ES2992589T3 - Ceramic particulate mixture comprising coal combustion fly ash - Google Patents

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Abstract

La presente invención se refiere a una mezcla de partículas cerámicas granuladas en seco, no secada por aspersión, que comprende al menos un 40 % en peso de cenizas volantes de combustión de carbón y entre un 4 % en peso y un 9 % en peso de agua, en donde al menos el 90 % en peso de las partículas tienen un tamaño de partícula de entre 80 μm y 600 μm. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Mezcla de partículas cerámicas que comprende cenizas volantes de combustión de carbón
Campo de la invención
La presente invención se refiere a mezclas de partículas cerámicas que comprenden cenizas volantes de combustión de carbón. Las mezclas de partículas cerámicas se pueden utilizar en procesos de producción de cerámica, tales como procesos de producción de baldosas cerámicas. La presente invención también se refiere a un proceso para fabricar las mezclas de partículas cerámicas. El proceso es eficiente (especialmente eficiente energéticamente), respetuoso con el medio ambiente y evita la necesidad de una etapa de secado por pulverización mientras produce mezclas de partículas cerámicas que tienen buenas propiedades físicas, tales como fluidez, y que son adecuadas para la producción de artículos cerámicos de alta calidad tales como baldosas para pisos, especialmente baldosas de porcelana para pisos. La presente invención también se refiere a un proceso para fabricar un artículo cerámico, y la presente invención también se refiere a un artículo cerámico.
Antecedentes de la invención
Muchos artículos cerámicos, tales como baldosas, se fabrican actualmente a partir de mezclas de partículas cerámicas que se preparan mediante secado por pulverización. En estos procesos de secado por pulverización, las materias primas cerámicas, como arcillas y/o feldespatos, se forman en suspensiones acuosas y luego se secan por pulverización para formar la mezcla de partículas cerámicas. Luego, las partículas se prensan juntas bajo alta presión para formar un artículo verde.
Un acabado de superficie suave de alta calidad del artículo verde puede ser muy beneficioso para los artículos cerámicos, como las baldosas de porcelana para pisos. Un acabado suave reduce la cantidad de engobe y esmalte que podría ser necesario en cualquier etapa de esmaltado posterior. Una superficie suave también reduce la cantidad de alisado y pulido de la superficie del artículo cerámico que podría ser necesario.
El artículo verde luego se somete a cocción en un horno para fusionar y sinterizar las partículas primarias individuales para formar el artículo cerámico final.
Sin embargo, la preparación de la mezcla de partículas cerámicas mediante secado por pulverización requiere mucha energía para secar la suspensión acuosa. Los intentos de reducir este requerimiento de energía han llevado al desarrollo de procesos sin secado por pulverización, como los procesos de granulación en seco, para preparar la mezcla de partículas cerámicas. Estos procesos de granulación en seco evitan la necesidad de formar una suspensión acuosa y, por lo tanto, utilizan cantidades mucho menores de agua que los procesos tradicionales de secado por pulverización. En consecuencia, estos procesos de granulación en seco utilizan menos energía en comparación con el secado por pulverización, al evitar la necesidad de evaporar el exceso de agua que se requiere para formar una suspensión acuosa.
Más recientemente, los fabricantes de cerámica han buscado incorporar niveles más altos de material reciclado en el artículo cerámico mediante la granulación en seco de material reciclado con otras materias primas cerámicas como arcillas y/o feldespatos. Un material reciclado adecuado es la ceniza volante de combustión de carbón. Sin embargo, la inclusión de la ceniza volante de combustión de carbón en el proceso de granulación en seco puede hacer que la mezcla de partículas cerámicas granuladas en seco presente problemas de calidad. Estos problemas se agravan con la inclusión de niveles crecientes de ceniza volante de combustión de carbón. Además, existe la necesidad de mejorar la eficiencia del proceso y los requisitos energéticos de dichos procesos, por ejemplo, reduciendo la intensidad energética del proceso.
Sin querer limitarse a ninguna teoría, los inventores creen que las cenizas volantes de combustión de carbón difieren de otros ingredientes de materias primas cerámicas, como arcillas y feldespatos. Las cenizas volantes de combustión de carbón suelen tener la forma de esferas vítreas lisas, mientras que las arcillas y los feldespatos tienden a tener la forma de partículas de forma muy irregular. La diferencia en las formas de las partículas entre las cenizas volantes de combustión de carbón y los demás ingredientes de materias primas cerámicas, como arcillas y/o feldespatos, dificulta la formación de una mezcla de partículas homogéneas durante un proceso de granulación en seco. Por ejemplo, las esferas vítreas lisas de las cenizas volantes de combustión de carbón no son susceptibles a los mecanismos de entrelazado partícula:partícula que pueden ayudar a unir las partículas de forma irregular de las arcillas y/o feldespatos durante los procesos de granulación en seco, como la compactación con rodillos. Esto puede dar lugar a problemas como una menor robustez y un mayor nivel de material precursor fino que no se ha incorporado a partículas más grandes. Esto genera una rugosidad superficial no deseada en el artículo verde resultante, lo que a su vez puede generar una apariencia visual deficiente del artículo cerámico resultante.
Pueden surgir problemas cuando se comprimen mezclas de partículas cerámicas para formar el artículo verde, especialmente cuando las mezclas de partículas cerámicas son mezclas de partículas cerámicas granuladas en seco que no se secan por pulverización. Las partículas granuladas en seco son más difíciles de triturar y deformar que las partículas secadas por pulverización. Esto puede causar un problema particular con la textura de la superficie del artículo verde. Incluso si las superficies de la prensa y del molde son completamente lisas, la estructura residual de las partículas granuladas en seco más grandes cerca o sobre la superficie le da a la superficie de los artículos verdes una textura de “piel de naranja”. Cuanto más fuertes y menos deformables sean los gránulos, más pronunciada será la formación de hoyuelos en la superficie. Dicha formación de hoyuelos se trasladará a la textura de la superficie del artículo cerámico cocido y no es adecuada para baldosas de porcelana de alta calidad. Debe solucionarse, por ejemplo, mediante el pulido de la superficie o niveles más altos de esmaltado. Dicho procesamiento adicional puede ser técnicamente complejo y costoso. El uso de presiones de compactación muy altas para intentar superar esta formación de hoyuelos triturando completamente las partículas más grandes hace que el equipo de procesamiento sea muy pesado, costoso y caro debido a las enormes fuerzas involucradas.
La presente invención supera este problema al proporcionar una mezcla de partículas cerámicas granuladas en seco no secada por pulverización que comprende cenizas volantes de combustión de carbón. Los inventores han descubierto que la calidad de la superficie del artículo verde resultante se puede lograr mediante un control cuidadoso del rango de tamaño de partícula y la distribución y el nivel de agua. Además, las características físicas como la fluidez se pueden mantener en niveles aceptables.
La producción exitosa de artículos cerámicos, como baldosas de piso de porcelana, a partir de mezclas de partículas cerámicas que contienen niveles significativos de cenizas volantes de combustión de carbón requiere, por lo tanto, un equilibrio de diferentes requisitos de calidad que se puede lograr mediante un control cuidadoso del rango de tamaño de partícula y el nivel de humedad de la mezcla de partículas cerámicas.
El documento US2016/053162 se relaciona con gránulos secados por pulverización. Estos gránulos pueden contener cenizas volantes.
El documento US2007/059528 se refiere a arcilla de caolín calcinada.
El documento US5028569 se refiere a gránulos cerámicos.
Database WPI, week 201042, Thomson Scientific, Londres GB, AN 2010-F55217 & CN 101 705076 se refiere a un método de pulverización y clasificación por aire de polvo cerámico.
Database Inspec, The Institute of Electrical Engineers, Stevenage GB, Abril 1973 (173-04), Spary AW et al: “particle size classification of ceramic powders”, número de acceso a base de datos 587796, y 75th annual meeting and exposition of the American ceramic society (resúmenes solamente), vol. 52, No. 4, página 394, American ceramic society bulletin, USA, ISSN:0002-7812 se refieren a un proceso de clasificación por aire centrífugo como medio para clasificar por tamaño polvo cerámico. El documento CN 108046752 se refiere a un proceso de granulación en seco para la producción de gránulos de arcilla.
Resumen de la invención
La presente invención se refiere a una mezcla de partículas cerámicas granuladas en seco y no secada por pulverización que comprende al menos un 40 % en peso de cenizas volantes de combustión de carbón y de un 4 % en peso a un 9 % en peso de agua, en el que al menos un 90 % en peso de las partículas tienen un tamaño de partícula de 80 pm a 600 pm, y en el que al menos un 5 % en peso de las partículas tienen un tamaño de partícula de 80 pm a 125 pm.
La mezcla de partículas cerámicas granuladas en seco y no secada por pulverización comprende preferiblemente al menos un 10 % en peso de materias primas cerámicas seleccionadas de arcillas y/o feldespatos.
Descripción detallada de la invención
Mezcla de partículas cerámicas:
Por lo general, la mezcla de partículas es adecuada para su uso en la producción de artículos cerámicos.
La mezcla de partículas cerámicas comprende al menos un 40 % en peso de cenizas volantes de combustión de carbón. Por lo general, la mezcla comprende de un 40 % en peso a un 80 % en peso de cenizas volantes de combustión de carbón. Por lo general, la mezcla comprende de un 50 % en peso a un 80 % en peso de cenizas volantes de combustión de carbón. Por lo general, la mezcla comprende de más del 50 % en peso a un 80 % en peso de cenizas volantes de combustión de carbón. La mezcla puede comprender de un 60 % en peso a un 80 % en peso, o incluso de un 70 % en peso a un 80 % en peso de cenizas volantes de combustión de carbón. Las cenizas volantes de combustión de carbón se describen con más detalle a continuación. Las cantidades más elevadas de cenizas volantes de combustión de carbón presentes en la mezcla de partículas cerámicas exacerban los problemas analizados en los antecedentes de la invención.
La mezcla de partículas cerámicas comprende de un 4%en peso a un 9%en peso de agua, preferiblemente de un 4 % en peso a un 8 % en peso de agua, o preferiblemente de un 5 % en peso a un 8 % en peso de agua.
La mezcla de partículas puede comprender de 20 % a 70 % en peso, o de 20 % en peso a 50 % en peso o menos, o de 20 % en peso a 40 % en peso, o de 20 % en peso a 30 % en peso de material seleccionado de arcilla, esquisto, feldespato, vidrio y cualquier combinación de los mismos. Un material preferido es una combinación de arcilla y feldespato. Una arcilla adecuada es una arcilla estándar como la arcilla ucraniana. Una arcilla preferida es una combinación de arcilla estándar y arcilla de alta plasticidad. La relación de peso de arcilla estándar a arcilla de alta plasticidad puede estar en el intervalo de 2:1 a 5:1. Una arcilla adecuada es una arcilla de alta plasticidad como la arcilla bentonita. Por lo general, una arcilla de alta plasticidad tiene un índice de plasticidad de Attterburg de más de 25.0. Por lo general, una arcilla estándar tiene un índice de plasticidad de Atterburg de 25.0 o menos. La cantidad de arcilla de alta plasticidad se puede seleccionar para proporcionar suficiente robustez y fluidez para mezclas de partículas cerámicas que comprenden cenizas volantes de combustión de carbón.
La mezcla de partículas puede comprender un aglutinante, por lo general de 0.1 % en peso a 3.0 % en peso de aglutinante, o de 0.5 % en peso a 2.0 % en peso de aglutinante. Los aglutinantes adecuados se describen con más detalle a continuación. Por lo general, la incorporación de aglutinante en la mezcla de partículas imparte suficiente resistencia al artículo verde resultante que se forma a partir de la mezcla de partículas, por ejemplo mediante prensado, durante un proceso de producción de cerámica.
La mezcla de partículas cerámicas comprende preferiblemente menos de 5.0 % en peso de óxido de calcio.
La mezcla de partículas cerámicas tiene una distribución de tamaño de partícula tal que al menos el 90 % en peso de las partículas tienen un tamaño de partícula de 80 pm a 600 pm. Preferentemente, al menos el 95 % en peso, o al menos el 99 % en peso de las partículas tienen un tamaño de partícula de 80 pm a 600 pm. Preferentemente, al menos el 90 % en peso, o al menos el 95 % en peso, o incluso al menos el 99 % en peso de las partículas tienen un tamaño de partícula de 100 pm a 500 pm. Preferentemente, sustancialmente todas las partículas tienen un tamaño de partícula de 80 pm a 600 pm. Preferentemente, sustancialmente todas las partículas tienen un tamaño de partícula de 100 pm a 500 pm.
Al menos el 5% en peso de las partículas tienen un tamaño de partícula de 80 pm a 125 pm. Puede ser preferible que al menos el 10 % en peso, o al menos el 15 % en peso, o incluso al menos el 20 % en peso de las partículas tengan un tamaño de partícula de 80 pm a 125 pm. También puede ser adecuado que al menos el 5 % en peso, o al menos el 10 % en peso, o al menos el 15 % en peso, o incluso al menos el 20 % en peso de las partículas tengan un tamaño de partícula de 100 pm a 125 pm. Los inventores han descubierto que esta característica del tamaño de partícula mejora aún más la suavidad de la superficie del artículo cerámico resultante.
Los inventores han descubierto que tener una parte de las partículas más finas (80 pm-125 pm, o incluso 100 pm-125 pm), así como la distribución de tamaño de partícula requerida en general (80 pm-600 pm, o incluso 100 pm-600 pm), ayuda a dar un acabado de superficie más suave al artículo verde resultante, debido a un mejor empaquetamiento, sin causar degradación de la fluidez de la mezcla. Sin querer limitarnos a la teoría, se considera que la presencia de algunas partículas finas, pero no demasiado finas, rellena mejor los huecos entre las partículas más grandes, reduciendo así el efecto de formación de hoyuelos en la superficie. Sin querer limitarnos a la teoría, se considera que si las partículas finas son demasiado finas, entonces simplemente actúan como polvo y revestimiento para las partículas más grandes y no dan el mismo efecto de empaquetamiento y también son más propensas a segregarse de la superficie superior durante el prensado de las baldosas.
La distribución del tamaño de las partículas de la mezcla de partículas se puede controlar mediante una clasificación, como la clasificación por aire, preferiblemente una técnica de clasificación por aire de dos etapas. La separación de las mezclas de partículas en una fracción gruesa (o corte) y una fracción fina (o corte) se puede realizar mediante la clasificación por aire cuando hay partículas más pequeñas que cegarían las mallas utilizadas en los tamices mecánicos.
El tamaño de las fracciones gruesa y fina se puede determinar mediante el funcionamiento del clasificador. Un ejemplo típico es el clasificador por aire Micron Separator de Hosokawa Micron. Otro ejemplo es la serie C de International Innovative Technologies Ltd (ahora Hosokawa Micron). Un tipo preferido de clasificador es un clasificador mecánico que tiene un rotor para ayudar a la separación. Sin embargo, también se pueden utilizar otros tipos de clasificadores sin partes mecánicas, como los ciclones.
Un clasificador mecánico puede clasificar partículas utilizando la fuerza centrífuga ejercida sobre las partículas por la rotación del rotor para oponerse a la fuerza centrípeta ejercida sobre las partículas por el flujo de aire entrante. El material a separar se transporta neumáticamente al conducto de entrada y hasta el rotor, donde las dos fuerzas opuestas lo clasifican. Las partículas más finas son más susceptibles a las fuerzas centrípetas ejercidas por el flujo de aire que se mueve hacia la salida ubicada justo encima del centro del rotor. Por lo tanto, serán eliminadas por el flujo de aire, mientras que las partículas gruesas son más propensas a la fuerza centrífuga del rotor y arrojadas hacia un lado. Estas fuerzas hacen fluir los materiales gruesos por la pared interior de la máquina, vaciando los materiales en la descarga de partículas gruesas, mientras que las partículas más finas viajan a través de la corriente de aire hacia el rotor y luego se descargan a través del conducto de salida superior. Al cambiar la velocidad de rotación del rotor interno, se puede ajustar fácilmente el tamaño de los cortes gruesos y finos. Aumentar la velocidad del rotor reducirá el tamaño de los finos que se eliminan. Sin embargo, puede ser necesario evitar la fragmentación excesiva de partículas más grandes en la sección del rotor del clasificador si esto no se desea.
Por lo general, la mezcla tiene una densidad aparente de al menos 800 g/l.
Por lo general, la mezcla tiene una fluidez de menos de 10 s/100 g.
Por lo general, la mezcla no se seca por pulverización.
En el contexto de esta especificación, se considera que la granulación en seco cubre todos los procesos que no son de secado por pulverización. Un proceso de granulación en seco preferido se basa en el procesamiento de compactación con rodillos debido a los requisitos mínimos de secado. Sin embargo, también podrían aplicarse procesos de granulación en seco basados en aglomeración mecánica utilizando un aglutinante líquido.
Cenizas volantes de combustión de carbón:
Por lo general, las cenizas volantes de combustión de carbón se obtienen sometiendo los productos de combustión de carbón, como las cenizas, a un proceso de beneficio. Las cenizas volantes de combustión de carbón son, por lo general, cenizas volantes beneficiadas. Puede ser preferible que las cenizas volantes de combustión de carbón sean cenizas volantes beneficiadas derivadas de cenizas volantes de clase F.
Por lo general, las cenizas volantes de la combustión de carbón se obtienen sometiendo los productos de la combustión de carbón, como las cenizas, a un tamiz de tamaño de partícula inicial (como un tamiz de 1 mm) para eliminar los objetos grandes y, a continuación, a uno o más tamices de tamaño de partícula más pequeño (como 250 |jm y/o 125 jm ) para eliminar las partículas grandes. Este material tamizado se somete luego por lo general a una etapa de separación magnética para reducir el contenido de óxido de hierro. Esta etapa de separación magnética puede implicar una primera etapa de separación magnética, por ejemplo a un gauss de 8.000 o alrededor de 8,000 (0.8000 Tesla), seguido de una segunda etapa de separación magnética, por ejemplo a un gauss de 30,000 o alrededor de 30,000 (3.0000 Tesla). Como alternativa, se puede utilizar solo una etapa de separación magnética, por ejemplo, a un gauss de 8,000 o alrededor de 8,000 (0.8000 Tesla). Este material se somete entonces por lo general a una etapa de reducción de carbono, como calcinación o flotación, preferiblemente calcinación. El material también se puede someter a una técnica de separación electrostática.
La ceniza volante de combustión de carbón es por lo general predominantemente silicato de aluminio. La ceniza volante de combustión de carbón comprende por lo general carbono combustible y óxido de hierro; y puede comprender adicionalmente cantidades traza de otros materiales tales como sales de sodio y/o sales de magnesio, y óxidos metálicos distintos del óxido de hierro. La ceniza volante de combustión de carbón comprende por lo general al menos 88 % en peso de silicato de aluminio, preferiblemente al menos 90 % en peso de silicato de aluminio. Dependiendo de los niveles de carbono combustible y óxido de hierro, las cenizas volantes de la combustión de carbón pueden incluso comprender al menos 92 % en peso, o al menos 94 % en peso, o al menos 96 % en peso, o incluso al menos 98 % en peso de silicato de aluminio.
Las cenizas volantes de combustión de carbón pueden comprender de 0.5 % en peso a 8.0 % en peso, o de 1.0 % en peso a 8.0 % en peso, o de 1.0 % en peso a 7.0 % en peso, o de 1.0 % en peso a 6.0 % en peso, o de 1.0 % en peso a 5.0 % en peso, o de 1.0 % en peso a 4.0 % en peso, o de 1.0 % en peso a 3.0 % en peso de carbono combustible.
Una ceniza volante de combustión de carbón preferida se obtiene eliminando todo el carbono combustible del producto de combustión de carbón y luego agregando carbono combustible nuevamente a este material de carbono combustible nulo. De esta manera, el nivel de carbono combustible presente en las cenizas volantes de combustión de carbón se puede controlar de manera cuidadosa y estricta.
El nivel de carbono combustible presente en las cenizas volantes de la combustión del carbón se puede controlar, por lo general reducir, mediante técnicas como la calcinación, la eliminación electrostática y técnicas de flotación como las técnicas de flotación por aire con espuma.
Dichos procesos para controlar el nivel de carbono combustible están bien descritos en la técnica.
El equipo adecuado para calcinar materiales para reducir los niveles de carbono incluye los reactores de aire turbulento por etapas suministrados por SEFA Group de Lexington, Carolina del Sur. Estos reactores calientan las cenizas entrantes para quemar aún más el carbono residual.
Otra técnica muy utilizada es la separación triboelectrostática mediante la cual las partículas de carbono se pueden eliminar del material de ceniza a granel, especialmente después de la trituración, al pasar a través de un separador electrostático. Las partículas de carbono se pueden cargar para que tengan una carga opuesta a las partículas no carbonadas y luego se pueden eliminar al pasar el material de ceniza a través de un separador electrostático. El equipo adecuado para esto incluye los separadores STET suministrados por ST Equipment and Technologies LLC de Needham, Massachusetts.
Los equipos de flotación por espuma adecuados incluyen las unidades Dorr-Oliver y Wemco suministradas por FLSmidth.
Todos estos procesos pueden reducir los niveles excesivamente altos de carbono. En los procesos de calcinación, el aumento de las temperaturas de funcionamiento reducirá aún más los niveles de carbono. En la separación electrostática, se pueden utilizar el aumento de los voltajes utilizados en las unidades de separación y el aumento del grado de trituración del material que entra en el separador para reducir aún más los niveles de carbono.
En los procesos de flotación por espuma, se puede utilizar el aumento del grado de molienda del material entrante para liberar aún más partículas de carbono no quemadas, el aumento de la cantidad de aire utilizado y el uso de aditivos como surfactantes para controlar la reducción de los niveles de carbono.
Los niveles de carbono se pueden aumentar mediante la adición de materiales combustibles ricos en carbono finamente molidos a la mezcla de partículas. Puede ser especialmente preferible agregar cualquier material combustible rico en carbono en cualquier etapa de trituración involucrado en la preparación de la mezcla de partículas. También se prefiere que el material combustible rico en carbono sea el material extraído previamente de cenizas combustibles ricas en carbono. Esto maximiza la eficiencia. Sin duda, se pueden utilizar otras fuentes, como carbón molido o esquisto de carbón. Preferentemente, el tamaño de partícula del material combustible rico en carbono en la mezcla de partículas es comparable al tamaño de partícula de los otros materiales presentes en la mezcla de partículas.
Las cenizas volantes de combustión de carbón pueden comprender de 0.5 % en peso a 12.0 % en peso, o de 0.5 % en peso a 11.0 % en peso, o de 0.5 % en peso a 10 % en peso, o de 0.5 % en peso a 9.0 % en peso, o de 0.5 % en peso a 8.0 % en peso, o de 0.5 % en peso a 7.0 % en peso, o de 0.5 % en peso a 6.0 % en peso, o de 0.5 % en peso a 5.0 % en peso, o de 0.5 % en peso a 4.0 % en peso, o de 0.5 % en peso a 3.0 % en peso, o de 0.5 % en peso a 2.0 % en peso de óxido de hierro.
Una de las cenizas volantes de combustión de carbón preferidas se obtiene eliminando todo el óxido de hierro del producto de combustión de carbón y luego agregando óxido de hierro nuevamente a este material sin óxido de hierro. De esta manera, el nivel de óxido de hierro presente en las cenizas volantes de combustión de carbón se puede controlar de manera cuidadosa y estricta.
El nivel de óxido de hierro en las cenizas volantes de combustión de carbón se controla por lo general mediante un proceso de detección del nivel de óxido de hierro en la mezcla de partículas y, si está fuera de especificación, entonces se aumenta la cantidad de óxido de hierro eliminado de las cenizas volantes de combustión de carbón o se agrega material rico en óxido de hierro al silicato de aluminio.
Los niveles de óxido de hierro se pueden reducir haciendo pasar las cenizas volantes de la combustión de carbón a través de uno o más separadores magnéticos. Estos aplican un campo magnético a la corriente de cenizas volantes de la combustión de carbón que pasa, lo que permite eliminar materiales magnéticamente susceptibles, como el óxido de hierro, de la corriente a granel. Los materiales magnéticos como la magnetita se pueden eliminar utilizando un campo magnético de menor intensidad de hasta 10,000 Gauss (= 1.0000 Tesla). Los minerales menos susceptibles magnéticamente, como la hematita, también se pueden extraer mediante separación magnética, pero normalmente necesitan un campo magnético de intensidad mucho más alta de hasta 2 o 3 Tesla. A menudo, los procesos de separación magnética utilizan una etapa de separación de baja intensidad seguido de una etapa de separación de alta intensidad. El equipo adecuado para la extracción de óxido de hierro de las cenizas volantes de la combustión de carbón incluye la gama WDY de separadores magnéticos fabricados por Foshan Wandaye Machinery Equipment Company Ltd de Foshan City, Guangdong, China. Se podría utilizar el modelo WD-7A-300. La separación magnética también se puede realizar en lodos húmedos, pero esta no es una ruta preferida para tratar las cenizas volantes de combustión de carbón debido a la necesidad de una etapa de secado secundario.
El nivel de óxido de hierro en las cenizas volantes de combustión de carbón se puede aumentar mediante la adición controlada de material rico en óxido de hierro a las cenizas volantes de combustión de carbón. Los minerales de óxido de hierro, como la magnetita o la hematita, serían los más preferibles, pero se podrían utilizar otras fuentes. Una solución especialmente preferida sería la reutilización de los óxidos de hierro eliminados del procesamiento anterior de las cenizas volantes de combustión de carbón con niveles excesivamente altos de óxido de hierro. Preferiblemente, las partículas ricas en óxido de hierro tienen un tamaño comparable a las cenizas volantes de combustión de carbón para garantizar la homogeneidad. El material rico en óxido de hierro se podría agregar a las cenizas volantes de combustión de carbón antes de cualquier etapa de mezcla o molienda para ayudar a la homogeneidad.
Las cenizas volantes de combustión de carbón adecuadas tienen un nivel de AhO<3>de más del 15 % en peso, o incluso se prefiere más del 20 % en peso. Sin querer limitarnos a ninguna teoría, se considera que las cenizas volantes que contienen niveles más bajos de AhO<3>y, posteriormente, niveles más altos de SiO<2>tienden a fundirse a temperaturas más bajas que la temperatura de sinterización de los otros materiales o las temperaturas requeridas para la formación eficiente de los minerales deseados, como la mullita”. En los niveles altos de cenizas volantes, este comportamiento podría provocar el “hundimiento” y la deformación de las baldosas durante la cocción. Los niveles de AhO<3>se pueden medir mediante técnicas de fluorescencia de rayos X.
Carbón combustible:
Por lo general, el carbono combustible es carbono que se puede medir mediante un método de pérdida por ignición (LOI). Es este carbono combustible el que se debe controlar cuidadosamente en la mezcla de partículas. Las cenizas volantes de la combustión del carbón pueden contener carbono no combustible, como carburo no combustible, normalmente en niveles muy bajos (cantidades traza).
Óxido de hierro:
Por lo general, el contenido de óxido de hierro se mide mediante espectrometría de fluorescencia de rayos X (XRF).
Aglutinante:
Los aglutinantes opcionales adecuados son aglutinantes orgánicos. Los aglutinantes orgánicos adecuados incluyen alcohol polivinílico, superplastificantes, metilcelulosa, carbometoxicelulosa o dextrina. Los expertos en la materia conocerán otros aglutinantes. El aglutinante orgánico puede estar en forma de líquido.
Otro aglutinante adecuado es el silicato.
Una opción para mejorar la fluidez y la robustez general de las mezclas de partículas cerámicas que contienen materiales reciclados es utilizar aglutinantes, como polímeros viscosos, para ayudar a unir las partículas individuales. Alternativamente, la mezcla de partículas cerámicas puede estar libre de aglutinante. La mezcla de partículas cerámicas puede estar libre de aglutinante polimérico viscoso. La mezcla de partículas cerámicas puede no contener aglutinante añadido deliberadamente. La mezcla de partículas cerámicas puede no contener aglutinante polimérico viscoso añadido deliberadamente. Puede resultar difícil dispersar dichos aglutinantes, especialmente aglutinantes poliméricos viscosos, de manera uniforme en toda una mezcla de partículas cerámicas, especialmente cuando se utilizan procesos de granulación en seco. Además, la presencia de dichos aglutinantes conlleva un coste adicional, complejidad y puede complicar el procesamiento posterior. También puede ser necesario equilibrar la fluidez de las mezclas de partículas cerámicas que comprenden cenizas volantes de combustión de carbón con las otras propiedades físicas requeridas para el procesamiento.
Proceso para elaborar la mezcla de partículas cerámicas:
Un proceso de granulación en seco sin secado por pulverización para elaborar la mezcla de partículas cerámicas comprende por lo general las etapas de:
(a) formar un material precursor;
(b) someter el material precursor a una etapa de compresión para formar un material precursor comprimido;
(c) someter el material precursor comprimido a una etapa de trituración para formar un material precursor triturado; y
(d) someter el material precursor triturado a uno o más etapas de clasificación por aire para formar la mezcla de acuerdo con cualquier reivindicación precedente.
El proceso no comprende una etapa de secado por pulverización.
El proceso puede incluir opcionalmente etapas de proceso adicionales, tales como tamizado o espolvoreo o humidificación adicional, después de las etapas de clasificación por aire si se requieren controles adicionales.
Etapa (a) formar el material precursor:
El material precursor se forma por lo general moliendo y luego mezclando los ingredientes de la materia prima cerámica, tales como arcillas, feldespatos, vidrios, agentes fundentes y materiales reciclados. También puede ser necesario moler cualquier material reciclado, como las cenizas volantes de la combustión del carbón, y mezclarlo con los demás ingredientes para formar el material precursor. Los ingredientes se pueden moler y clasificar por separado o se pueden moler conjuntamente. Esto forma una mezcla de polvo fino, polvoriento y cohesivo que es un material precursor adecuado. Se puede utilizar cualquier equipo de trituración y clasificación adecuado, por ejemplo, molinos de barras, incluidos molinos de barras vibratorios, molinos clasificadores de aire y molinos de impacto. La serie de molinos Hosokawa Mikro ACM sería adecuada. Otro molino adecuado es un molino de barras vibratorio MBE Palla. Un clasificador de aire adecuado sería el clasificador de aire de la serie Mikro, también de Hosokawa Micron, especialmente si se elige un molino sin un sistema de clasificación interno.
Es posible que sea necesario humedecer el material precursor para que sea lo suficientemente plástico como para formar un artículo verde. Esto se hace normalmente en un mezclador de alta velocidad donde el agua se dispersa uniformemente por toda la mezcla de polvo mediante la acción de herramientas que giran a alta velocidad. El equipo adecuado para la etapa de humidificación sería la serie Schugi Flexomixer de Hosokawa Bepex.
Por lo general, para un proceso de granulación en seco, el material precursor formado en la etapa (a) comprende menos del 10 % en peso de agua. Preferiblemente, el material precursor formado en la etapa (a) comprende menos de 10 % en peso de agua. Por el contrario, los procesos típicos de granulación en húmedo forman material precursor que comprende al menos 10 % en peso de agua.
Etapa (b) compresión del material precursor:
El material precursor se introduce entonces normalmente entre dos rodillos contrarrotativos espaciados muy cerca que se presionan juntos con una fuerza definida y controlada para ejercer suficiente presión sobre el material precursor para formar gránulos más grandes. Los rodillos pueden tener superficies lisas, pero a menudo tienen un patrón texturizado para ayudar a atraer el polvo hacia la zona de compresión y dar forma al material comprimido en formas preformadas. El equipo de compactación con rodillos adecuado para comprimir el material precursor incluye el Kompactor MS85 de Hosokawa Alpine. Otro compactador adecuado sería el GF-360 de Jiangyin Shengling Machinery Manufacturing Company Ltd. Una persona experta en la materia podrá seleccionar fácilmente la combinación correcta de velocidades de alimentación de polvo, presiones y otros parámetros operativos según los requisitos específicos.
El material precursor comprimido que procede de la etapa de compresión puede tener diversas formas y tamaños, por ejemplo, dependiendo de las formas de los rodillos utilizados. El material precursor comprimido puede tener la forma de tiras o briquetas o fragmentos más pequeños de tiras, dependiendo del perfil de rodillo utilizado. Sin embargo, aunque el material ya se ha formado en estructuras sólidas, la variedad de tamaños y formas de estas estructuras sólidas será bastante inadecuada para su posterior procesamiento en artículos cerámicos y serán necesarios procesos adicionales de trituración y clasificación por tamaño. Estas operaciones posteriores pueden integrarse en una unidad, pero también pueden realizarse en unidades separadas. Esto puede ofrecer una mayor flexibilidad en los procesos de clasificación.
Etapa (c) trituración del material precursor comprimido:
Las estructuras sólidas y las partículas de material precursor comprimido formadas en la etapa (b) contendrán a menudo una alta proporción de material que no tiene un tamaño y una forma adecuados para su formación en la mezcla de partículas cerámicas. Los compactos más grandes, como tiras o briquetas y fragmentos que proceden del compactador de rodillos, pueden necesitar triturarse. La trituración incluye desmenuzar y romper fragmentos más grandes en fragmentos más pequeños. Por lo general, esto debe hacerse de manera controlada para evitar la rotura excesiva de partículas más grandes, la generación de finos excesivos y la trituración adicional no deseada de las partículas primarias. El equipo adecuado incluye un Bepex BM25, y un experto en la materia podría determinar una velocidad adecuada para optimizar el rango de tamaño de los gránulos que salen de la trituradora.
Etapa (d) de clasificación por aire:
Preferiblemente, el material precursor triturado se somete a dos etapas de clasificación por aire.
Preferiblemente, el material precursor triturado se somete a al menos dos etapas de clasificación por aire, en la que una etapa de clasificación por aire elimina al menos una parte de las partículas que tienen un tamaño de partícula de más de 600 pm, o preferiblemente más de 500 pm, del material precursor triturado, y en la que la otra etapa de clasificación por aire elimina al menos una parte de las partículas que tienen un tamaño de partícula de menos de 80 pm, o preferiblemente menos de l00 pm, del material precursor triturado.
Preferentemente, el material precursor triturado se somete a una etapa de clasificación por aire gravitacional y a una etapa de clasificación por aire centrífugo.
Preferentemente, el material precursor triturado se somete a una etapa de clasificación por aire gravitacional seguida de una etapa de clasificación por aire centrífugo. Esta combinación de dos etapas de clasificación por aire proporciona una capacidad óptima para clasificar los polvos con una amplia gama de tamaños de partículas para dar la distribución de tamaño de partículas requerida de la mezcla de partículas cerámicas.
Las etapas de clasificación por aire pueden estar integradas en una unidad o en unidades separadas. Por lo general, el material precursor triturado se introduce en la etapa de clasificación por aire gravitacional como una primera etapa para eliminar los fragmentos de gran tamaño más grandes. Estos fragmentos de gran tamaño pueden devolverse a la trituradora. La separación gravitacional es muy adecuada para eliminar fracciones más pequeñas de partículas de gran tamaño y, normalmente, el sistema de clasificación por aire funciona eliminando primero la fracción más pequeña de la fracción de gran tamaño y luego eliminando los finos de esta fracción más pequeña.
Etapa de clasificación por aire gravitacional:
Preferiblemente, el material precursor triturado se somete a una etapa de clasificación por aire gravitacional para eliminar al menos una parte de las partículas que tienen un tamaño de partícula mayor que 600 pm, o preferiblemente mayor que 500 pm, del material precursor triturado, y en donde las partículas eliminadas se reciclan nuevamente a la trituradora en la etapa (c).
Por lo general, un clasificador por aire gravitacional funciona alimentando el polvo entrante como una lámina descendente a través de la cual pasa una corriente de aire. A menudo se utilizan paletas para provocar un cambio en la dirección del flujo de aire y mejorar la separación gravitacional de partículas más grandes que son demasiado pesadas para ser elutriadas y arrastradas. Luego, estas se descargan en la parte inferior de la unidad. Los separadores por aire gravitacional pueden eliminar partículas más grandes de manera más eficiente que el tamizado con tamices, especialmente con materiales como el material precursor triturado que tienden a ser cohesivos, tienen cantidades excesivas de finos y podrían bloquear los tamices.
Un corte de tamaño de 600 pm, o preferiblemente 500 pm, es demasiado fino para que el tamizado sea viable en una producción a gran escala. Metso Minerals Industries, Inc. de Pensilvania, Estados Unidos, suministra separadores gravitacionales adecuados.
Un experto en la materia puede seleccionar flujos de aire y velocidades de alimentación, etc. para obtener el corte de tamaño deseado.
Etapa de clasificación por aire centrífugo:
Preferiblemente, el material precursor triturado se somete a una etapa de clasificación por aire centrífugo para eliminar al menos una parte de las partículas que tienen un tamaño de partícula inferior a 80 pm, o preferiblemente inferior a 100 pm, del material precursor triturado, y en la que las partículas eliminadas se reciclan de nuevo al compresor en la etapa (b). Esto es especialmente preferido cuando el material precursor triturado también se somete a la etapa de clasificación gravitacional por aire para eliminar al menos una parte de las partículas que tienen un tamaño de partícula mayor que 600 pm, o preferiblemente mayor que 500 pm, del material precursor triturado, y en la que las partículas eliminadas de la etapa de clasificación gravitacional por aire se reciclan nuevamente a la trituradora en la etapa (c).
La etapa de separación gravitacional preferiblemente precede a la etapa de separación centrífuga ya que la presencia de fragmentos grandes, así como de partículas finas en la corriente de alimentación al separador centrífugo por aire, podría fácilmente causar acumulación de material en el interior del equipo y un mayor desgaste en las cuchillas del rechazador debido a los impactos de partículas y cuchillas.
Los clasificadores centrífugos por aire funcionan sometiendo la mezcla de polvo a una combinación de fuerza centrífuga, que arroja el material de alimentación hacia la carcasa exterior del clasificador, y arrastre del flujo de aire, que atrae partículas hacia una salida en la parte superior del centro de la sección del rotor. La fuerza centrífuga se genera mediante la rotación de las palas del rotor (las palas de rechazo) y los cambios en la velocidad de los rotores se pueden utilizar para alterar la fuerza centrífuga y, por lo tanto, el tamaño de las partículas que son arrastradas por el flujo de aire y eliminadas como finos. Un experto en la materia podría ajustar la velocidad del rotor para obtener el tamaño de corte deseado teniendo en cuenta las velocidades de alimentación y los flujos de aire utilizados para arrastrar el material de alimentación entrante. Los clasificadores centrífugos adecuados son los clasificadores de aire Micron Separator fabricados por Hosokawa Micron.
Material precursor:
El material precursor es por lo general una mezcla de ingredientes cerámicos que han sido molidos, clasificados, mezclados y luego, opcionalmente, humidificados. Los ingredientes cerámicos adecuados incluyen: cenizas volantes de combustión de carbón, por lo general en niveles de 40 % en peso a 80 % en peso; arcillas, especialmente arcillas bentoníticas, por lo general de 10 % en peso a 50 % en peso; feldespatos, por lo general de 4 % en peso a 50 % en peso; y opcionalmente otros aditivos, tales como materiales fundentes, por lo general de 0%en peso a 10 % en peso, o de 1%en peso a 10 % en peso. Un experto en la materia conocerá diferentes composiciones de cuerpos cerámicos adecuados.
Material precursor comprimido:
El material precursor comprimido puede variar en tamaño desde partículas hasta estructuras sólidas, por ejemplo, tiras, de hasta varios centímetros, o incluso más grandes. El material precursor comprimido puede variar desde material ligeramente comprimido a material altamente comprimido. El material precursor comprimido también puede ser un material que tiene regiones que están altamente comprimidas y regiones que están ligeramente comprimidas.
Material precursor triturado:
Por lo general, el material precursor triturado tiene una distribución de tamaño de partícula tal que al menos el 20 % en peso de las partículas son menores de 63 pm.
Por lo general, el material precursor triturado no se somete a una etapa de tamizado.
Proceso para fabricar un artículo cerámico:
Un proceso para fabricar un artículo cerámico comprende por lo general las etapas de:
(e) prensar la mezcla de partículas cerámicas para formar un artículo verde;
(f) opcionalmente, someter el artículo verde a una etapa de tratamiento térmico inicial;
(g) someter el artículo verde a una etapa de tratamiento térmico en un horno para formar un artículo fundido en caliente; y
(h) enfriar el artículo fundido en caliente para formar un artículo cerámico.
Puede ser preferible que las etapas (e), (f) y (g) sean etapas de proceso continuo. De esta manera, el proceso se optimiza de manera eficiente.
La etapa (h) puede ser una etapa de proceso continuo, junto con las etapas (e), (f) y (g). Alternativamente, la etapa (h) puede ser una etapa por lotes.
Por lo general, la etapa opcional (f) seca el artículo verde antes de la etapa de tratamiento térmico (g).
Etapa de humidificación opcional:
El material precursor puede humidificarse. El agua añadida aumenta la plasticidad de la mezcla y ayuda a la compactación de la mezcla para formar el cuerpo compactado de la baldosa. La humidificación del material precursor aumenta la resistencia de la baldosa prensada antes de la cocción. Sin embargo, normalmente es muy importante controlar cuidadosamente tanto el nivel de agua añadida como la dispersión del agua en la mezcla. Por ejemplo, si el nivel de agua es demasiado alto, el artículo verde puede agrietarse durante el secado debido al escape de vapor desde el interior del cuerpo. La manejabilidad, procesabilidad y/o homogeneidad de la mezcla de partículas también pueden verse afectadas negativamente por los altos niveles de agua. Los altos niveles de agua añadidos para facilitar las etapas de formación y prensado pueden hacer que la etapa de secado sea más difícil y propenso a generar defectos. Si el nivel de agua no es lo suficientemente alto, la mezcla humidificada puede no ser lo suficientemente deformable para ser comprimida en la forma deseada con suficiente resistencia en verde. Por lo tanto, el nivel de agua es por lo general un equilibrio entre diferentes requisitos y necesita ser controlado cuidadosamente.
Por lo general, el agua agregada al material precursor necesita estar bien dispersada en toda la mezcla para que sea efectiva en aumentar la plasticidad del material precursor. Si el agua no está bien dispersa en todo el material precursor, el material puede contener una mezcla de aglomerados sobrehumedecidos y material no humedecido. Este tipo de mezcla generalmente se comportaría muy mal durante el prensado con múltiples defectos, especialmente en regiones del artículo verde donde la mezcla estaba demasiado seca para ser compactada con éxito hasta formar una estructura robusta.
Para garantizar un alto nivel de dispersión, normalmente se añade agua al material precursor en un mezclador de alto cizallamiento después de la etapa de molienda en seco y antes del proceso de granulación en seco. Los mezcladores adecuados para esto incluyen la serie Schugi Flexomix de Hosokawa Micron.
Etapa (e) prensado de la mezcla de partículas cerámicas:
La mezcla de partículas cerámicas se describe con más detalle anteriormente.
Antes de prensar la mezcla de partículas cerámicas en la etapa (e), la mezcla de partículas cerámicas se puede humidificar. Esta etapa de humidificación opcional se describe con más detalle anteriormente.
Preferiblemente, la mezcla de partículas cerámicas se obtiene mediante las etapas de proceso (a)-(d) descritos con más detalle anteriormente. Si se utilizan las etapas de proceso (a)-(d) para obtener la mezcla, entonces puede que no sea necesario ninguna etapa de humidificación. Esto se debe a que el nivel de agua de la mezcla se puede controlar muy bien mediante las etapas de proceso (a)-(d), de modo que se puede obtener el nivel de humedad objetivo de la mezcla sin la necesidad de ninguna etapa de humidificación adicional.
Antes de prensar la mezcla de partículas cerámicas en la etapa (e), la mezcla de partículas cerámicas puede ser humidificada. Esta etapa opcional de humidificación se describe con más detalle anteriormente.
La mezcla de partículas cerámicas se introduce normalmente en un molde antes del prensado. Es posible que sea necesario controlar las cantidades de material añadido a cada molde para que sean las deseadas y se distribuyan uniformemente sobre el área del molde. Si esto no sucede, las partes de la baldosa pueden experimentar diferentes fuerzas durante el prensado y esto aumentará la posibilidad de defectos. Se pueden utilizar alimentadores de mezclas de partículas especializados, como el DCP 160 de SACMI de lmola, Italia, para garantizar una dosificación uniforme en los moldes y que el lecho de polvo sea plano y de espesor uniforme. A continuación, la mezcla humidificada se comprime normalmente en una prensa a presiones de entre 15 y 50 MPa para formar el artículo verde, dependiendo de la composición y las propiedades de la mezcla de partículas. Las prensas adecuadas incluyen la serie IMOLA de prensas hidráulicas, también suministradas por SACMI. Un experto en la materia podrá seleccionar fácilmente la combinación correcta de alimentador de polvo y prensa de acuerdo con los requisitos específicos.
Etapa (f) etapa opcional de tratamiento térmico inicial:
El artículo verde puede someterse opcionalmente a una etapa de calentamiento inicial para secarlo al menos parcialmente, o secarlo, antes de cocerlo en el horno. Esta etapa puede ser independiente de la cocción en el horno o estar integrada con ella. Las temperaturas durante esta etapa de secado inicial normalmente no superan los 200 °C para evitar el agrietamiento.
Opcionalmente, esmaltado del artículo verde:
Antes de la etapa típica de cocción a alta temperatura, el artículo puede esmaltarse. Por lo general, el esmaltado aplica una capa o capas de material que se vitrifica durante el ciclo de cocción para formar una fina capa vítrea que se adhiere a la superficie del artículo cerámico. Por lo general, esta capa vítrea forma una barrera impermeable sobre la superficie de la baldosa y puede incorporar minerales o pigmentos coloreados para permitir que se incorporen patrones decorativos, colores e imágenes a la capa vítrea. El esmaltado se puede aplicar en una etapa o en varias etapas y antes de la cocción o después de una etapa de cocción. En procesos de esmaltado de varias etapas, por ejemplo para fabricar baldosas complejas de “bicuttura”, se aplica una primera composición de esmaltado a la superficie del artículo que luego se cuece para formar una primera capa vítrea. Por lo general, el artículo parcialmente esmaltado se enfría a continuación y se aplica otro esmaltado y se vuelve a cocer el artículo. Esto se puede repetir según sea necesario. Un proceso de este tipo se puede utilizar para fabricar patrones e imágenes de esmaltado muy complejos y decorativos, pero tiende a reducir la resistencia del artículo. Por ejemplo, las baldosas de bicuttura no son lo suficientemente resistentes como para utilizarse como baldosas de suelo.
Un proceso que aplica el esmaltado al artículo sin cocer y luego cuece el artículo esmaltado en una etapa generalmente produce un artículo de mayor resistencia. Dichos procesos se utilizan normalmente para fabricar baldosas de monocuttura, por ejemplo, que son lo suficientemente resistentes como para utilizarse como baldosas de suelo. Por lo tanto, se prefiere que se utilice un proceso de esmaltado y cocción de una sola etapa para fabricar artículos cerámicos esmaltados, como baldosas de suelo.
El esmalte se puede aplicar como una suspensión acuosa de minerales y pigmentos muy finamente molidos, especialmente óxidos metálicos, o como un polvo fino. Preferiblemente, el esmalte o los esmaltes se aplican como una suspensión acuosa, ya que esto permite pintar o imprimir imágenes o patrones decorativos sobre la superficie del artículo. Es posible utilizar impresoras de inyección de tinta de alta velocidad para imprimir imágenes de muy alta calidad sobre la superficie del artículo cerámico y para que dichas imágenes se conserven en la capa de esmalte después de la cocción. Por lo general, es necesario controlar con precisión la composición y las propiedades de los esmaltes utilizados. Por ejemplo, la viscosidad de un material de esmalte fundido debe ser lo suficientemente alta para que el esmalte no se escurra de la superficie del artículo durante la cocción o los colores se difuminen entre sí para producir una imagen borrosa y de baja calidad. Por lo general, las propiedades del esmalte o los esmaltes deben ser totalmente compatibles con el artículo cerámico, por ejemplo, para evitar que se formen grietas en el esmalte debido a la contracción diferencial durante el ciclo de cocción.
Por lo general, los esmaltes en suspensión acuosa se elaboran combinando diferentes minerales, pigmentos y otros materiales, como fundentes, en una suspensión y sometiendo la suspensión a una molienda prolongada para formar partículas sólidas muy finas. Estos esmaltes pueden requerir muchas horas de molienda para prepararse. Si no se muelen lo suficiente, pueden ser más difíciles de aplicar, por ejemplo, utilizando tecnología de inyección de tinta, y la consistencia y uniformidad de la capa esmaltada se ve comprometida. Existe un amplio conocimiento y experiencia en el campo del esmaltado y la impresión de cerámica, y un experto en la materia sería capaz de seleccionar y preparar esmaltes según las necesidades. Empresas como EFI suministran “tintas cerámicas” adecuadas, que son esmaltes de colores que se pueden utilizar para la impresión. EFI suministra tintas “Cretaprint” para la impresión de baldosas cerámicas. Una impresora de baldosas cerámicas moderna, como la Cretaprint P4 de la serie Cretaprint fabricada por EFI, aplicará múltiples tintas y acabados utilizando múltiples barras de pulverización a medida que la baldosa verde pasa por la impresora para crear la imagen final y la capa de esmalte. Las tintas y acabados cerámicos Cretaprint y el Cretaprint P4 serían adecuados para aplicar una capa de esmalte a artículos fabricados con la mezcla de partículas descrita anteriormente.
Etapa (g) del tratamiento térmico:
Por lo general, el artículo verde se cuece en un horno para provocar la sinterización de las partículas de la mezcla de partículas cerámicas y dar como resultado una estructura vitrificada de alta resistencia.
Esta etapa de cocción se puede realizar en un horno discontinuo o en un horno continuo, preferiblemente se utiliza una etapa continua. En el ámbito industrial, los “hornos de túnel” son los más importantes. Por lo general, en dichos hornos, el artículo cerámico se mueve lentamente a lo largo de un largo túnel calentado. Por lo general, las temperaturas de las diferentes zonas del horno se mantienen constantes y el artículo se mueve a través de estas zonas. De esta manera, las condiciones que experimenta el artículo cerámico se pueden controlar con mucha precisión y todo el ciclo de calentamiento y enfriamiento puede llevar menos de dos horas, en comparación con los tiempos muy prolongados que se requieren para los hornos de lotes grandes. Por lo general, la parte más caliente de un horno de túnel de este tipo es la zona central y las temperaturas que experimenta el artículo cerámico aumentan y luego disminuyen gradualmente. Esto minimiza los problemas de calidad: por ejemplo, la formación de grietas debido a las tensiones que se forman durante el proceso de calentamiento o enfriamiento. A menudo, si el enfriamiento es demasiado rápido, se desarrollan tensiones internas dentro del cuerpo de la baldosa que provocan deformaciones o fracturas. El perfil de calentamiento gradual y controlado también permite que las impurezas, como el carbono, se “quemen” de manera controlada, de modo que los gases escapen a través de los poros sin causar problemas como “hinchazón”. Por lo general, el calentamiento del horno de túnel se puede lograr mediante el uso de quemadores de gas o calentadores eléctricos o calentamiento por microondas y combinaciones de los mismos. El uso de quemadores de gas para calentar en un horno de túnel a menudo significa que la atmósfera dentro del horno tiene un bajo contenido de oxígeno y esto afectará los cambios químicos que ocurren dentro del esmalte y el artículo.
El perfil de temperatura a lo largo de la longitud del horno generalmente está determinado por la composición de la mezcla de partículas de cerámica. Los distintos materiales se fundirán o comenzarán a sinterizarse a distintas temperaturas. Por ejemplo, los materiales denominados “fundentes” tendrán un punto de fusión más bajo que los demás materiales. El comportamiento de sinterización también suele estar determinado por el tamaño de las partículas de la mezcla de partículas, ya que las partículas grandes tienen una cinética de sinterización más lenta en comparación con las partículas más pequeñas. Por lo general, una preocupación es evitar temperaturas tan altas que una cantidad excesiva de la mezcla se derrita durante la cocción. Esto puede provocar una pérdida de resistencia y un fenómeno conocido como “hundimiento”, en el que el artículo cerámico no tiene la resistencia interna necesaria para mantener su forma y, por lo tanto, se deforma.
Un horno típico para la fabricación de artículos cerámicos, por ejemplo, para la fabricación de baldosas cerámicas, tendrá una temperatura máxima de entre 1000 °C y 1250 °C en la zona central del horno. La temperatura máxima puede depender de la composición exacta de la mezcla. Las mezclas con niveles más altos de fundentes normalmente necesitan una temperatura máxima más baja. Las mezclas con partículas más grandes normalmente necesitan un tiempo más largo a la temperatura más alta debido a la cinética más lenta de sinterización. El perfil de temperatura a lo largo del horno se puede variar para crear estructuras específicas y fases minerales dentro del artículo cocido. El ciclo completo de calentamiento y enfriamiento normalmente durará menos de una hora.
Un problema con la mayoría de los hornos es que la inercia térmica del horno es grande y las condiciones no se pueden cambiar rápidamente. Los hornos industriales grandes pueden requerir días para enfriarse. Por lo tanto, no es posible ajustar rápidamente las condiciones del horno para compensar los cambios en las propiedades de la mezcla de partículas utilizada para fabricar el artículo cerámico y se deben utilizar otros métodos.
El artículo descrito anteriormente se puede cocer para formar una baldosa cerámica final calentando el artículo verde de manera que aumente de manera constante desde la temperatura ambiente hasta aproximadamente 1250 °C durante un período de 20 minutos y luego manteniendo esa temperatura durante entre 3 y 10 minutos, seguido de una reducción de la temperatura de manera continua durante un período de 30 minutos hasta la temperatura ambiente.
Etapa (h) de enfriamiento:
El artículo fundido en caliente se enfría normalmente. Por lo general, el enfriamiento gradual del artículo, como una baldosa cerámica, suele ser beneficioso para evitar defectos por tensiones internas y algunos fabricantes pueden apilar las baldosas calientes que salen del horno y dejarlas durante varias horas para que pasen por una etapa de enfriamiento muy gradual hasta las condiciones ambientales. Por lo general, las composiciones y los procesos que permiten una mayor tasa de enfriamiento sin problemas son beneficiosos para aumentar las tasas de producción.
Artículo cerámico:
Preferiblemente, el artículo cerámico es una baldosa cerámica, preferiblemente una baldosa de porcelana cerámica. La baldosa cerámica puede tener un espesor de menos de 1 cm, un ancho de al menos 20 cm, preferiblemente al menos 30 cm, y una longitud de al menos 20 cm, preferiblemente al menos 30 cm. El artículo cerámico puede ser un artículo cerámico esmaltado, como una baldosa cerámica esmaltada, preferiblemente una baldosa de porcelana cerámica esmaltada.
Artículo verde:
Por lo general, el artículo verde fabricado a partir de la mezcla de partículas cerámicas debe tener suficiente resistencia mecánica para que pueda manipularse y transportarse al horno y/o a la unidad de esmaltado opcional sin romperse. Esto se conoce como “resistencia verde”. Por lo general, la resistencia verde necesaria depende de la forma y las dimensiones del artículo verde y de las operaciones de manipulación a las que debe someterse. Por lo general, la resistencia verde depende de la composición de la mezcla de partículas y de materiales como agua, polímeros y arcillas de alta plasticidad que se pueden añadir a la mezcla de partículas para aumentar la resistencia verde y permitir su manipulación.
Esmalte:
Los esmaltes son por lo general suspensiones acuosas de minerales, pigmentos y otros materiales finamente micronizados, como fundentes y formadores de películas. Por lo general, se preparan mediante la molienda prolongada de lodos para formar suspensiones acuosas. La composición exacta de un esmalte se determina normalmente por las propiedades requeridas y puede ser seleccionada por un experto en la materia.
Artículo verde esmaltado:
Por lo general, el artículo verde esmaltado es un artículo verde que ha sido esmaltado. Preferiblemente, el artículo verde esmaltado es un artículo verde seco que ha sido esmaltado.
Método de medición del tamaño de partícula:
La distribución del tamaño de partícula se mide por difracción láser. En la norma ISO 13320:2009 se proporciona un estándar adecuado para el análisis de tamaño por difracción láser. Los analizadores de tamaño adecuados son los instrumentos Mastersizer 2000 y 3000 de Malvern Instruments. Se prefiere dispersar las muestras con aire comprimido (normalmente con una unidad Scirocco 2000), donde el material se prueba como una corriente de polvo, en lugar del método húmedo, donde el material de prueba se dispersa primero en un fluido. Sin embargo, es posible dispersar y probar estas mezclas cerámicas en líquidos no acuosos. La medición se realiza normalmente de acuerdo con el manual de instrucciones y los procedimientos de prueba del fabricante.
Los resultados se expresan normalmente de conformidad con la norma ISO 9276-2.
Método de medición de la densidad aparente:
La densidad aparente se puede medir de conformidad con la norma ISO 697-1981.
Método de medición de fluidez:
La fluidez se puede medir cronometrando el flujo de 100 g de mezcla de partículas cerámicas que salen de una copa de viscosidad Ford modificada que cumple con la norma ISO 2431:2011. La copa de viscosidad se modifica de modo que el orificio de salida circular ahora es de 10 mm en lugar del orificio de 4 mm que se utiliza habitualmente en muchas mediciones de viscosidad de líquidos. Se cierra el orificio y se llena el recipiente con 100 g de polvo. A continuación, se abre el orificio y se mide el tiempo que tarda el polvo en caer por él.
Método de medición del contenido de carbono combustible:
El nivel de carbono combustible se mide mediante la prueba de pérdida por ignición (LOI) de conformidad con ASTM D7348. En esta prueba, primero se seca 1 g de cenizas volantes a 110 °C para secar la muestra. A continuación, se enfría y se pesa la muestra. A continuación, se calienta la muestra de forma gradual durante un período de dos horas hasta alcanzar los 950 °C.
Método de medición del contenido de óxido de hierro:
El nivel de óxido de hierro se mide mediante fluorescencia de rayos X. El tamaño de partícula típico de las cenizas volantes de la combustión del carbón es lo suficientemente pequeño como para que la técnica sea adecuada para una medición precisa. La técnica funciona mediante la excitación de la muestra mediante rayos gamma o X de alta energía. Esto provoca una ionización de los átomos presentes que luego emiten radiación electromagnética de frecuencia característica que depende del tipo de átomo. El análisis de la intensidad de las distintas frecuencias permite realizar un análisis elemental. Un equipo adecuado sería la gama de analizadores XRF Varta suministrada por Olympus. El equipo detecta el hierro elemental y el resultado se convierte normalmente al nivel correspondiente de Fe<2>O<3>.
Ejemplos
Formación del material precursor:
Se muelen arena de feldespato (que contiene un 1.5 % de agua), arcilla (que contiene un 2.5 % de agua) y cenizas volantes de combustión de carbón (que contienen un 0.1 % de agua) y se mezclan en un sistema de trituración en una proporción de peso de 5/45/50.
La mezcla resultante tiene la siguiente composición (en base seca):
Material de feldespato 4.92 % en peso
Arcilla 43.875 % en peso
Cenizas volantes de combustión de carbón 49.95 % en peso
Agua 1.25 % en peso
Tras la trituración, >99 % en peso de la composición anterior tenía un tamaño de partícula inferior a 75 pm. A continuación, la composición anterior se introduce en un mezclador vertical de alta velocidad, a una velocidad de 7000 kg/h. El diámetro interno del mezclador es de 0.6 m y la altura desde la entrada hasta la salida es de 1 m. El eje central tiene cuatro pares de palas mezcladoras y cuatro pares de boquillas montadas de manera escalonada uniformemente a lo largo del eje. El mezclador vertical gira a 2000 rpm y se inyectan 235 kg/h de agua en el mezclador a través de las boquillas para crear una mezcla parcialmente humidificada. El nivel de humedad se verifica en línea. La mezcla parcialmente humidificada pasa luego a través de un segundo mezclador similar que funciona a 2000 rpm, donde se inyectan otros 235 kg/h de agua para formar el material precursor humidificado. A continuación, el material precursor humidificado se tamiza de forma gruesa para eliminar los fragmentos grandes de composición. La cantidad de exceso de tamaño que debe eliminarse es inferior al 1 %.
El material precursor humidificado tiene la siguiente composición:
Material de feldespato 4.6 % en peso
Arcilla 41.1% en peso
Cenizas volantes de combustión de carbón 46.8 % en peso
Agua 7.5 % en peso
Compresión del material precursor:
El material precursor se recoge en un contenedor y luego se introduce a 300 kg/h en un compactador de rodillos GF-360. El compactador de rodillos funciona a una fuerza de rodillos de aproximadamente 25 kN y una velocidad de rotación de 30 rpm. El material precursor se comprime para formar material precursor comprimido y se recoge.
Trituración del material precursor comprimido:
El material precursor comprimido y recogido se introduce luego en una trituradora TWLY-4, que funciona a 2000 rpm con una separación de 1.1 mm y a una velocidad de hasta 15 t/h, donde luego se tritura y se desmenuza. El material precursor comprimido se tritura para formar material precursor comprimido triturado (también conocido como material precursor triturado). Se encontró que este material tiene un 28 % de más de 600 micrómetros y un 21 % de menos de 100 micrómetros. Luego, este material se recoge en una superbolsa para su clasificación.
Este material “tal como está” a menudo se atasca o no fluye fuera del equipo de prueba de fluidez en absoluto. La eliminación de la fracción de material > 600 micrómetros da una fluidez de ~ 45 s/100 g.
Clasificación por aire del material precursor triturado:
Luego, el material precursor triturado se extrae de la superbolsa a una velocidad de 1 t/h y se transporta neumáticamente a una velocidad de entre 25 y 30 mis a un clasificador de aire de la serie C modificado. El clasificador de aire de la serie C se modifica de modo que las partículas más grandes de la etapa de clasificación por aire centrífugo no se mezclan con el exceso de tamaño del separador de aire gravitacional, como en el diseño estándar de este equipo. En cambio, el producto final deseado es el producto resultante de la etapa de clasificación por aire centrífugo. El rotor del clasificador centrífugo de aire funciona a baja velocidad para minimizar la fragmentación de partículas y maximizar la eliminación de material de menos de 100 p. Alrededor del 25 % del material triturado se elimina en forma de finos y el 23 % en forma de material de gran tamaño.
El producto final resultante es una mezcla de partículas cerámicas granuladas en seco y no secadas por pulverización con un 92 % en peso que tiene un tamaño de partícula entre 80 pm y 600 pm.
La densidad aparente de la mezcla de partículas cerámicas granuladas en seco y no secadas por pulverización es de 1050 g/l.
La mezcla de partículas cerámicas granuladas en seco y no secadas por pulverización tiene una fluidez de 9 s/100 g, medida mediante el método descrito en el presente documento.
Proceso de fabricación de un artículo cerámico:
La mezcla de partículas cerámicas granuladas en seco y no secadas por pulverización se procesa luego para formar baldosas cerámicas de la siguiente manera:
El material precursor comprimido y triturado “tal cual” se convierte en una baldosa de artículo verde para demostrar el efecto de partículas más grandes. Se colocan 350 g en un molde de 11 cm por 23 cm y 2 cm de profundidad. Luego se prensa con una fuerza de 7 toneladas para formar un artículo cerámico verde. La superficie de la baldosa es notablemente más rugosa que la de una baldosa similar fabricada con material que cumple con la especificación inventiva.
La baldosa fabricada con el material que cumple con la especificación inventiva se calienta a una temperatura de 200 °C durante un período de 1 hora. A continuación, se realiza una etapa de esmaltado en el que se aplica un esmaltado a la superficie superior del artículo prensado. A continuación, el artículo verde esmaltado se somete a un aumento gradual continuo de la temperatura hasta 1200 °C durante 1 hora, seguido de 20 minutos a 1200 °C seguido de una disminución continua de la temperatura durante 1 hora hasta 90 °C. A esto le siguen otras 24 horas a condiciones ambientales para reducir la temperatura a la temperatura ambiente.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Una mezcla de partículas cerámicas granuladas en seco y no secada por pulverización que comprende al menos un 40 % en peso de cenizas volantes de combustión de carbón y de un 4 % en peso a un 9 % en peso de agua, en la que al menos un 90 % en peso de las partículas tienen un tamaño de partícula de 80 pm a 600 pm, y en la que al menos un 5 % en peso de las partículas tienen un tamaño de partícula de 80 pm a 125 pm medido por difracción láser.
2. Una mezcla de acuerdo con la reivindicación 1, en la que al menos un 10 % en peso de las partículas tienen un tamaño de partícula de 80 pm a 125 pm.
3. Una mezcla de acuerdo con la reivindicación 2, en la que al menos un 20 % en peso de las partículas tienen un tamaño de partícula de 80 pm a 125 pm.
4. Una mezcla de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que al menos el 99 % en peso de las partículas tienen un tamaño de partícula de 80 pm a 600 pm.
5. Una mezcla de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que al menos el 90 % en peso de las partículas tienen un tamaño de partícula de 80 pm a 500 pm.
6. Una mezcla de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que al menos el 99 % en peso de las partículas tienen un tamaño de partícula de 80 pm a 500 pm.
7. Una mezcla de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la mezcla comprende de más del 50 % en peso al 80 % en peso de cenizas volantes de combustión de carbón.
8. Una mezcla de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la mezcla tiene una densidad aparente de al menos 800 g/l, medida de acuerdo con la norma ISO 697-1981.
9. Una mezcla de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en la que la mezcla tiene una fluidez de menos de 8 s/l medida de acuerdo con la norma ISO 2431:2011.
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