas temperaturas de cocción y aumenten la porosidad interna.
Para obtener estos reducidos tamaños de poro, se han de utilizar granulometrías muy finas en la composición poco aptas normalmente para el empaquetamiento y se obtienen porosidad en crudo elevadas lo que unido a l a alta reducción de la porosidad trae consigo elevadas contracciones de cocción. Se han de utilizar pues, el conjunto de materias primas más adecuado para obtener un máximo grado de compactación a pesar de su granulometría fina, y así reducir la contracción de cocción.
En la figura 7, se representa el rango de cocción de un gres porcelánico típico. Se puede observar como para alcanzar la porosidad deseada las contracciones de cocción son muy altas (=8%) (a pesar de que las presiones de prensado utilizadas son muy superiores a las del gres convencional), y como enla zona de trabajo, apenas afectan las variaciones de temperatura sobre el tamaño de las piezas.
Figura 7 31- COIRKCIOI LlR&-A85M(CIOI Dt * W C T E R í r U T U I L A DE COCC :Ti!,
Figura 8 01- C m l U c I O I L l C M UsorcIOI OI UY If).IRAIUI M CUCIOI
Debido a esta alta contracción de cocción, si afectan mucho sobre el tamaño de las piezas las variaciones de la porosidad en crudo, de forma que una variación de la densidad aparente de 0.05 g/ cm3, lleva consigo una variación en la contracción de cocción del 0.07-0.09% casi el doble que el correspondiente a un pavimento gresificado.
Por otra parte, es de gran importancia la blancura de las piezas cocidas, al no ser los productos esmaltados y si coloreados en masa, estando el desarrollo del color relacionado con el grado de blancura alcanzado. Se tendrían que utilizar pues materias primas con un contenido en hierro y otros colorantes mucho más bajos que para otros usos y a la vez libres de impurezas que puedan aumentar la porosidad interna de piezas cocidas.
Como hemos indicado, las composiciones son similares a las de pavimento gresificado y difieren en el grado de blancura de las materias primas utilizadas, y en la menor proporción de impurezas puntuales, no utilizándose arcillas nacionales, debido a su superior contenido en hierro.
Así pues las materias primas utilizadas, serán:- Arcillas importación (Francia, Alemania, Reino Unido).
Desgrasantes (Feldespatos, cuarzo).
4.4.- GRCES RUSTICO
En las composiciones de gres rústico sin esmaltar, normalmente fabricados por extrusión se utiliza una mezcla de arcillas de distinta fundencia y contenidos en óxidos de hierro y titanio, que proporcionan colores agradables en cocido a baja porosidad. Normalmente se realiza una adición de chamotas de granulometría gruesa para facilitar el secado y la cocción y reducir las contracciones. La adición de una chamota de granulometría gruesa proporciona una variación suave de la contracción de cocción y de la absorción de agua con la temperatura de cocción, debido al buen grado de compactación alcanzado durante la extrusión y el grueso del tamaño de poro.
En la figura 8, se representa un rango de cocción para un pavimento rústico extrusionado. Se puede apreciar como una variación en la temperatura de cocción de 10°C afecta muy poco sobre el tamaño de las piezas (0.05-0.10 % C.L.), aunque si afecta normalmente sobre el color de cocción. Cuando la granulometría de la chamota utilizada es más gruesa, más difícil es reducir el valor de la absorción de agua, aunque se facilita el secado y la cocción.
La principal problemática de la fabricación es la estabilidad dimensional de las piezas, debido a irregularidades en la extrusión y cortado de las piezas y a las variaciones en el agua de amasado que repercuten en distintos valores de la contracción de secado. Una variación del agua de amasado de un 1% se traduce en una variación de la contracción de secado del 0.4-0.5%.
Las materias primas habitualmente utilizadas para la fabricación de gres rústico sin esmaltar son las siguientes:
Arcillas Plasticidad Fundencia Cuarzo
Alcañiz . +++ + + Estercuel + ++ +++ Villar ++ +++ ++
Desgrasantes ( Chamota de arcilla refractaria ).
Como resumen en la figura 9, se indica, para los cuatro tipos de producto estudiados, la proble- mática más importante de su fabricación y sus características más representativas.
5.-CRITERIOS DE SELECCION DE LAS MATERIAS PRIMAS Y COMPOSICIONES
Como hemos indicado, las materias primas deberán seleccionarse en función de las propieda- des del producto que se desea fabricar y en función de las características del proceso de fabricación, y atendiendo lógicamente a otros criterios como disponibilidad, homogeneidad, seguridad en el suministro, precio, etc. A continuación se propone una sistemática de selección y adecuación de una materia prima para un uso determinado.
Lógicamente estos criterios de selección nos definen tambi6n las principales propiedades a controlar, en cada una de las materias primas utilizadas en la fabricación de los distintos tipos de productos. Los procedimientos utilizados para la realización de los distintos controles están amplia- mente detallados en la bibliografía (10).
Dividiremos la sistemática de selección en dos grandes grupos, materiales arcillosos y desgra- santes, ya que los primeros se eligen principalmente en función de las características del proceso de fabricación y los segundos son característicos de los distintos productos fabricados, siendo la selección y controles a realizar, función del papel que tienen en la composición.
.--------A---- ----- ------ ---.--
INFLUENCIA ESTADILlDAD
INPLUENCTA CONFORMACION DIMENSIONAL R E S I S T E N C I A PECULIARIDAD
TEMPERA'rUHA CONDICIONES ALCANZADA MECANICA EXIGIDA
1 REVESTIMIENTO 1
' POROSO
( B I I I G L )
BAJAS CONTRACCIONES BAJA BAJA ALTA
DE SECADO Y COCCION
PAVIIJlENTO ALTA CONTRACCION ALTA
GRES1 FT CADO DE COCCION
(BI GL y B I I a GL)
MEDIA MEDIA
GRES RUSTICO ALTA CONTRACCION BAJA
( A I n G L y A I I a nGL) DE SECADO
GRES PORCELANICO 1 MUY ALTA CONTRACCION BAJA
(DI n GL) 1 DE C o c c I o N
ALTA ALTA
1 B A J A R E S I S T E N C I A I AL ATAQUE
~ QUIMICO
B A J A R E S I S T E N C I A
A LAS MANCHAS
Fi$ira 9 . Tab l J resumen de caracter í s t i c a s .
5.1.- MINERALES ARCILLOSOS
Funciones:
-Material plástico. Como materia prima plástica, actúa como suspensionante, facilita el moldeo de la pieza y proporciona la resistencia mecánica necesaria para su manipulación.
-Aporte de óxidos. Como mineral arcilloso aporta óxidos de sílice y alúmina, que en ocasiones entran a formar parte de la fase vítrea, o forman fases cristalina, por si mismos (mullita) o por reacción con otros óxidos (anortita).
Criterios de selección:
En función de cada uno de los siguientes controles a realizar, una arcilla será adecuada para la fabricación de unos tipos de producto y con un sistema de producción dado.
a/Determinación del contenido en hierro y10 del color de cocción:
- Gres porcel8nico. - Pasta blanca. - Pasta roja. - Gres rústico.
b/ Determinación del contenido en carbonatos,
- Pavimento gresificado. - Revestimiento poroso. - No adecuada por excesiva proporción de carbonatos.
c/ Determinación de las impurezas presentes.
c.1.- Materia orgánica. Ensayo de corazón negro.
- Ciclo rápido. - Ciclo lento. - No apta por excesiva proporción de materia orgánica.
c.2.- Otras impurezas (sulfatos, carbón, piritas,..).
- Ciclo rApido - vía húmeda. - Ciclo rápido - vía seca. - Ciclo lento. - No útil por excesiva proporción de impurezas.
dl DeterminaciOn de la curva de defloculación.
- Vía húmeda. - Vía seca.
eIDeterminación del grado de compactación en unas determinadas condiciones de preparación (densidad aparente en seco).
- Pavimento gresificado. - Revestimiento poroso. - No apta por muy mala compactación.
£/Determinación de la plasticidad y10 resistencia mecánica en seco. - Extrusión. - Prensado. - No apta por excesiva plasticidad. - Apta en poca proporción.
g/ Determinación de la contracción de cocción y absorción de agua a distintas temperaturas de cocción.
- Baja temperatura de cocción. - Alta temperatura de cocción. - No adecuada por excesiva refractariedad ó fundencia.
hl Curva de dilatación.
- Apta. - No apta por alta o baja dilatación o por excesiva proporción de cuarzo libre.
il Curva de Bigot. Agua de amasado-contracción de secado.
- Extrusión. - Prensado. - No apta por excesiva contracción de secado o por dificultad en el secado.
j/ Análisis químicos, mineralógicos y granulométricos para confirmación de los ensayos físicos anteriormente citados.
5.2.- DESGRASANTES
5.2.1.- Feldespatos
Funciones:
- Desgrasante. Aumenta la permeabilidad facilitando el secado y las desgasificaciones de cocción. Mejora la compactación en crudo, disminuyendo la contracción de cocción.
- Fundente. Forma fase vítrea, disminuyendo la temperatura de cocción necesaria para alcanzar la porosidad.
Controles:
- Distribución granulométrica. Todas las propiedades anteriormente citadas, en función de su granulometría.
- Conos de fusión. Nos indicarán el grado de fundencia y algunas impurezas presentes. - Análisis químico y mineralógico. En caso necesario para completar la información anterior.
5.2.2.- Arenas silíceas y feldespáticas
Funciones: - Despasante. Como en el caso de los feldespatos aumenta la permeabilidad, y mejora la com
.
pactación. Facilita la defloculación, pero en exceso reduce la resistencia mecánica en seco y en cocido.
- Aumenta el coeficiente de dilatación. En las pastas de pavimento y revestimiento, habitual mente sólo una pequeña proporción entra en la fase vítrea, manteniéndose como cuarzo de alto coeficiente de dilatación.
Controles:
- Distribución granulométrica.
- Pérdida por calcinación. Para detectar la presencia de minerales arcillosos.
- Control de carbonatos.
- Cono de fusión. A alta temperatura (1 350T), para apreciar color, fundencia e impurezas.
- Análisis químico, para completar la informaci6n y detectar la proporción de feldespatos presentes.
5.2.3.- Carbonatos cálcicos y dolomitas
Funciones:
- Desgrasante. Aunque normalmente de granulometría fina, lo que no mejora l a compactación en crudo, aunque reduce la plasticidad de la composición.
- Aporte de CaO y MgO. Para reaccionar con los minerales arcillosos y formar fases cristalinas estables, y de superior coeficiente de dilatación.
Controles:
- Distribución granulométrica. Relacionada con las propiedades anteriormente citadas y con la temperatura necesaria para completar la desgasificación de los carbonatos.
- Pérdida por calcinación. Nos indicará aproximadamente la pureza del carbonato.
- Análisis termogravimétrico. Para determinar la pureza y la temperatura a l a que se completan las desgasi.ficaciones, detectándose la presencia de algunas impurezas como los sulfatos.
- Color de cocción.
- Análisis químico total y de sales solubles. Con el objeto de completar la información anterior.
5.2.4.- Talco
Funciones:
- Desgrasante. Aunque como normalmente se introduce en poca proporción, su efecto sobre las propiedades de la pieza cruda es limitado.
- Fundente. Con los óxidos alcalinos, normalmente forma eutécticos de fusión que disminuyen la temperatura de cocción necesaria para alcanzar la porosidad deseada o aumenta la resistencia mecánica en cocido.
Controles:
- Distribución granulométrica.
- Contenido en carbonatos. En ocasiones suelen presentar impurezas de dolomita.
- Color de cocción. Para detectar la presencia de algunas impurezas.
-Análisis químico. Para completar información y determinar las proporciones de clorita y talco.
' 5.2.5.- Chamotas
Funciones:
- Desgrasante. De tamaño de partícula muy grueso para facilitar el secado y las desgasificacio nes y disminuir las contracciones de secado y cocción.
- Inerte. Debido a su coloración y elevado tamaño de partícula produce efectos sobre la superficie de la pieza acabada.
Controles:
- Determinación granulométrica. Define completamente su comportamiento en el proceso de fa bricación. -Determinación de impurezas. Debido a su tamaño de partícula muy grueso, las impurezas que puede presentar no se eliminan. Una forma de control puede ser la calcinación en alta temperatura y la detección del óxido de calcio libre con fenolftaleina.
6.- CONCLUSIONES
De acuerdo con lo anteriormente expuesto, existen distintos tipos de productos cerámicos que se-utilizan para pavimento y revestimiento, de características diferentes y fabricados con distintos procedimientos.
Las composiciones se han de adaptar no sólo a las características del producto acabado, sino también a los distintos procesos de fabricación, estando los criterios de selección de las composicio- nes y minerales arcillosos así como los controles de fabricación adaptados a cada caso concreto.
El uso de materiales desgrasantes es normalmente función de las características del producto que se desea fabricar, y los controles a realizar están relacionados con la función que cada materia prima desgrasan.te ejerce dentro de la composición.
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