Instrumentación y Sistemas de Control para Procesos Industriales

Convenio I.E. General Santander – Universidad de Pamplona

Lección 1: Generalidades del Proceso Cerámico

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Módulo 1:  Generalidades del proceso cerámico

LECCION 1.- GENERALIDADES
1.- Introducción. Definición.

Pocos sectores del campo de los materiales se han desarrollado tan rápidamente en los últimos años como el de los materiales cerámicos, debido a su mayor estabilidad, tanto mecánica como química a las altas temperaturas. En la actualidad, los materiales cerámicos son productos de gran interés en el campo de la Ingeniería, siendo sus principales limitaciones en el uso las siguientes: su fragilidad, que está ligada a la limitada resistencia al choque térmico y su fabricación, en términos de formación y dimensiones.

Los silicatos naturales se han venido utilizando como materia prima desde los tiempos primitivos, sin embargo, además de los silicatos mencionados, progresivamente han ido entrando a formar parte de la: materias primas cerámicas, un sin número de compuestos como óxidos puros: (MgO, Al2O3, ZrO2, etc.), carburos, boruros, nitruros, siliciuros, etc., por lo que la antigua definición de Cerámica como la ciencia relacionada con la industria de los silicatos ha perdido prácticamente su dimensión y por lo tanto se puede dividir la Cerámica en dos categorías: Cerámica Clásica (porcelana, mayólica, refractarios tradicionales,etc.) constituida fundamentalmente por silicatos y Nuevos Productos Cerámicos.

Actualmente, se entiende por material cerámico cualquier material inorgánico, esencialmente no metálico, y que es generalmente frágil. Según esta definición entran dentro de los materiales cerámicos los materiales inorgánicos no metálicos obtenidos por fusión, como los vidrios, refractarios electrofundidos y ligantes hidráulicos (cementos, etc.).

El parámetro que diferencia los materiales cerámicos de los metales y polímeros orgánicos es el tipo de enlace químico, es decir la estructura electrónica. Los materiales cerámicos presentan enlaces iónicos y covalentes, los polímeros orgánicos presentan enlaces covalentes y los metales presentan enlace metálico.

Así como los metales presentan estructura cristalina y los polímeros orgánicos estructura amorfa, losproductos cerámicos suelen estar constituidos de fase amorfa y/o cristalina.

Además de la estructura atómica, es importante resaltar el interés de la microestructura, es decir el tipo y distribución de las fases cristalinas que componen los materiales. La microestructura influye sobre la resistencia mecánica, elasticidad, comportamiento al choque térmico y al ataque químico, resistencia eléctrica, etc.

Existe un gran número de factores que influyen en las características de los productos cerámicos, entre ellos se pueden destacar la composición química y mineralógica, su estructura cristalina y amorfa, coexistencia de fases, límites de solubilidad de sustancias extrañas en el constituyente principal, crecimiento de partícula cristalina, comportamiento a la cocción, deformaciones elásticas y plásticas bajo presión mecánica, resistencia a la corrosión de diversos agentes a diferentes temperaturas, propiedades eléctricas y térmicas, en función de la composición y la estructura, etc.

Concepto de pétreos artificiales:

Llamamos pétreos artificiales a aquellos materiales que tienen características similares a los naturales o por lo menos aspecto, habiendo sido obtenidos mediante un proceso de fabricación, a partir de rocas naturales como materias primas, con la intención de conseguir mejorar alguna de las propiedades de los pétreos naturales y sobre todo por economía al permitir conseguir piezas complejas por simple moldeo evitando la talla.

Existen tres tipos básicos de pétreos artificiales:

Cerámicos: Propiamente dichos. Se obtienen por transformaciones físico-químicas de las arcillas mediante el calor, moldeándose previamente las piezas gracias a la plasticidad que adquieren las pastas arcillosas con cierto contenido de agua.

Vidrios: De carácter cerámico, se obtienen sin embargo de forma distinta al fundir óxidos silícicos a alta temperatura, logrando una masa vítrea que se moldea y adquiere rigidez al enfriarse.

Aglomerantes: Obtenidos por la acción del calor sobre materias primas naturales, consigconsiguiéndose un producto anhidro o semianhidro que tiende a reaccionar con el agua en un proceso químico denominado hidratación con efectos físicos de solidificación y mecánicos de adquisición de resistencias. Su moldeo en forma de pastas con agua, y en ocasiones con áridos, permite obtener en frío, piezas similares a los pétreos naturales.

2.-Historia:

El ladrillo es el primer material creado por el dominio de la inteligencia humana sobre los cuatro elementos: tierra, aire, agua y fuego. Ese material, tan dócil y humano -en el que el barro, tras laborioso amasado, hábil moldeo y paciente secado, se hizo piedra al calor de un fuego penosamente encendido- presente, ya, características y morfología, en sus fábricas, netamente específicas y totalmente diferentes de las de las piedras naturales.

El hombre ha intentado imitar la piedra natural casi desde su origen, tanto en zonas donde esta no abundaba como por conseguir piezas de forma rápida y sencilla.

La cerámica es el primer pétreo artificial que se conoce por su utilización en cuencos y útiles caseros de alfarería, siendo tan extendida su fabricación que son uno de los elementos principales de estudio para los arqueólogos, tanto por su buena conservación como por sus características peculiares en cada civilización.

Es en Mesopotamia y Caldea donde se utiliza por primera vez en construcción, tanto como arcillas sin cocer o adobes como cocida e incluso vitrificada para darle impermeabilidad.

Los primeros ladrillos de que se tienen noticias, pertenecían a uno de estos dos tipos: una pasta de arcilla con pedazos de paja que trabara la masa y secado al sol, o una masa de arcilla cocida al fuego.

Los romanos usaron ampliamente este material, que eran siempre cocidos al fuego y de gran tamaño. En muchas ciudades del mundo dominadas por los romanos, quedan muros, arcos y bóvedas y otros elementos estructurales construidos con ladrillos.

El uso de los cerámicos en Roma se extiende enormemente en forma de ladrillos macizos o ” tégulas” de cubrición. Ejemplos importantes como el Teatro de Mérida se encuentran en España.

Es a los árabes sin embargo, a los que corresponde revalorizar este material en España, ya que durante su dominación dejaron muestras de la exquisita técnica ladrillera en obras como la Mezquita de Córdoba, la Giralda de Sevilla, la Alcazaba de Granada, etc.

Los árabes, que retoman muchos elementos de las construcciones romanas, darán enorme importancia a este material y lo usan profusamente tanto en ladrillos como en tejas, pavimentos y revestimientos vidriados.
En España la arquitectura mudéjar sigue esta tradición por el uso de materiales cerámicos y en Europa tiene fuerte influencia como por ejemplo en el gótico inglés.

Con menos repercusión, la cerámica se utiliza en el Renacimiento y Barroco y muy poco en el Neoclásico.
En la actualidad, la arquitectura española obtiene grandes éxitos en la aplicación de los ladrillos, lo mismo como elemento constructivo que como elemento decorativo. Con las nuevas tecnologías, el uso de materiales cerámicos en todas las partes constructivas de las obras, está sumamente extendido, tanto en obra oculta como vista, en exteriores como en interiores.

Desde el moldeo a mano de los ladrillos y su posterior secado a la intemperie, hasta las actuales máquinas de moldeo con rendimiento de varios miles de piezas/hora, el subsiguiente secado artificial y posterior cocción en hornos continuos, ha habido que recorrer un largo período de tiempo, perfeccionando día a día la maquinaria, y del ladrillo macizo se pasó al ladrillo hueco y de éste a las grandes piezas que se emplean, por sus dimensiones y formas, en fases específicas de la edificación.

3.- Clasificación de los productos cerámicos:

Los materiales cerámicos tradicionales se fabrican a elevadas temperaturas. En estos materiales, por lo menos uno de los componentes permanece sólido. En la cocción se presenta una mayor o menor cantidad de fase vítrea según se produzca la fusión de uno o varios componentes. Si la temperatura es tal que lleva a la fusión de todos los componentes, el proceso se denomina de fritado.

Los materiales cerámicos presentan generalmente una estructura más o menos porosa, dependiendo del tipo de producto y de la técnica de fabricación. A causa de esta estructura, algunos productos cerámicos deben recubrirse de un revestimiento vítreo impermeable, ya sea por exigencias prácticas o por estéticas y decorativas.

En la tabla 3.1 se presenta la división de los materiales cerámicos y en las tablas 3.2 y 3.3 la clasificación de los productos cerámicos tradicionales.

Un esquema del proceso de fabricación de los materiales cerámicos se detalla en la figura 3.1.

Tabla 3.1.- División de los materiales cerámicos.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 




 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.- Descripción de algunos productos cerámicos:

En este apartado nos vamos a limitar a dar algunas indicaciones cualitativas sobre las principales variedades, como los tipos de pasta, características del producto, presencia de revestimiento, etc.

Ladrillos y tejas:

Tipo de pasta: sencillo, constituido por una o varias arcillas calcáreo-ferruginosas.
Características del producto: más o menos poroso, con color variable, desde el amarillo hasta el rojo intenso.

Tipos de producto: ladrillo macizo o hueco, tejas, bovedillas, celosías, etc.

Refractarios:

Tipo de pasta: compuesto constituido generalmente por arcillas refractarias y chamotas y también por materias primas especia les, como alúmina, magnesita, etc.

Características del producto: más o menos poroso, de color variable, desde el blanco hueso hasta el gris oscuro, según la materia prima original.
Revestimiento: no presenta

Variedades: se subdividen de acuerdo con las materias primas originales.

Tipos de producto: ladrillos refractarios normales, ladrillos de formato especial para bóvedas y paredes de hornos metalúrgicos, cerámicos y de vidrios, piezas especiales para los mismos, so-portes para la cocción de piezas cerámicas, etc.

Mayólica:

Tipo de pasta: constituida por una o varias arcillas calcó reo-ferruginosas.
Características del producto: medianamente poroso, color variable desde el rosado al rojo claro.
Revestimiento: esmalte transparente o esmalte opaco.
Tipos de producto: vajillas, vasijas y azulejos de revestimiento y pavimento.

Loza:

Tipo de pasta: compuesto constituido por arcillas blancas con feldespatos, cuarzo, carbonatos, talco, etc.
Características del producto: más o menos poroso y de color blanco a blanco grisáceo.

Variedades: según intervenga en la mezcla la caliza o los feldespatos como fundentes se subdividen en lozas blandas y lozas fuertes.
Tipos de producto: vajillas de mesa, objetos artísticos, azulejos de pasta blanca.

Gres:

Tipo de pasta: compuesta generalmente por arcilla más o me nos blanca, cuarzo y feldespato, menos en casos de terracota vitrificada y de gres salado cuya mezcla sencilla está constituida por una o varias arcillas ferruginosas no calcáreas.
Características del producto: compacto y de colores natura les o artificiales.
Tipos de producto: piezas de pavimento, mosaico, tubos, codos para cañerías y aisladores eléctricos.

Porcelana:

Tipo de pasta: constituido en general por caolines, arcillas, cuarzo y feldespatos menos en las porcelanas especiales que pueden contener otros elementos.
Características del producto: compacto, blanco más o menos traslúcido.

Revestimiento: esmalte vítreo transparente

Variedades: porcelana para vajilla, porcelana sanitaria, porcelana eléctrica, cordierítica, etc.

5.- Datos estadísticos:

En la tabla 5.1, se detalla la evolución de la producción de los productos cerámicos más significativos empleados en construcción en los últimos diez años. Como puede observarse, superada la crisis del sector de la construcción que tuvo lugar en España al principio de los 90, tanto la producción total como la facturación han recuperado al menos los valores correspondientes a los últimos años de la década anterior.
Estas cifras ponen de manifiesto el escaso o nulo aumento del precio medio del producto a lo largo del período de tiempo considerado, lo que significa que solamente las empresas competitivas, es decir, aquellas empresas que han podido o han sabido optimizar los costes de producción son las que han sido capaces de mantenerse en estos últimos años.

En efecto, como refleja esta misma tabla, la reestructuración del sector que ha tenido lugar en estos últimos años se ha visto plasmada en una reducción importante del número de
empresas y trabajadores, aunque la capacidad de producción sí ha recuperado los niveles propios del principio de esta década.

Tabla 5.1.- Evolución de la producción de los productos cerámicos.

Durante los años 1998 y 1999 se registró un crecimiento en la demanda tan fuerte que en algunas zonas de España (Andalucía, Madrid y Barcelona) los plazos de entrega de ladrillos alcanzaron los seis meses. Como resultado del desequilibrio entre la demanda y la oferta se produjo un importante aumento de los precios (de 4.2 céntimos$/unidad a 14.4 c$/unidad) que en realidad no vienen sino a compensar la estabilidad o bajada de precios de períodos anteriores.

En los últimos años se ha producido un significativo aumento de la capacidad de producción del sector por la entrada en funcionamiento de una serie de nuevas plantas construidas entre el año 1998 y el año 2000 (25 nuevas plantas de producción con una inversión total que rondará los 451 M€). El nivel de producción, en el año 2000, se cifró en 23 545 764 t (71351 t/día), lo que supuso un incremento de la producción con respecto a 1999 de 2 568 654 t (7784 t/día). Los precios ahora se han estabilizado en el entorno de los 6 c$/u.

Para alcanzar tales producciones ha sido necesaria la introducción de una serie de innovaciones técnicas y tecnológicas que son las que han permitido generar un mayor número de productos para hacer frente a la formidable demanda. La figura 5.1 refleja la evolución de la producción por tipos de productos en el período 1990 – 2000.

Figura 5.1.- Evolución de la producción por tipos de productos en el período 1990 – 2000.

Otro factor que ha condicionado sobremanera el aumento de la producción han sido las nuevas instalaciones de alta producción automatizadas. Destacan sobre todo las plantas de bloques de gran formato, en detrimento de otro tipo de ladrillo hueco de menor tamaño. Todo ello ha dado como resultado la desaparición de instalaciones obsoletas y la instalación de industrias de elevada producción y rentabilidad.

Las empresas fabricantes de materiales para la construcción de arcilla cocida se distribuyen a lo largo y ancho de todo el país, no existiendo, salvo algunas excepciones (como es el caso de las provincias de Toledo y Barcelona donde se ubica aproximadamente el 25% de la producción nacional) áreas de elevada concentración industrial. El 31 % de la producción nacional se fabrica en las provincias lindantes con el Mediterráneo, desde Girona hasta Murcia. Por otro lado, la mitad norte del interior de la península mantiene un valor de aproximadamente el 25% y la parte meridional asciende al 27.2%.

La industria de ladrillos y tejas ha seguido una clara tendencia a la mejora de la eficiencia con una reducción en el número de compañías y un mantenimiento o incluso incremento de la producción. De acuerdo con HYSPALIT, la tendencia previsible será la reducción en el número de fábricas a un total de 200 debido a que todavía existen 162 hornos Hoffman en pequeñas fábricas que suministran a mercados rurales con escasos requisitos en cuanto a la calidad de los productos.

El mapa de la figura 5.2 incluye la distribución de la capacidad de producción española por provincias en el año 2000.

Figura 5.2.- Distribución de la capacidad de producción española por provincias en el año 2000.
Alrededor de un 80 % de las compañías de ladrillo cara vista y la totalidad de las de teja prensada (más de 40 empresas) han obtenido la certificación de AENOR por cumplir la norma ISO 9002.

En el año 2001, el consumo de arcillas para pastas rojas en España fue de 33 Mt (100210 t/día), con las que se fabricaron 26.45 Mt de productos (80168 t/día). La distribución del mismo por comunidades autonómicas puede verse en la tabla 5.2, mientras que la figura 5.3 recoge el tanto por ciento de participación de las principales provincias consumidoras.

Figura 5.3.- Tanto por ciento de participación de las principales provincias consumidoras de arcillas para pastas rojas.


Otros consumos dignos de mención, dentro del proceso de fabricación, son unos 4.57 hm3 de agua de amasado y para la generación de vapor, 1139791 MW de energía eléctrica y 1112020 tep de combustibles.
Entre los costos de fabricación, destaca el costo energético, que puede alcanzar el 30 % del total. Las materias primas, fundamentalmente la arcilla, suponen un 15 %.

Tabla 5.2.- CONSUMO NACIONAL DE ARCILLA PARA CERÁMICA ROJA (2001).

La distribución del consumo de arcillas cerámicas en 2001, que pasó de 45 Mt, puede verse en la tabla 5.3.

Tabla 5.3.- Distribución del consumo de arcillas cerámicas en 2001.

Los consumos medios de materia prima, tanto sea de soporte en pasta blanca como en roja que se han utilizado en las estimaciones, son aproximadamente:

18 -22 kg/m2 para revestimiento

20 -25 kg/m2 para pavimento

La figura 5.4 muestra la producción y exportación de pavimento y revestimiento cerámicas en los últimos años. España crecía hasta 1988 manteniéndose casi constante entre ese año y 1991. En la última década, el sector ha experimentado una fuerte reactivación cifrándose su producción en 2000 en 621 millones de m2, con un total de ventas de 3606 M€. Las exportaciones también han venido creciendo en los últimos años. En el 2000 se exportó más del 50% de la producción por un importe de 1875 M€.

Figura 5.4.- Producción y exportación de pavimento y revestimiento cerámicas.


El análisis del destino de las exportaciones por áreas geográficas descrito en la figura 4.5 pone de manifiesto la gran competitividad del producto español, con una gran penetración en los mercados europeo y norteamericano, ambos con gran poder adquisitivo y alto nivel de exigencia.

Figura 5.5.- Exportación de baldosas cerámicas.


Esta gran expansión experimentada por las industrias de pavimento y revestimiento cerámicos, las ha convertido en uno de los sectores más dinámicos y competitivos del Estado Español que además acaba de sobrepasar a su más directo competidor: Italia.

Este subsector industrial está constituido en España por unas 230 empresas, el 80% de las cuales, que fabrica más de 90% de la producción total, están concentradas en la provincia de Castellón (municipios de Alcora, Onda, Castellón, Villarreal, Nules, San Juan de Moró y Villafamés). El sector emplea a más de 23 000 trabajadores.

En la tabla 5.4 se muestran las principales empresas españolas fabricantes de baldosas.

Tabla 5.4.- Principales empresas españolas de baldosas

1. Porcelanosa, S.A.
2. Taulell, S.A.
3. Venis, S.A.
4. Pavimentos Mediterraneos, S.A.
5. Cerámica Saloni, S.A.
6. Vives Azulejos y Gres, S.A.
7. Cerámicas del Foix, S.A.
8. Azuvi, S.A.
9. Grespania, S.A.

En la tabla 5.5 se recoge la producción en kt de arcilla común de Estados Unidos, España, Reino Unido y la República Checa durante el quinquenio 1997-2001. España es probablemente el primer productor y consumidor mundial de arcillas rojas.

Tabla 5.5.- Producción en kt de arcilla común de Estados Unidos, España, Reino Unido y la
República Checa.

Fuentes: Czech Geological Survey; Min. Comm. Summ.,2002 USGS; UK National Statistics. Estimaciones IGME.

En la figura 5.6 pueden verse los datos del sector de la construcción de viviendas, donde se da la evolución desde el año 1980 al 2002 de las viviendas iniciadas, las terminadas, la actividad de la edificación y de los proyectos visados.

Figura 5.6.- Evolución de las viviendas iniciadas, las terminadas, la actividad de la edificación y de los proyectos visados.


Written by pgalvisvera

5 febrero, 2011 a 22:43

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