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CAPÍTULO IV

EL SECADO DE LOS PRODUCTOS CERÁMICOS DE CONSTRUCCIÓN

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4.1 INTRODUCCIÓN El secado es una de las fases más delicadas y transcendentes del proceso de

fabricación. Un secadero con problemas se puede convertir en un cuello de botella en el que se estrangula toda la producción y rentabilidad de una instalación.

El secado, por otra parte, es una operación muy compleja en la que convergen

múltiples factores: naturaleza de la arcilla, grado de preparación y homogeneización, tensiones que pueden haber tenido lugar durante el moldeo, diseño y formato de la pieza, uniformidad o desuniformidad de secado, etc.

Comenzaremos por estudiar el mecanismo del secado para luego comprender

mejor el origen de los defectos de secado y la forma de evitarlos. 4.2 MECANISMO DEL SECADO EN RELACIÓN CON LA MATERIA PRIMA

En el secado se debe recorrer el camino inverso al seguido en el amasado. La primera humedad que pierde la arcilla es la última adicionada, es decir, el agua libre que ocupa los capilares, tal como se representa en la figura 146, de la cual ya hemos hablado al tratar del amasado.

FIGURA 146

Representación esquemática de las dos clases de agua a eliminar durante el secado: a) agua libre, no ligada por fuerzas eléctricas a la arcilla y b) agua fijada eléctricamente a la superficie de las partículas arcillosas. El agua libre también se llama agua de plasticidad porque sólo a partir del momento en que se interponen moléculas de agua libre entre partícula y partícula, la arcilla se deforma bajo la acción de una fuerza externa, es decir, se comporta como un material plástico.

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FIGURA 147

Durante la primera fase del secado (ver figura 147), el aire arrastra las moléculas de agua libre situadas en la superficie de la pieza. Este arrastre da lugar a un movimiento ascendente o flujo de agua libre hasta la superficie, para llenar el espacio vacío dejado por las moléculas de agua que han pasado a la atmósfera. La cantidad de agua evaporada por unidad de tiempo es constante, en esta primera fase, tal como puede verse en la gráfica de la figura 148. El rendimiento se mantendrá constante mientras el agua fluya hasta la superficie con la misma velocidad con que se evapora, lo cual sólo sucederá mientras exista agua libre en el interior de los capilares. Hay que señalar, sin embargo, que la velocidad de evaporación del agua en la superficie de la arcilla es la mitad o menos, de la velocidad de evaporación del agua en la superficie de un estanque, lo cual significa que, aunque hablemos de agua libre, existe siempre una atracción entre el agua y las partículas arcillosas que reduce sensiblemente la velocidad de evaporación.

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FIGURA 148 - Variación del rendimiento del secado en función del tiempo.

En la gráfica de la figura 148 podemos observar que durante las dos primeras horas y media, la cantidad de agua evaporada se mantiene constante: 2,1%/hora. Sin embargo, a partir del llamado "punto crítico", el rendimiento desciende rápidamente, lo cual significa que se acaba de entrar en la 2ª fase del secado y que se está produciendo un cambio sustancial en los mecanismos de dicho proceso. Este cambio tiene lugar en el momento en que el agua deja de fluir hasta la superficie, porque en la pieza ya no existe agua libre. Entonces comienza la evaporación del agua ligada eléctricamente a la superficie de las partículas arcillosas, siendo tanto más difícil dicha evaporación cuanto más cerca se encuentren las moléculas de agua de la superficie del cristal arcilloso; de ahí, que a medida que avanza el secado, el rendimiento se reduce exponencialmente.

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Durante la segunda fase del secado, el agua no se evapora en la superficie de la pieza sino en el interior de los capilares, en el mismo punto en que se encuentra ligada a la partícula arcillosa. Por lo tanto, el arrastre y depósito de sales solubles generadoras de eflorescencias desde el interior de la pieza hasta la superficie, solamente tiene lugar durante la primera fase del secado. A partir del punto crítico se interrumpe la deposición de sales sobre la superficie de la pieza. Como la solubilidad de dichas sales aumenta con la temperatura, lo recomendable sería mantener baja la temperatura del secadero durante la primera fase del secado para reducir al mínimo el nivel de eflorescencias en el producto cocido. Esto en la práctica no es aconsejable realizarlo, pues, como veremos más adelante, la eficiencia térmica del secadero se reduce notablemente a medida que baja la temperatura de los gases en la extracción. Si la arcilla contiene sales solubles susceptibles de dar eflorescencias en secado, estas aparecerán en forma tanto más intensa cuanto más alta sea la temperatura inicial de secado.

FIGURA 149:

A: pieza secada al natural B: pieza de la misma arcilla secada en secadero rápido.

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La figura 149a corresponde a una pieza secada al natural en la que no aparecen eflorescencias. La figura 149b representa una pieza moldeada con la misma arcilla secada en un secadero rápido, notablemente contaminada por una eflorescencia de secado, debida al yeso contenido en la arcilla, cuya solubilidad aumenta con la temperatura. Por lo tanto, si la arcilla utilizada es susceptible de dar eflorescencias, cabe esperar una agravación del problema si el secado se realiza en un secadero rápido.

FIGURA 150 - Variación del contenido de agua libre y de la contracción de secado en función de la consistencia de la arcilla.

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La cantidad de agua libre (ver figura 150) puede variar en una misma arcilla, según la mayor o menor consistencia con la que se efectúe el moldeo. En cambio, el agua ligada es una constante de cada arcilla que depende de su naturaleza y granulometría, es decir, de su carga eléctrica. En la figura 150 hemos representado lo que sucede cuando una misma arcilla es amasada con distintos porcentajes de humedad. A medida que se aumenta el porcentaje de agua libre, se reduce la consistencia de la pasta y se incrementa la separación entre partícula y partícula, lo cual dará como consecuencia una mayor contracción de secado. Con la contracción se aumenta el peligro de roturas en secadero, de ahí que resulte más largo y problemático el secado de un ladrillo manual, moldeado con un alto porcentaje de humedad, que el secado del mismo ladrillo moldeado en galletera con un porcentaje de agua sensiblemente más bajo. Las mejores condiciones de secado se logran al moldear en prensas, con porcentajes de humedad por debajo del "punto crítico". En la misma figura podemos observar que, a pesar del aumento del porcentaje de agua libre y de la separación entre partículas, el porcentaje de agua ligada permanece constante. Tampoco influye sobre la cantidad de agua ligada a la superficie de las partículas arcillosas, la mayor o menor rapidez con la que se efectúa el secado.

FIGURA 151 - Contenido de humedad en la pieza en función del tiempo y de las condiciones de secado.

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En la figura 151 se representa la evolución del secado de la misma arcilla de la figura 148, en dos condiciones bastante diferentes: a) 50% humedad relativa, 50°C b) 30% humedad relativa, 80°C En el supuesto a) se elimina la humedad libre en 2 horas y media, mientras que en el b) basta con hora y media.

Pues bien, en ambos casos el rendimiento del secado se mantiene constante hasta alcanzar el 10% de humedad residual en la pieza (punto crítico). Este 10% corresponde al porcentaje de agua ligada y es una constante que puede utilizarse como característica para diferenciar dos arcillas entre sí. La humedad del punto crítico coincide con el agua ligada eléctricamente a los cristales arcillosos, por lo que a medida que aumente la concentración de dichos minerales, es decir, cuanto más rica y pura sea una arcilla, más alta será la humedad correspondiente al punto crítico. Otro de los factores que influye sobre la humedad del punto crítico es la naturaleza de la arcilla. Existen minerales arcillosos como la montmorillonita con una extraordinaria capacidad de fijación de moléculas de agua, mientras que otros como la caolinita manifiestan una capacidad muy limitada. Referente a la montmorillonita, cabe señalar que las moléculas de agua no solamente son fijadas por la superficie del cristal sino que también se alojan en su interior, entre las diversas capas que forman los cristales, retenidas por los iones allí presentes. Esto da lugar a una dilatación que puede llegar a cuatro o cinco veces el volumen en seco. La humedad ligada a las partículas arcillosas, se elimina más lentamente que el agua libre contenida en los capilares, por lo tanto, cuanto más elevada sea la humedad del punto crítico, más largo será el ciclo de secado. Otro de los puntos que sirven para caracterizar a una arcilla es la humedad de equilibrio.

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FIGURA 152 - Punto crítico y humedad residual de dos arcillas secadas en idénticas condiciones (50°C y 50% H.R.).

En la figura 152 se representan las curvas de secado de dos arcillas A y B, secadas en idénticas condiciones. Puede observarse que aunque la arcilla B contiene mayor humedad de moldeo, sin embargo, seca más rápidamente, lo cual denota un mayor volumen de poros. La humedad en el punto crítico es de un 10% en A y un 7,3% en B. La arcilla A contiene mayor porcentaje de agua ligada, por lo que requerirá un secado más largo.

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Tanto la arcilla A como la B se están utilizando en la fabricación industrial de ladrillo caravista. La B es una arcilla caolinífera bastante porosa, de granulometría gruesa, que seca con rapidez y sin problemas (24 horas). En cambio la A es una arcilla montmorillonítica de granulometría más fina, en la que el secado ha resultado siempre problemático, requiriéndose ciclos mínimos de 48 horas. En las mismas curvas de la figura 152 puede observarse que en condiciones de secado normales no se logra el secado total de la pieza, llegándose a un equilibrio entre la humedad contenida en la arcilla y la humedad relativa del aire. Aunque las condiciones de secado han sido las mismas para A que para B, la arcilla A retiene mayor cantidad de humedad que la B, de donde se deduce que la arcilla A debe ser más rica en minerales arcillosos propiamente dichos, de granulometría más fina o con mayor carga eléctrica. Concluimos, por lo tanto, que la humedad de equilibrio, lo mismo que el punto crítico, constituyen valiosas informaciones acerca de la naturaleza de la arcilla, de su concentración en minerales arcillosos y de su granulometría, características de las que depende la plasticidad y las condiciones de secado. La humedad de equilibrio es una constante para cada arcilla en unas condiciones ambientales dadas. A medida que aumenta la temperatura, la fuerza del enlace arcilla-agua disminuye y la humedad de equilibrio desciende; y a la inversa, al bajar la temperatura, la energía de enlace aumenta y el equilibrio se establece en porcentajes más altos de humedad. De ahí la necesidad de trabajar con elevadas temperaturas finales de secado, cuando se requieren humedades residuales bajas. Esto no resulta práctico efectuarlo en el secadero, por lo que a ser posible se debe llevar a cabo en un prehorno, donde el material se mantiene por espacio de unas 10 ÷ 12 horas a temperaturas comprendidas entre los 250 y los 300°C. El cambio que experimenta la fuerza del enlace arcilla-agua con la temperatura tiene una gran influencia sobre el mecanismo del secado. Si secamos una pieza a temperatura ambiente, la evaporación del agua producirá un ligero descenso de temperatura en la superficie, tal como se representa en la figura 153.

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FIGURA 153 - Diferencia de temperatura entre superficie e interior de una pieza como consecuencia de la evaporación del agua y sentido del flujo.

Al descender la temperatura, la energía de enlace será mayor en la superficie que en el interior, lo cual dará lugar a un desplazamiento o flujo del agua hacia la superficie de la pieza, facilitando el proceso. Si en lugar de secarse a temperatura ambiente, la pieza fría se introduce en un secadero caliente, la superficie se calentará antes que el interior, con lo cual el flujo del agua irá de la superficie al interior, acrecentándose las diferencias de humedad que durante el secado tienen lugar entre dichas zonas de la pieza. FIGURA 154 - Inversión del sentido de flujo hacia el interior de la pieza como

consecuencia de la mayor temperatura de la superficie.

Para evitar este fenómeno la pieza se debería calentar antes de comenzar a secar. Esto se consigue introduciendo la pieza en un presecadero hasta alcanzar la temperatura de saturación del aire de evacuación del secadero. Si el material frío entra en un secadero con una humedad y temperaturas elevadas, puede producirse una condensación tan intensa que las piezas queden remojadas y la superficie ahuecada y defectuosa.

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Por lo tanto se debe aplicar con prudencia la recomendación de los viejos ladrilleros cuando decían que "la pieza antes de comenzar a secar tiene que sudar", refiriéndose al hecho de que si la pieza fría entra en un secadero caliente, con una alta humedad relativa, se producirá una condensación de humedad sobre la superficie de la pieza que evitará el secado hasta que toda la pieza alcance la temperatura del secadero. Una vez igualadas las temperaturas entre superficie e interior de la pieza, aunque sea pequeña la cantidad de agua evaporada en la superficie, se producirá un ligero descenso de la temperatura en dicho punto, dando lugar al flujo correcto. W.E. Brownell, en "Structural Clay Products", describe el siguiente experimento que consideramos de un gran valor ilustrativo: se llena con una arcilla, conteniendo aproximadamente 18% de humedad, un tubo impermeable cerrado por uno de sus extremos. El extremo cerrado se mantiene frío, mientras que el extremo abierto se calienta, con lo cual se establece un gradiente de temperaturas a lo largo del tubo. Al cabo de 1,032 horas se determinan los porcentajes de humedad de la arcilla contenida en el tubo, encontrándose un 27% en el material que ocupaba el extremo frío y un 0,5% en la primera mitad, próxima a la apertura caliente. La humedad fluye de la zona caliente a la fría a causa de la mayor energía del enlace arcilla-agua en la zona fría. El tiempo de aclimatación al que es preciso someter a la pieza fría cuando entra en el secadero se puede suprimir cuando se amasa con vapor. En la pieza moldeada con vapor, la superficie se enfría antes que el interior, estableciéndose el flujo correcto desde el primer momento. El vapor, utilizado en el amasado con vapor, es simplemente una forma de calentar la arcilla que podría ser sustituido por otro sistema de calentamiento: microondas, ... Al calentar la masa arcillosa se reduce la fuerza del enlace entre la arcilla y el agua. La cantidad de agua fijada al cristal arcilloso es menor, existiendo, a más bajos niveles de humedad, moléculas de agua libre que determinan el desarrollo de la plasticidad. Es decir, puede obtenerse la misma plasticidad con una humedad inferior en un 3 ó 4% a la utilizada cuando el moldeo se realiza en frío. Por otra parte, al calentar el agua contenida en la arcilla se reduce su viscosidad, aumentando su movilidad, con lo cual se consigue una mejor humectación de las partículas arcillosas y un reparto más uniforme de la humedad.

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Además, dado que el agua actúa como lubricante de las partículas arcillosas, cuanto mejor sea la humectación de éstas y menor la viscosidad del agua, que es lo que sucede cuando se amasa con vapor, mayor movilidad tendrán las partículas arcillosas, lográndose empaquetamientos más compactos. El resultado será una pieza seca menos porosa y de mayor resistencia. En arcillas de color gris, ricas en sustancia orgánica, se ha observado que al amasar con vapor se incrementa la tendencia a la aparición de corazón negro y abultamientos o hinchamientos, lo cual pone de manifiesto una menor porosidad de la pieza seca. Este efecto ha obligado en ciertos casos a prescindir del vapor. Cuando se moldea con vapor se consiguen reducciones del ciclo de secado comprendidas entre el 30 y 40% de su duración habitual, al mismo tiempo que se disminuye sensiblemente la energía necesaria para el secado. La razón de ese ahorro energético se debe, en primer lugar, al hecho de que cuando se amasa con vapor, el porcentaje de humedad de moldeo se reduce en un 3 ó 4% y, en segundo lugar, a que en el secadero se puede trabajar a temperaturas y humedades más altas, en los gases de evacuación, necesitándose volúmenes de aire de secado sensiblemente más bajos. Cuanto menor sea el volumen de aire utilizado en el secadero, más bajo será el consumo energético, pues se reducirán las pérdidas por calor sensible en los gases de la chimenea y se ahorrará energía eléctrica en los ventiladores de impulsión y extracción, que representan el mayor consumo eléctrico del secadero. Cuando las piezas entran frías en el secadero no se puede trabajar a temperaturas y humedades altas en la zona de entrada, pues la condensación sería excesiva, lo cual podría dar lugar a problemas de remojado del material verde. Para evitar estos problemas, se reduce humedad y temperatura en la zona de entrada aumentando el caudal de aire necesario y el consumo energético. Cabe señalar, sin embargo, que aunque el ideal sería trabajar a una temperatura y humedad lo más altas posible en la zona de entrada del secadero; en la práctica, a menos que se disponga de arcillas muy poco sensibles a las tensiones de secado y con un control de temperatura y humedad excepcionales, el óptimo de temperatura suele situarse entre los 45 y 60°C y el de H.R. en el 95 ÷ 97%. Últimamente han aparecido en el mercado secaderos que disponen de un exacto control de humedad y temperatura, lo cual les permite comenzar el proceso de secado a temperaturas comprendidas entre los 60 y 65 ºC. Los efectos positivos de la adición de vapor, se ven optimizados cuando se utiliza vapor recalentado. En las calderas clásicas se obtiene vapor a unos 150°C. En las calderas de vapor recalentado, el vapor, saliendo de la caldera pasa por un serpentín calentado por un quemador que eleva dicha temperatura a 180°C.

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FIGURA 155 - Cantidad de vapor necesaria en función de temperatura de salida deseada y humedad de entrada máxima admisible.

TABLA 10

A B 1) Temperatura aire ambiente 20°C 20°C 2) Humedad relativa aire ambiente 60% 60% 3) Temperatura salida aire secadero 30°C 60°C 4) Humedad relativa salida aire secadero 90% 90% 5) Aire necesario para extraer 1 kg. de agua 65 kg. 8,5 kg. 6) Pérdida por chimenea kcal/kilo agua extraída

A) 65 x (30 - 20) x 0,243 + 0.46 (30-20) = 162,55 kcal B) 8,5 x (60 - 20) x 0,243 + 0.46 (60-20)= 101,02 kcal 7) Calor de evaporación por kilo de agua 595 kcal 595 kcal Calor total evaporación (7) + pérdida por

chimenea (6)

757,55

696,02 Diferencia 61,53 kcal/kl agua

∼ 8%

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En la tabla 10 puede verse como, elevando la temperatura de la chimenea del secadero de los 30°C a los 60°C, las pérdidas por chimenea se reducen de las 162,55 kcal/kilo de agua extraída a las 101,02 kcal/kilo de agua extraída, lo cual representa aproximadamente el 8% del consumo térmico para evaporar la humedad contenida en la pieza y evacuarla del secadero. A este ahorro hay que sumar el derivado de tener que impulsar al secadero y extraer del mismo una cantidad de aire 7,65 veces menor, lo cual supone un ahorro en energía eléctrica considerable. Cuando se amasa con vapor, el secado se puede llevar a cabo con mayor rapidez y con un menor peligro de roturas. Si, como hemos indicado más arriba, en la pieza amasada con vapor la movilidad del agua es mayor a causa de su menor viscosidad, entonces fluirá con mayor facilidad y rapidez hacia la superficie de la pieza, con lo cual las diferencias de humedad y contracción, que en un momento dado pueden tener lugar en la misma pieza, serán menores.

Aunque el vapor se puede utilizar con todo tipo de arcillas, sin embargo, las ventajas expuestas son mucho más evidentes cuando se trabaja con arcillas plásticas a las que es preciso adicionar algún desgrasante. En estos casos, el vapor debería ser el primer desgrasante a tener en cuenta ya que, aparte de no ser abrasivo, mejora la resistencia mecánica en seco y cocido y reduce la absorción del producto acabado, al revés de lo que sucede con la mayoría de los desgrasantes. La utilización de vapor es una necesidad cuando se trabaja con arcillas plásticas montmorilloníticas; es recomendable con arcillas illíticas de plasticidad normal y puede prescindirse de él con arcillas caoliníticas de baja plasticidad. El factor que suele impedir la utilización del vapor en la mayoría de los casos es el contenido de humedad de la arcilla al entrar en planta. Así, una arcilla que con agua fría se amasa con un 22% al utilizar vapor requerirá sólo un 18 ÷ 19%. Si se adiciona un 3 ÷ 4% de humedad en forma de vapor, el contenido de humedad de la arcilla entrando en planta no debería ser superior al 14 ÷ 16%. El revenido Un fenómeno que guarda una estrecha relación con la humedad de equilibrio y que tiene una gran influencia sobre el proceso de fabricación cerámica, aunque no se le suele dar la importancia que realmente tiene, es el revenido o rehidratación que la pieza seca experimenta cuando a la salida del secadero queda expuesta a la humedad ambiental.

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Al descender la temperatura, aumenta la energía del enlace arcilla-agua y por lo tanto la humedad de equilibrio se desplaza hacia valores más altos, iniciándose un proceso de reabsorción de agua del medio ambiente. Se podrían citar numerosos casos de plantas en las que se han producido problemas por revenido. Así, en una fábrica de teja, el miércoles aumentaba el porcentaje de roturas a la salida del horno del 2 al 12% porque ese día salían las piezas que habían entrado el lunes y éstas habían permanecido en las vías de reserva desde el lunes anterior. En una planta de bovedilla en la que se introducían en el horno, de una manera alternativa, vagonetas recién encañadas y vagonetas procedentes de la reserva, se observó que también en forma alternativa, en unas vagonetas todas las piezas se presentaban fisuradas, mientras que en otras aparecían todas intactas. Se procedió al marcado de las vagonetas comprobándose que todas las vagonetas con las piezas fisuradas procedían de la reserva.

FIGURA 156

Un fabricante de caravista al que se le presentaban roturas a la salida del horno, sólo en un lateral de las vagonetas observó que dicho lateral correspondía al material que en las vías de reserva había estado más próximo a la calle, mientras que en el otro lateral cercano a la pared caliente del horno no se presentaban fisuras por no haberse producido el revenido.

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Otro fabricante constató durante varios años consecutivos un incremento en el porcentaje de roturas de horno entre los meses de Octubre y Marzo. Al descender la temperatura en los meses invernales se incrementa la fuerza del enlace arcilla-agua, intensificándose la reabsorción de agua del medio ambiente. En la figura 156 se puede observar el desarrollo del proceso de rehidratación que tiene lugar en las arcillas A y B de la figura 152 cuando, después de haberlas secado totalmente, quedan expuestas a la acción de una atmósfera cargada de humedad a temperatura ambiente. La rehidratación es muy rápida durante los dos primeros días, en los cuales la pieza absorbe entre el 50 y 60% de la humedad de equilibrio en las condiciones citadas. Las moléculas de agua que la arcilla pierde con más dificultad, las más próximas a la superficie de los cristales arcillosos son las que recupera con mayor rapidez. El porcentaje final de agua de revenido o de rehidratación después del secado coincide con la humedad de equilibrio en condiciones ambientales y constituye también una información precisa acerca de la naturaleza de la arcilla, riqueza en minerales arcillosos, granulometría, plasticidad, facilidad o dificultad de secado, etc. El porcentaje de agua de revenido aumenta también con la humedad relativa del aire, tal como puede verse en la figura 157.

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FIGURA 157 - Variación del porcentaje de agua de revenido en una arcilla de alta plasticidad y en un caolín en función de la humedad relativa del aire, a

temperatura ambiente (20°C).

El ceramista, sabiendo el tiempo que el material seco permanece expuesto a las condiciones ambientales entre salida de secadero y entrada a horno, debería determinar el agua de rehidratación de su arcilla a fin de que las piezas salgan del secadero con un porcentaje de humedad igual o ligeramente superior al mismo. Con esto se evitaría, en el supuesto de que se estuviese secando por debajo del porcentaje de agua de revenido, un gasto de combustible y un tiempo de secado inútiles. La rehidratación, sobre todo en arcillas plásticas de baja porosidad, no se produce al mismo tiempo en toda la pieza sino que comienza por la superficie y avanza lentamente hacia el interior. Como, por otra parte, esta rehidratación desigual va acompañada de un apreciable aumento de volumen, se generan tensiones que en casos extremos pueden dar lugar a la desintegración total de la pieza seca. Una pérdida de resistencia por efecto del revenido en una atmósfera al 100% de humedad relativa a 20°C durante 1 día, comprendida entre el 60 y 70% de la resistencia mecánica en seco, puede considerarse normal. Pérdidas comprendidas entre el 40 y 60% suelen ser características de arcillas magras, de alta porosidad y sin problemas de secado.

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En cambio, pérdidas por encima del 80% denotan una arcilla de alta plasticidad y baja porosidad de la que cabe esperar graves problemas de secado si no se adiciona algún desgrasante. La contracción de secado Otro parámetro muy significativo a la hora de evaluar el comportamiento de una arcilla en secado es la contracción. La contracción de secado constituye un problema importante en la industria ladrillera, ya que son las diferencias de contracción las que dan lugar a la rotura de las piezas en secado. En una misma arcilla, la contracción de secado aumenta con el porcentaje de humedad de moldeo tal como se representa en la tabla 11.

TABLA 11 - Relación entre el porcentaje de humedad de moldeo, la presión de extrusión medida en el manómetro de la galletera y la contracción de secado de una arcilla utilizada en la fabricación de ladrillo visto.

PRESIÓN DE EXTRUSIÓN

H2O DE MOLDEO CONTRACCIÓN DE

SECADO

7 Kg. 21,66 8,22 12 Kg. 18,13 5,74 17 Kg. 15,75 4,74 22 Kg. 14,91 3,91

A una misma humedad de moldeo pueden corresponder distintas contracciones de secado, si varía la granulometría de la arcilla. Cuanto más fina sea la arcilla mayor será la contracción para una determinada humedad de moldeo. Así, por ejemplo, en la figura 158 observamos que a un 15% de humedad corresponde un 1,5% de contracción en la arcilla B (magra) y un 4,4% en la arcilla A (plástica). Las curvas presentadas en la figura 158 son las curvas de Bigot, que relacionan la contracción de secado con el contenido de humedad de la arcilla.

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FIGURA 158 - Variación de la contracción de secado en función del contenido

de humedad de las arcillas A y B de las figuras 152 y 156.

Siguiendo dichas curvas observamos que el punto 1 representa el estado de la pieza al comenzar el secado. En dicho punto podemos leer en ordenadas la humedad a eliminar en secado y en abscisas la contracción que tendrá lugar a lo largo del mismo.

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FIGURA 159 - Pieza verde antes de comenzar el secado.

Al comenzar el secado, tal como se representa en la figura 159, las partículas arcillosas no se tocan ya que están separadas por el agua libre y el agua ligada. La recta 1 - 2 materializa la primera fase del secado, durante la cual se va eliminando el agua interpuesta entre partícula y partícula, manteniéndose constante la relación entre el agua evaporada y la contracción a que da lugar dicha evaporación. Cuanto más fina sea la arcilla, mayor será la superficie específica y por lo tanto mayor también la cantidad de agua interpuesta entre partícula y partícula. En el punto 2 las partículas entran en contacto y la contracción termina. FIGURA 160 - Representación esquemática de una pieza en el momento en que las partículas entran en contacto y las contracciones terminan. FIGURA 161 - Representación esquemática de la misma pieza de la figura anterior, al finalizar el secado. FIGURA 160: FIGURA 161:

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La recta 2 - 5 representa el agua contenida en los poros de la pieza cuando ha terminado la contracción de secado. Cuanto más alta sea, mayor porosidad tendrá el material y con mayor velocidad se desarrollará el proceso. El paso del punto 2 al 5 queda esquematizado en las figuras 160 y 161. La humedad en el punto 2 constituye además una indicación valiosa acerca de la granulometría de la arcilla. Las partículas más gruesas son las que primero entran en contacto, quedando entre ellas espacios huecos que son rellenados por las partículas más finas. Una alta porosidad indica un predominio de las partículas de mayor tamaño y un volumen insuficiente de finas para rellenar los espacios huecos formados por aquellas. En la práctica, el secado no sigue la línea 1 - 2 - 5 sino la 1 - 3 - 4 - 5, pues no todas las partículas entran en contacto al mismo tiempo, ya que la superficie seca con mayor rapidez que el interior; existiendo una fase intermedia en la que parte del agua evaporada procede de la interposición entre partícula y partícula, mientras otra, cada vez más importante, se evapora en los capilares y no produce contracción. La desviación de la línea 3 - 4 con respecto a la 3 - 2 - 4 constituye una información precisa sobre la desigualdad con la que se produce el secado y las dificultades que puede presentar una arcilla, ya que dicha desigualdad va acompañada de diferencias de contracción y de tensiones. La mayor desviación de la curva de la arcilla A con respecto a la curva de la arcilla B de la figura 158 explica los problemas de secado que presenta esta arcilla a escala industrial. Por otra parte, dado que las diferencias de secado en la pieza aumentan a medida que se acelera el proceso, se deduce la necesidad de suavizar las condiciones de secado y alargar el ciclo en las arcillas que se apartan sensiblemente de la curva ideal, como por ejemplo la arcilla A. Las mayores contracciones de secado se presentan entre el punto 1 y el 3, por lo que es entre dichos puntos cuando las condiciones de secado deben ser más suaves. El proceso se puede ir acelerando entre 3 y 4 y, a partir de este último punto, el secadero se hará trabajar a máximo rendimiento. Como aplicación práctica de los principios expuestos, vamos a estudiar 4 curvas de Bigot obtenidas con otras tantas arcillas, cuyas condiciones de secado cubren todo el abanico de casos y posibilidades ante las que puede encontrarse el ceramista. Así, la curva de la figura 162 corresponde a una arcilla de escasa plasticidad y elevada porosidad, utilizada en la fabricación de ladrillo ordinario, hueco y macizo.

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La baja contracción de secado (2%), obtenida con un porcentaje de agua normal (21%), pone de manifiesto una reducida superficie específica y por lo tanto una granulometría gruesa. La misma conclusión se deduce del alto porcentaje de agua de porosidad (18%). La desviación de la curva 3 - 4 respecto de la ideal 3 - 2 - 4 es mínima, lo cual significa que el secado se desarrolla con una gran uniformidad.

FIGURA 162:

En la práctica industrial, esta arcilla no presenta problemas de secado, desarrollándose el proceso en ciclos excepcionalmente cortos, 12 horas en cámaras estáticas, trabajando con material hueco. Sin embargo, durante la puesta en marcha de la fábrica se presentaron grandes problemas a causa de la insuficiente plasticidad de la arcilla y de la dificultad de ajustar la humedad de moldeo para obtener la consistencia necesaria. Como ya hemos indicado al hablar del moldeo, en las arcillas de baja plasticidad como la presente, la humedad de moldeo debe oscilar dentro de

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unos límites tan estrechos que en la realidad resulta muy difícil mantenerse siempre dentro de ellos. Si se trabaja con un ligero exceso de agua, la pieza carece de la consistencia necesaria y se deforma al desplazarse sobre los rodillos (pata de elefante). En cambio, con un pequeño defecto de humedad, le falta plasticidad, las esquinas salen dentelladas y resulta prácticamente imposible moldear material hueco, pues los tabiquillos interiores se desmoronan por falta de cohesión al cortar la barra. Para solucionar estos problemas fue necesario agregar sobre un 30% de una arcilla más plástica. La curva representada por la figura 163 corresponde a una arcilla de plasticidad normal que no presenta los problemas de moldeo de la muestra de la figura 162 ni se puede secar en un ciclo tan corto. Aunque esta arcilla se ha moldeado con el mismo porcentaje de humedad que la anterior, sin embargo, la contracción es sensiblemente más alta, lo cual indica que se trata de un material de mayor superficie específica y de granulometría más fina.

FIGURA 163:

En consecuencia la porosidad será menor. La humedad de porosidad (punto 2) es de un 14,30%, frente al 18% de la muestra de la figura 162.

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También se observa una mayor desviación de la curva 3 - 4 con respecto a la trayectoria ideal 3 - 2 - 4, lo cual indica también un secado más desigual. El secado será más lento, requiriéndose ciclos de 24 horas en lugar de las 12 de la muestra anterior.

FIGURA 164: La curva de la figura 164 corresponde a una arcilla grasa. Se moldea sin problemas con amplias diferencias de humedad, pero el secado resulta bastante problemático, siendo necesario agregar entre un 20 y un 30% de desgrasante a fin de aumentar la porosidad y reducir la contracción de secado. Las contracciones se producen durante todo el proceso de secado, lo cual explica el por qué, cuando se trabaja con arcillas de este tipo, las grietas

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suelen aparecer en la última fase del ciclo e incluso, a veces, después de haber salido la pieza del secadero.

FIGURA 165 Finalmente, la curva de la figura 165 corresponde a una arcilla montmorillonítica extraordinariamente plástica y de porosidad muy reducida. El porcentaje de humedad de moldeo puede variar dentro de unos límites muy amplios, pero el secado presenta unos problemas prácticamente insuperables, agrietándose la totalidad de las piezas. La curva de secado de esta arcilla refleja una granulometría de extraordinaria finura y una baja porosidad. En las gráficas anteriores hemos consignado los valores del porcentaje de agua de revenido o de rehidratación después del secado y la resistencia mecánica del material seco para que se vea la relación que guardan con las curvas de Bigot. Ambos parámetros experimentan un incremento progresivo al pasar de la curva de la figura 162 a la 163, 164 Y 165. Si como hemos visto anteriormente, el porcentaje de agua de revenido o de rehidratación después del secado aumenta con el contenido de la fracción

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arcillosa (< 2 micras), las diferencias de plasticidad, porosidad, velocidad de secado, etc en las curvas estudiadas pueden explicarse en función de un incremento progresivo de la concentración de minerales arcillosos propiamente dichos. La resistencia mecánica aumenta a medida que se reduce la granulometría y la porosidad de la arcilla presentando valores muy elevados en arcillas tipo montmorillonita de gran finura de grano y baja porosidad y valores bajos en arcillas caoliníferas caracterizadas por su granulometría más gruesa y mayor porosidad. Resistencias mecánicas a flexión en seco por debajo de los 30 kg./cm² suelen ser características de arcillas de granulometría gruesa, de alta porosidad y baja plasticidad, en las que el secado se desarrolla con rapidez y sin problemas. Resistencias comprendidas entre los 30 y los 70 kg./cm² pueden considerarse normales y, por encima de los 70 kg./cm², suelen ser características de arcillas plásticas en las que el secado puede resultar problemático si no se adiciona algún desgrasante. Cuando se trabaja con piezas de gran formato y encañe automático, las resistencias deben ser superiores a los 30 kg./cm² para evitar la rotura de las piezas secas durante el apilado.

FIGURA 166 - Variación del módulo de rotura en función del contenido de humedad de la pieza.

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Cuando hay problemas de roturas durante la manipulación de las piezas secas por falta de resistencia mecánica en seco, lo primero que se debería mirar es la humedad residual a la salida del secadero. El vacío también contribuye a elevar la resistencia mecánica del material seco. Aunque los desgrasantes en general reducen la resistencia del material seco, sin embargo, cuando se agregan a pastas que presentan laminaciones pueden significar un aumento de resistencia por cuanto mejoran la textura de la pieza. Algo parecido sucede con los lignosulfonatos, productos derivados de la fabricación de la celulosa, empleados extensamente en Francia, Inglaterra y Estados Unidos para mejorar las condiciones de extrusión y elevar la resistencia mecánica del material seco. La adición de un 1% de lignosulfonato sódico puede suponer en algunos casos, una mejora del 100% de la resistencia mecánica de la pieza seca. En la tabla 12, pueden verse los efectos de la adición de un 0,5 % de lignosulfito a una arcilla no calcárea. Una vez conocidos los mecanismos del secado que guardan relación con la materia prima, estudiaremos los que se refieren al aire, que es el vehículo utilizado en el secadero para transportar calor hasta la superficie de la pieza y para evacuar la humedad evaporada.

4.3 TRANSFERENCIAS DE CALOR Y HUMEDAD DURANTE EL PROCESO DE

SECADO

La eliminación de la humedad contenida en la pieza, en el proceso de secado, se hace por evaporación. Para que esta evaporación tenga lugar se necesita un aporte de calor. El vehículo utilizado para hacer llegar dicho calor hasta la superficie de la pieza es el aire. Este mismo aire servirá además para transportar el vapor producido fuera del secadero. El conocimiento de la forma como se produce el intercambio de calor entre el aire y el material es fundamental para entender el funcionamiento y control del secadero. En la figura 167 puede verse el diagrama de Mollier, en el que se ilustran los intercambios térmicos entre el aire seco y la pieza húmeda. Supongamos que tomamos 1 Kg. de aire ambiente a 20°C con un 70% de humedad relativa.

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TABLA 12: Efectos de la adición de un 0,5 % de lignosulfito sódico a una arcilla no calcárea.

Pruebas de secado 100 %

Arcilla Fo Fo:99.5 % Lign: 0.5 %

Agua de amasado Ref. al seco %. 25.42 23.06 Contracciones de secado %. 6.6 5.48 Indice de Nosova. 0.65 0.54 Carga de rotura mat. Seco Kg./cm2. 46.52 60.79 Límite máximo de fisuración cm. 20 20 Pruebas de Cocción: Temperatura de cocción ºC. 950 950 Contracción de cocción %. 2.00 1.86 Pérdida de peso en cocción %. 5.53 5.68 Agua de amasado ref. cocido %. 26.90 24.45 Absorción de agua %. 16.20 14.80 Peso especifico gr/cm3. 1.85 1.87 Carga de rotura mat. Cocido Kg./cm2. 154.13 203.10 Pruebas de Revenido: Agua de revenido %. 2.69 2.88 Carga de rotura mat. Revenido Kg./cm2. 20.17 11.42 % de pérdida de resistencia del material seco por 56.65 81.21 efecto del revenido. Contracciones de cocción a diversas temperaturas: A 850 ºC 0.16 0.12 A 900 ºC 1.00 0.9 A 950 ºC 2.00 1.86 A 1000 ºC 3.45 3.40 A 1050 ºC 6.07 6.48

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FIGURA 167 - Diagrama de Mollier.

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En el diagrama de Mollier dicho aire quedaría situado en el punto A, que corresponde a la intersección de la línea de temperatura: 20°C y la de humedad relativa: 70%. Si queremos conocer la energía térmica contenida en dicho kilo de aire, tenemos varios medios para averiguarlo. El más sencillo sería disponer de un termómetro y de un higrómetro que nos marcasen la temperatura y humedad relativa del aire y con estos datos se podría situar la muestra en el diagrama de Mollier y leer en el mismo las kcal por Kg. de aire (líneas inclinadas). Se puede utilizar también un termómetro de bulbo húmedo que, tal como se representa en la figura 168, consiste en un termómetro corriente que lleva el bulbo envuelto en un algodón o gasa húmeda que se mantiene en contacto con un recipiente con agua. El agua se evapora en la superficie de la gasa y enfría al termómetro.

FIGURA 168

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Llega un momento en que se produce un equilibrio entre el calor absorbido por el agua al evaporarse y el aportado al termómetro por el aire ambiental. Dicho equilibrio coincide con la temperatura de saturación del aire ambiente, que en el ejemplo citado corresponde a los 17°C. La extracción de vapor y la transferencia de calor de este proceso requieren que se mantenga una cierta velocidad de aire sobre el algodón o gasa a fin de obtener lecturas precisas y reproducibles. Esta velocidad, por lo general, es superior a los 4,5 m/seg. Conocida la temperatura del bulbo húmedo, que en este caso es de 17°C, se busca la intersección de la línea de temperaturas 17°C con la curva de saturación (100% humedad relativa) y se leen las kcal que corresponden a dicho punto: 10,90 kcal. Por lo tanto, 10,90 kcal es el contenido térmico por kilo de aire ambiente a 20°C y 70% de humedad relativa. Resumiendo, el bulbo húmedo da la temperatura de saturación del aire ambiente. Conociendo dicha temperatura se puede hallar con facilidad, sobre la curva de saturación o humedad relativa 100% , el contenido térmico del aire ambiente. Al mismo resultado se podría llegar aplicando el siguiente cálculo:

Q = (0,243 · A + 0,46 · H) · t + 595 · H donde: 0,243 es el calor específico del aire A = kilos de aire 0,46 es el calor específico del vapor de agua t = temperatura del aire húmedo 595 es el calor latente o de transformación que absorbe un kilo de agua al pasar del estado líquido al de vapor sin cambiar dicha temperatura H = kilos de agua por kilo de aire Aplicando dicha fórmula al caso que nos ocupa, tendríamos:

Q = (0,243 + 0,46 x 0,01) · 20 + (595 · 0,01) Q = (0,243 + 0,0046) · 20 + 5,95

Q = (0,2476 x 20) + 5,95 Q = 4,952 + 5,95 = 10,902 kcal

calor calor sensible latente

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El kilo de aire ambiental a 20°C y 70% de humedad relativa contiene, tal como puede leerse en la línea de abscisas del diagrama de Mollier 0,01 Kg de agua en forma de vapor. Calor latente y calor sensible De las 10,902 kcal que hemos encontrado en el aire, en las condiciones citadas, 5,95 kcal corresponden al calor absorbido por los 0,01 Kg de agua para pasar del estado líquido a 0°C al de vapor a la misma temperatura. Este calor es el calor latente, se define como el calor absorbido o desprendido por un cuerpo al cambiar de estado sin variar su temperatura. Las 4,952 calorías restantes corresponden al calor que ha elevado la temperatura del aire y de los 0,01 Kg de agua en él contenidos, desde los 0°C a los 20°C. El calor que se manifiesta en una elevación o descenso de la temperatura de un cuerpo según se trate de calor absorbido o desprendido, se llama calor sensible. El calor latente implica un cambio de estado sin modificación de la temperatura, mientras que el calor sensible implica un cambio de temperatura sin modificación del estado. Supongamos que pasando el kilogramo de aire ambiente a través de la zona de enfriamiento del horno o de un intercambiador, conseguimos elevar su temperatura hasta los 120°C. En este caso el contenido térmico sería el siguiente:

Q = (0,243 + 0,46 x 0,01) 120 + (595 · 0,01) Q = (0,2476) · 120 + 5,95

Q = 29,712 + 5,95 (calor sensible + calor latente) Q = 35,662 kcal

De dicho contenido térmico, el calor latente sigue siendo el mismo porque no hemos variado la humedad existente en el aire. En cambio, el calor sensible se ha incrementado de las 4,952 kcal a las 29,712 kcal. El proceso de secado consiste en un trueque de calor sensible por calor latente. Si el Kg. de aire a 120°C entra en el secadero en contacto con la pieza húmeda absorbe humedad, aumentando su calor latente y se enfría disminuyendo su calor sensible. El contenido de calor total no varía. Sería, por lo tanto, un cambio adiabático, es decir, sin variación en el contenido térmico total del sistema. Los cambios que pueda experimentar se situarán sobre la línea inclinada B - C - D - E - F, en la cual el contenido térmico es constante = 35,66 kcal. Si desde los 120°C iniciales, el aire se enfría hasta los 58°C, la humedad inicial de 0,01 kg. habrá aumentado a 0,035, situándose en C. La humedad relativa

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en este punto será del 30%, es decir, que el aire sólo contiene el 30% de la humedad que podría llevar. En el punto D, la humedad absoluta habrá subido a 0,040 kg., lo cual representará el 60% de su capacidad de transporte de agua. En E, la temperatura habrá descendido a 40°C y la humedad relativa alcanzará el 90%. Finalmente, en F, la temperatura habrá descendido a los 37,42°C con un contenido de humedad de 0,043 kg., lo cual representa el 100% de su capacidad de transporte de agua. La temperatura de dicho aire no puede descender de los 37,42°C que es su temperatura de condensación; ya que si esto sucediese, el trueque se invertiría, es decir, se produciría la transformación de calor latente en calor sensible; lo cual implicaría la condensación de parte de la humedad contenida en el aire. Ese proceso de trueque de calor sensible por calor latente a lo largo de la línea B - C - D - E - F es precisamente el que tendría lugar en un secadero ideal, en el que sin variar el contenido térmico del aire se cambiase el máximo calor sensible posible por calor latente hasta llegar a la temperatura de saturación. En la práctica sucede que parte del calor sensible disponible se pierde por las paredes y techo del secadero, por fugas de aire caliente que se puedan producir a través de las puertas o acumulado en las estanterías y material a la salida del secadero. Por esta razón es posible que, en lugar de seguir el secado la línea B - C - D - E - F, siga la línea de puntos B - G en la que se aprecia una pérdida gradual y progresiva del contenido térmico total del aire. La temperatura de saturación en el aire de salida del secadero habría descendido desde los 37,42°C a los 35°C. Se pueden evaluar el monto total de las pérdidas antes citadas determinando la temperatura del bulbo húmedo (de saturación) en la entrada del aire caliente al secadero y en la chimenea de salida. Así, en el ejemplo anterior, al descender la temperatura de saturación a 35°C, el contenido térmico del aire será de 31 kcal por kg. de aire en lugar de las 35,66 kcal y transportará 0,0368 kg. de agua en lugar de los 0,0434. De esos 0,0368 kg. de agua, sólo se consideran útiles 0,0268 ya que el aire de entrada contenía 0,01 kg. de agua.

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En consecuencia, el calor perdido será: Por lo tanto, determinando la temperatura del bulbo húmedo a la entrada del aire caliente, al secadero y en la chimenea de salida, se pueden conocer las pérdidas del secadero (paredes, techo, puertas, estanterías, material, ...). En un punto cualquiera a lo largo del secadero, la diferencia entre la temperatura del bulbo seco y del bulbo húmedo nos permite conocer el grado de saturación del aire o humedad relativa. Cuanto mayor diferencia haya entre dichas lecturas menos saturado está el aire del secadero y mayor será su poder secante. En el punto de saturación coinciden las lecturas del bulbo húmedo y bulbo seco. Actualmente estas mediciones se hacen mediante sondas tipo proceso para humedad relativa y temperatura. La sonda de humedad relativa representada en la figura 169a es una sonda de humedad utilizada en ambientes a presión atmosférica y temperatura -10°C +80°C.

FIGURA 169

P = =kcal entrada - kcal salida

kg agua evaporada kcal / kilo agua evaporada

35 66 31

0 0268173 88

,

,,

−= kcal / kilo agua evaporada

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Se basa en la dilatación de unas fibras sintéticas que accionan un potenciómetro. Este tipo de sondas son adecuadas para ambientes como el de un secadero cerámico en que el polvo y la suciedad podrían dar problemas con otro tipo de sensor (capacitativo, electrolítico, ...). Las sondas representadas en la figura 169b utilizan un sensor capacitativo en el que el dieléctrico varía con el porcentaje de humedad relativa. En ambientes con polvo y suciedad son poco fiables. Observamos, en el diagrama de Mollier figura 167, que el aire, al llegar a la temperatura de saturación, punto G, no puede recibir más humedad porque la presión desarrollada por las moléculas de agua existentes en el aire en forma de vapor es tal, que impiden el que otras moléculas presentes en la pieza en forma de agua líquida pasen al aire. En ese momento se suspende el trueque entre calor sensible y calor latente. El calor sensible existente en la pieza al llegar al punto de saturación: 31 kcal representa el calor no utilizado en el proceso de secado. De ese calor, parte ya existía en el aire tomado del ambiente punto A: 4,952 kcal, el resto corresponde a las pérdidas de calor sensible por chimenea. Estas pérdidas se obtienen hallando la diferencia entre el calor sensible del aire ambiente y el calor sensible del aire de evacuación. Uno y otro se calculan con la siguiente fórmula Qs = (0,24·A + 0,46 x H) t = kcal. Donde A, H y t tienen los significados consignados en páginas anteriores. Para una determinada temperatura de evacuación, las pérdidas por calor sensible en chimenea aumentarán a medida que descienda la temperatura ambiental y viceversa. En consecuencia, las pérdidas de calor sensible variarán a lo largo del año según la temperatura ambiente. En el momento en que se igualen la temperatura de evacuación del secadero con la temperatura ambiental, las pérdidas por calor sensible se reducirán prácticamente a 0. A esto se puede llegar de dos formas: a) descendiendo la temperatura de la chimenea, lo cual, como hemos visto

anteriormente constituye un error y da como resultado un incremento del consumo eléctrico, al tener que impulsar y extraer mayor cantidad de aire.

b) si aumenta la temperatura ambiente hasta un punto tal que supere la de

evacuación. En este caso, que puede tener lugar en días de verano muy calurosos, en lugar de pérdidas por calor sensible hay que hablar de ganancias por calor sensible.

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Se puede elevar la temperatura de evacuación en chimenea y mejorar el rendimiento global del secadero desviando una cierta cantidad de los gases de evacuación y calentándolos para elevar su temperatura antes de introducirlos de nuevo en el secadero. El mismo efecto se consigue instalando radiadores en el interior del secadero o tomando aire y recalentándolo antes de volver a introducirlo. Cabe señalar que si en un secadero con el aire de evacuación situado en F, es decir, a 37,42°C, y con el 100% de humedad relativa entra por ejemplo un 35% de aire parásito a 20°C con un 70% de humedad relativa, la mezcla resultante se situará sobre la línea de puntos que une "A" con "F" a una distancia de F proporcional al porcentaje de "A" en la mezcla y de "A" proporcional al porcentaje de "F". Es decir, estará alejado de "A" al 65% de la distancia total entre los dos puntos y de "F" al 35% de dicha distancia. El nuevo punto sería "H", que se sitúa por debajo de la línea de saturación. Como el calor sensible del aire nunca puede ser inferior al de la línea de saturación, para elevar la temperatura de "H" y situarla sobre la línea de saturación, se produce un trueque de calor latente por calor sensible. A consecuencia de este trueque, una cierta cantidad del vapor contenido en el aire se condensa pasando al estado líquido y cediendo 595 kcal por cada kilo de agua condensado. Este calor elevará la temperatura de "H" situándola sobre la línea de saturación, momento en el cual cesarán las condensaciones.

4.4 OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE SECADO

Con la optimización del proceso de secado lo que se pretende es lograr el secado de las piezas con el mínimo consumo térmico y eléctrico y sin que se produzcan roturas. Una vez conocidos los parámetros básicos de la arcilla, como son el porcentaje de humedad de moldeo, la humedad de contracción o humedad crítica, la humedad de porosidad, etc. se divide el ciclo de secado en tres zonas, tal como se expresa en la figura 170 (A, B y C). La duración de estas zonas se determina experimentalmente.

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4.4.1.- CALENTAMIENTO DE LA PIEZA En el ejemplo de la figura 170, a la zona "A" le hemos dado a priori una duración de 2 ¾ horas, que es el tiempo que consideramos necesario para el calentamiento del material; durante esta fase la alta humedad relativa del secadero (95 ÷ 97%) evita el secado de la pieza. Incluso la humedad condensada sobre las superficies frías puede dar lugar a un ligero incremento del contenido de agua de la pieza, tal como puede verse en la curva de la figura 170. FIGURA 170 - Variación del contenido de humedad de la pieza en función de

la temperatura y del porcentaje de humedad relativa

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Como hemos visto anteriormente, si hay mucha diferencia entre la temperatura del material al entrar en el secadero y la temperatura de salida de los gases en chimenea, dicha condensación puede resultar excesiva, produciéndose el remojado y ahuecamiento de la superficie de la pieza. El ideal sería que la temperatura de la pieza, al entrar en el secadero, coincidiese con la temperatura de saturación de los gases en la zona de entrada (bulbo húmedo). Para lograr esto, lo más recomendable es trabajar con vapor en la amasadora de la galletera y, si esto no es posible a causa del alto contenido de humedad de la arcilla al entrar en planta, disponer de un precalentador o presecadero muy en boga en los países de habla inglesa donde se le conoce como "holding room". Esto es particularmente necesario en invierno, cuando el tiempo es frío y la temperatura del producto está muy por debajo de la temperatura de la chimenea. Aparte del problema de condensaciones, que en este caso pueden tener lugar; si se reduce la temperatura de chimenea del secadero por contacto de los gases con material frío, se incrementa el volumen de aire necesario y disminuye la eficiencia térmica de la instalación. En el presecadero no es necesario eliminar agua alguna del producto, pero si esto tiene lugar hay que asegurarse que se realice a ritmo muy lento, pues al faltar la recirculación, el peligro de roturas es mayor. En el presecadero se debe disponer de un sensor de humedad relativa a fin de que ésta no baje de un determinado valor. Para el calentamiento del presecadero se puede utilizar aire de recuperación del horno, aire de extracción de la chimenea del secadero y aire calentado por un generador, un radiador o un vena de aire. Se puede también establecer un control por zonas del presecadero mediante sondas de temperatura que, cuando baja del punto de consigna, envían una señal que determina el cierre de la válvula de entrada de aire más frío, al mismo tiempo que abre la válvula de entrada del aire más caliente y viceversa, si la temperatura del presecadero sobrepasa la del punto de consigna.

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4.4.2.- ELIMINACIÓN DEL AGUA DE CONTRACCIÓN O CRÍTICA El secado propiamente dicho comienza en la segunda zona, a la que hemos denominado "B". En esta zona, el peligro de roturas es máximo ya que en ella tiene lugar la contracción de la pieza y son las diferencias de contracción las que dan lugar a tensiones y roturas en el material seco. Es preciso lograr una gran uniformidad de secado, lo cual se consigue estableciendo una buena recirculación de aire a través de la pieza. De la uniformidad de ventilación a través de la pieza dependerá la velocidad a la que se pueda llevar a cabo el secado en esta zona. Así, por ejemplo, piezas que secan si problemas en un secadero de rodillos en 1 hora y ½ con una velocidad de aire entre los 15 y 20 m/seg. se agrietan totalmente en un secadero con una insuficiente ventilación, trabajando con ciclos de 24 horas. Se debe lograr, sobre todo, un buen paso de aire a través de las perforaciones de la pieza, ya que en ellas hay una gran superficie evaporante para el pequeño volumen de aire disponible, por lo que enseguida se llega al punto de saturación, interrumpiéndose el secado. El barrido de este aire húmedo debería ser casi constante en esta zona del secadero. La velocidad a la que realmente se produzca el secado viene determinada por la humedad relativa del aire; por lo tanto, el secadero debe disponer en la zona B de sondas de humedad relativa. La diferencia de humedad relativa entre la sonda colocada al comienzo y la situada al final de la zona B nos dará la velocidad con la que realmente se producirá el secado. Las piezas tienen una velocidad límite que si se sobrepasa provoca la aparición de roturas. Esta velocidad límite depende en primer lugar de la velocidad del paso del aire a través de la pieza y de la frecuencia con que se ventila, tal como hemos indicado anteriormente. También depende de la naturaleza de la arcilla, de su porosidad, plasticidad y cohesión. Hay arcillas, como las caoliníticas o illíticas, con un volumen importante de poros gruesos, en las que el agua fluye con rapidez desde el interior hasta la superficie de la pieza y en las que el secado se puede realizar con rapidez desde el comienzo. En cambio, las arcillas montmorilloníticas o esmectíticas, caracterizadas por su baja porosidad, requieren un secado mucho más lento. El laboratorio debe establecer el límite de velocidad de secado, es decir, la máxima temperatura y mínima humedad relativa a la que se puede secar cada tipo de pieza fabricado, con la ventilación disponible, sin que se produzcan roturas.

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Si no se dispone de datos de laboratorio, será preciso determinarlo experimentalmente en planta a costa de exponerse a romper parte de la producción cuando se sobrepase el límite de velocidad permisible. Una vez establecida una curva ideal de humedades en esta zona, que en el esquema de la figura 172 estaría determinada por los puntos de consigna de los tres sensores de humedad situados en los sectores 1, 2 y 3 de la zona B, el sistema de control consistiría en abrir o cerrar un registro motorizado M que permitiría la entrada de aire de chimenea, aire de recuperación o del generador, etc. Una humedad relativa por encima del punto de consigna obligaría a cerrar la entrada de aire húmedo de chimenea, mientras que si dicho parámetro se sitúa por debajo del punto de consigna, se abrirá la entrada de aire de chimenea reduciéndose la de aire de recuperación y generador. Para que el sistema de control descrito resulte eficaz y fiable se debe lograr una buena uniformidad de humedades y temperaturas en la sección del secadero, lo cual solamente se consigue con una buena ventilación. El aire caliente es menos denso que el aire frío y en el secadero se ve impelido por un considerable empuje ascensional. También es cierto que el aire húmedo es menos denso que el aire seco a una determinada temperatura, sin embargo, cuando el aire se carga de humedad cede calor al agua y se enfría, aumentando su densidad. Esto da como resultado la acumulación de aire húmedo y frío en la parte inferior del secadero y la formación de corrientes de circulación preferente de aire caliente por la superior, tal como se representa en la figura 171. FIGURA 171 - Formación de corrientes de circulación preferente de aire caliente en

la parte superior del secadero y estratificación de aire frío en la base.

En este caso la información suministrada por los sensores colocados cerca del techo del horno no coincide con la situación real del ladrillo sobre las estanterías.

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FIGURA 172 - ESQUEMA - CIRCUITOS AIRE SECADERO

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El secado de las piezas que han atravesado el secadero por la zona sombreada de la figura 171 es mucho más lento que el de aquellas que lo han hecho a través de las corrientes preferentes de aire caliente. Si estas diferencias no son compensadas mediante la adopción de medidas apropiadas, la duración del ciclo de secado o el tiempo de permanencia en la zona "B" se prolongará notablemente, ya que no se podrá entrar en la zona "C" hasta que la pieza más retrasada haya alcanzado el punto crítico. También aquí se aplica la "ley del convoy" que dice que la velocidad del convoy viene determinada por la velocidad del vehículo más lento integrado en él.

FIGURA 173

En los ventiladores axiales el aire entra y sale del ventilador por el mismo plano, tal como se representa en la figura 173, lo cual da lugar a que poco a poco se vayan produciendo estratificaciones de aire frío y húmedo en la parte inferior del secadero. Para evitarlo se debe combinar la ventilación horizontal con la vertical, que debe forzar el descenso del aire caliente desde la parte superior del secadero hacia el suelo, tal como puede verse en la figura 174.

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FIGURA 174

Por lo tanto puede ser muy útil, con vistas a lograr una mejor uniformidad de humedades y temperaturas en la zona B del secadero, el instalar en las entradas de aire caliente de la zona B (1, 2 y 3 del esquema de la figura 172) ventiladores cónicos que recogen el aire caliente que entra por el conducto superior y lo hacen descender hasta la solera del secadero lográndose una gran uniformidad de velocidad de aire en toda la sección del secadero (12 ÷ 14 m/seg.). Un punto a tener en cuenta, que influye mucho en el rendimiento del secado en esta zona, es la disposición de las piezas en cuanto al flujo de aire. La pieza se ha de disponer de forma tal que ofrezca la máxima superficie posible al flujo del aire; así, en el ladrillo hueco, el flujo debe ser paralelo a las perforaciones, con ello se consigue un secado más rápido y uniforme. En el ladrillo visto perforado no se puede aplicar esta regla, pues aunque el secado es más rápido cuando el aire fluye perpendicular a la tabla, es decir, paralelo a las perforaciones, sin embargo, como veremos más adelante, esta disposición provocará un secado demasiado rápido de los tabiquillos interiores de menor sección, retrasándose el secado de la pared exterior. Al finalizar el secado acabaría secando la pared exterior y, al encontrarse con un volumen interior rígido que le impediría contraer, acabaría agrietándose.

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La velocidad de secado se duplica por cada 1,2 m/seg. que aumenta la velocidad del aire, pero hasta un cierto límite a partir del cual el rendimiento permanece invariable. Otro de los factores a tener en cuenta es la presión, sobretodo para evitar la formación de canales de circulación preferente entre el techo y las estanterías. Cuanto más alta sea la presión, más uniforme será el secado y menor el peligro de que se formen estratificaciones de aire frío en la parte inferior del secadero o canales de circulación preferente cerca del techo. Sin embargo, una alta presión aumentaría las pérdidas por fugas y conducción a través de los muros y el techo; mientras que con una depresión excesiva en la zona de salida del aire, se incrementaría el volumen de aire parásito, reduciéndose la temperatura en chimenea y aumentando el consumo. En el interior del secadero, la presión debe ir variando gradualmente desde una presión máxima a la entrada del aire caliente hasta una ligera depresión a la salida. La relación entre la presión de entrada y la ligera depresión a la salida determinará la pendiente de la curva de presiones a lo largo del secadero. Se debe procurar que el aire antes de alcanzar la chimenea de salida, recorra el camino más largo posible dentro del secadero para aumentar el intercambio de calor con el material. En consecuencia se debe impedir a toda costa la formación de canales de circulación preferente, no sólo entre el material y el techo sino incluso entre piso y piso de estantería. Por esta razón, en algunas instalaciones se están disponiendo las piezas a diferentes niveles dentro del mismo piso de la estantería. Cabe señalar finalmente por lo que respecta a la zona "B" que es importante que el secadero disponga de un buen aislamiento, ya que de lo contrario se producirían condensaciones en la zona de entrada, dando lugar a un goteo de agua desde el techo sobre las piezas de las estanterías. Al mismo tiempo la humedad condensada en las paredes irá escurriendo hasta llegar a encharcar el suelo. La temperatura del techo y las paredes debe situarse siempre por encima de la temperatura del punto de rocío del aire caliente del secadero.

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4.4.3.- ELIMINACIÓN DEL AGUA DE POROSIDAD El paso de la zona "B" a la "C" tiene lugar en el momento en que la pieza ha alcanzado el punto crítico, muy próximo al final de la contracción. Al no producirse contracciones en la pieza, se pueden forzar las condiciones de secado elevando la temperatura y reduciendo la humedad relativa del aire. En esta zona el agente principal del secado es el calor, pasando la velocidad de aire a un segundo plano. A pesar del incremento exponencial del poder secante del aire, se aprecia en la figura 170, una caída exponencial del secado de la pieza, pues cada vez el agua está más fuertemente ligada a la arcilla y el secado tiene lugar más lejos de la superficie. El control del secadero en esta zona se realiza con sondas de temperatura, tal como se ilustra en la figura 172. La duración de esta zona depende del tiempo necesario para que el contenido de humedad de la pieza se sitúe entre el 2 y 3%. Si después está prevista una cocción rápida, dicho porcentaje debe ser inferior al 1%. El tiempo de secado en la misma arcilla es directamente proporcional: a) Al espesor del producto, desde el comienzo del proceso hasta la eliminación del

agua libre (punto crítico), zona "B". b) Al espesor del producto elevado a una potencia próxima a dos, durante la

eliminación del agua de porosidad, zona "C". Es inversamente proporcional a la diferencia de temperaturas entre pieza y aire durante el período de eliminación del agua libre y gran parte del período correspondiente a la pérdida del agua de porosidad. Mientras se elimina el agua de contracción, la temperatura de la pieza permanece constante coincidiendo con la temperatura del bulbo húmedo. El tiempo de secado cambia al variar el tipo de arcilla, tal como hemos indicado anteriormente. Algunas fábricas suspenden el secado en la zona "C", para terminarlo en un prehorno a elevadas temperaturas: 200 ÷ 300°C. Con esto además se evita el revenido o rehidratación después del secado y se prepara el material para introducirlo en el horno.

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Esto se puede hacer mientras no se presenten problemas de roturas por falta de resistencia, durante el apilado de las piezas secas. Cabe señalar que la regulación automática del secadero anteriormente descrita es tanto más necesaria cuanto mayor diversidad de piezas se tengan que elaborar en la planta. 4.4.4.- SELECCIÓN DEL VENTILADOR CENTRÍFUGO La selección del ventilador centrífugo se basa en el concepto de la zona de funcionamiento óptimo que se indica a continuación. Para ello hemos dibujado las curvas características del funcionamiento del ventilador a distintas velocidades, representadas en un sistema de ejes caudal-presión (ver figura 175).

FIGURA 175

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No se aconseja utilizar un ventilador cuyo punto de funcionamiento esté situado excesivamente a la izquierda, ya que el ruido es elevado, hay peligro de funcionamiento inestable y se tiene un bajo rendimiento. Si el punto está situado a la derecha, se tiene excesiva velocidad del aire, elevado ruido y rendimiento insuficiente. Por ello se recomienda que el punto de funcionamiento esté situado en la zona central indicada. Esta zona ha sido dividida en otras cinco más pequeñas llamadas zonas de funcionamiento, las cuales facilitan extraordinariamente la elección del ventilador y permiten calcular la potencia absorbida. La forma de proceder queda indicada en los ejemplos siguientes: Ejemplo I Selección de un ventilador que debe dar un caudal de 4 m³/seg. y una presión total de 70 mm c.d.a. En la tabla 13 se encuentra que los ventiladores que pueden realizar tal cometido son: T83, T75, T68, T62, T55. Supongamos que se elige el T75. En el mismo gráfico vemos que el ventilador trabaja en la segunda zona. Mediante la tabla 14 se determina un consumo de potencia igual a 4,7 CV. En la tabla 15 se puede calcular la presión dinámica que da el ventilador, que resulta ser de 6,3 mm c.d.a. Por tanto la presión total de 70 mm se suministra en forma de:

presión estática: 64 mm c.d.a. presión dinámica: 6 mm c.d.a.

Ejemplo II Selección de un ventilador que debe dar un caudal de 2 m³/seg. y una presión estática de 25 mm c.d.a. En la tabla 13 y tomando la presión estática como total, tan sólo a efectos de tanteo, se ve que es posible utilizar los ventiladores: T75, T68, T62, T55, T51. En el supuesto de que se quisiera el T-55 en la tabla 15, se puede calcular la presión dinámica suministrada por este ventilador con un caudal de 2 m³/seg., que resulta ser de 5 mm d.c.a.

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La presión total será por tanto de:

25 + 5 = 30 d.c.a. En la tabla 13 comprobamos que con esta presión total y el caudal indicado, el ventilador T55 trabaja en zona 4. Con estos datos y la tabla 14 es posible determinar la potencia absorbida, que es de 1,4 CV. Cabe señalar que, tal como se representa en la gráfica de la figura 176, el rendimiento del ventilador mejora al pasar de la zona 5 a la zona 1 hasta alcanzar un máximo en el centro de la zona 1, a partir del cual el rendimiento comienza a disminuir.

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TABLA 13 - Determinación del tamaño de un ventilador, datos del caudal y la presión.

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TABLA 14 - Potencia absorbida por el ventilador.

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TABLA 15 - Velocidad del aire a la salida y presión dinámica.

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A veces puede ser necesario reducir o aumentar el caudal de un ventilador, lo cual se puede hacer de dos maneras distintas: A) Variando el número de r.p.m. mediante un variador de frecuencia. B) Mediante un registro o válvula motorizada que varía la sección de paso. Veamos los resultados de uno y otro sistema siguiendo el gráfico de la figura 177 que corresponde a un T102.

FIGURA 176 - Curva de rendimiento del ventilador centrífugo.

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TABLA 16:

Ventilador

Control

Caudal

Presión mm c.a.

r.p.m.

Potencia absorbida

Porcentaje rendimiento.

T102 Salida libre 8 m³ 120 875 15,23 84%

T102 Con variador de frecuencia

6 m³

70

655

6,66

84%

T102

Con registro motorizado

6 m³

135

875

13,50

80%

La potencia absorbida en cada uno de los tres supuestos antes citados será: De donde se deduce la conveniencia de instalar variadores de velocidad en lugar de válvulas motorizadas.

A): WCaudal x Presión

75 x RendimientoA = =

×

×

=8 120

75 0 8415 23

,, CV

B): WB =×

×

=6 70

75 0 846 66

,, CV

C): WC =×

×

=6 135

75 0 8013 5

,, CV

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FIGURA 177

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4.5 ALGUNOS TIPOS DE SECADERO

Vamos a dar un rápido repaso a los principales tipos de secadero que existen en el mercado tratando de resumir las características, ventajas e inconvenientes para que el usuario sepa escoger en cada caso el tipo de secadero que mejor se adapta a sus necesidades. 4.5.1.- SECADEROS DE CÁMARAS Comenzaremos por los secaderos de cámaras, de los cuales hay diferentes tipos. Los secaderos de cámaras permiten un buen control de las condiciones de secado, ya que el aire puede ser alimentado y controlado a voluntad durante todo el proceso; en consecuencia, se instalan en aquellos casos en que se fabrica una gran diversidad de piezas que requieren ciclos y condiciones diferentes de secado. El gran problema de estos secaderos aparte de la mayor mano de obra es el consumo energético, pues tratándose de un secadero discontinuo, en la última fase del ciclo hay que trabajar con aire caliente que no se llega a saturar. No hay que olvidar que entre el 85 y el 95% del calor suministrado al secadero se pierde por los gases de evacuación, como calor absorbido por el agua para pasar el estado de vapor y calor empleado en elevar la temperatura de dichos gases. Por lo tanto, si después de calentar el aire no se aprovecha su poder secante, se está tirando energía.

FIGURA 178 - Croquis orientativo correspondiente a una cámara V.C.R.

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La efectividad térmica de las cámaras se puede mejorar haciendo retornar el aire caliente no saturado desde la fase final del secado a las cámaras en las que tiene lugar la fase inicial, o bien devolviendo el aire de salida con baja saturación procedente de la fase final a la corriente de aire caliente principal y volviéndolo a alimentar en las cámaras para aumentar su grado de saturación. En la figura 178 vemos una cámara de secado tipo V.C.R. (ventilación central reversible) muy en boga en los años 60 y 70. La cámara se halla dividida por una pared central sobre la que se apoya un doble techo y en la que se instalan ocho ventiladores helicoidales. Estos ventiladores son reversibles, ventilando unos 6-8 minutos en un sentido, parando a continuación 2 minutos y ventilando otros 6-8 minutos en sentido contrario. El aire caliente llega a los ventiladores a través de una galería subterránea y unas salidas situadas en la pared central. La extracción se hace también por el suelo de la cámara. Con los ventiladores V.C.R. se lograban presiones de hasta 30 mm. C.A. estableciéndose una buena circulación de aire a través de las piezas, favorecida por el doble techo. Estos secaderos, se dejaron de instalar a partir de finales de los 70 por el coste que suponía le número de ventiladores instalados, el mayor consumo eléctrico y el mantenimiento requerido. La pared central de ventiladores fijos se sustituyó por una vía sobre la que se desplazaban los llamados ventiladores autoviajantes de gran aspa. (ver figura 179). Estos ventiladores efectúan un movimiento de vaivén a lo largo de todo el secadero. Este sistema representó una simplificación constructiva del secadero, y una reducción del coste de los equipos, pero daban mayores problemas de secado, pues, a causa de la poca presión de aire que con ellos se obtenía, (6 mm. C.A.) las piezas solo secaban superficialmente, pues, el aire no llega a penetrar a través de las perforaciones. Un ventilador de gran aspa da poca presión porque su velocidad de rotación está limitada por la velocidad periférica que es capaz de resistir el material de que está fabricado. Además el aire que sale del ventilador de gran aspa lo hace formando una especie de embudo, con una velocidad máxima en la periferia, de unos 6 metros por segundo. Dicha velocidad se va reduciendo a medida que se avanza hacia el centro. En este punto, puede darse incluso una corriente de en sentido contrario.

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Otro inconveniente de estos ventiladores, es que en ellos el aire entra y sale por el mismo plano, no llegando a mezclar el aire del techo con el de la solera, lo cual da lugar a la formación de estratos con diferencias de humedad y temperatura de hasta 8-10 ºC.

FIGURA 179: Ventilador autoviajante de gran aspa.

El ventilador de gran aspa gira a unas 400 vueltas por minuto, necesitando reductor. Trabajando a poca velocidad: 3-4 m/seg., el reductor no suele dar problemas, pero en cuanto se aumenta la velocidad a 4-4,5 m/seg. fallan los acoplamientos elásticos entre motor y reductor por el golpe que reciben en el momento del arranque. Estos problemas se han solucionado reduciendo el diámetro de los ventiladores y colocando dos o tres, uno encima de otro, con lo cual el número de vueltas se ha incrementado hasta las 1000, no necesitándose reductor. Con estos nuevos ventiladores se ha duplicado la presión pasando de los 6 a los 12 mm. C.A. bastante lejos todavía de los 30 mm C.A. que se obtenían con un V.C.R.

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El mayor problema de los secaderos es el mantenimiento: motores de ventiladores, reductores, rodamientos, trampillas que se atascan etc. No es raro encontrar secaderos con 2 o 3 ventiladores parados por no decir más.

Lo ideal sería instalar fuera del secadero todo elemento que requiera un mantenimiento: motores , reductores etc... Esto es lo que se hace en los ventiladores cónicos de eje vertical (ver figura 180). Se trata de un ventilador helicoidal que se sitúa cerca del techo del secadero, en el pasillo entre carretillas. Este ventilador mezcla el aire caliente que entra en la cámara con el aire del interior del secadero forzando a través del cono el descenso del aire caliente de la parte superior del secadero hacia el suelo, tal como indicamos en la figura 174. El aire sale del cono a unos 12 m/ seg. y a 18 mm. C.A. de presión, a través de unas rendijas existentes en la generatriz del mismo. La velocidad de aire es la misma en toda la longitud de las rendijas. El cono tiene un movimiento lento de rotación para repartir la mezcla a todo su alrededor.

FIGURA 180: Ventilador cónico.

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Todos los elementos mecánicos de accionamiento, tanto del cono como del ventilador están en el exterior del secadero, incluso el engrase puede hacerse por el exterior.

Con este ventilador se logra una gran uniformidad de temperaturas entre arriba y abajo, con diferencias de tan solo 3-4 ºC. Además la mayor presión permite una mejor penetración del aire a través de la carretilla y de las piezas, lográndose un secado más rápido y uniforme que con los ventiladores de gran aspa y los dobles o triples. Las cámaras modernas han experimentado una evolución no solo en los ventiladores sino también en toda su circuitería. Los circuitos de que consta una cámara moderna de secado son cinco. Circuitos de impulsión de aire, de recirculación, de calentamiento interno, de extracción y de recuperación de final de secado (ver figura 181). Existen varias formas de disponer estos circuitos en un secadero de cámaras, siendo la más sencilla la que tiene un único ventilador, para todas las cámaras y la salida de extracción es por la propia presión de la cámara. La circuitería que vamos a explicar a continuación, es para unas cámaras, con ventilación independiente por cámara, ligadas solo por la recuperación del calor procedente del horno y de la recuperación de final de secado. Circuito de impulsión de aire. Básicamente consiste, en un ventilador centrífugo por cámara, que impulsa el aire caliente al interior. Según la etapa en que se encuentra el ciclo de secado, puede aspirar aire del interior de la cámara para efectuar un calentamiento interno, o aire procedente del exterior, el cual se mezcla con el aire de la recuperación. Este caudal de aire se recalienta en un quemador vena de aire colocado en el conducto de impulsión o por medio de unos radiadores de fluido térmico y se impulsa por una serie de conductos a lo largo del secadero introduciéndolo en u interior. La entrada de aire de impulsión suele se por la parte superior del secadero. Circuito de recirculación de aire. Esta formado por los ventiladores colocados en el interior de cada cámara , cuya misión es mezclar el aire caliente que entra por impulsión, con el aire húmedo del interior del secadero, y la mezcla impulsarla hacia las piezas de los estantes. Estos ventiladores deben evitar la formación de estratificaciones de aire caliente que tiende a concentrarse en la parte superior de la cámara y aire frío y húmedo que se acumula cerca del suelo. Circuito de extracción de aire húmedo. El aire caliente cargado de humedad en el interior de la cámara sale al exterior, impulsado por unos ventiladores que acostumbran a ser axiales o helicoidales. Las salidas de humedad pueden estar debajo de las carretillas o en las paredes de la cámara.

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Circuito de recuperación de final de secado. Cuando el ciclo de secado se acerca a su fin y las piezas están ya bastante secas, el aire de extracción tiene una temperatura alta y una humedad relativa bastante baja, este aire contiene poca cantidad de agua y está lejos de su punto de saturación, aún teniendo capacidad para absorber agua, por tanto las cámaras modernas, incorporan este circuito en que se recupera aire de extracción de una cámara que está al final de su ciclo de secado para introducirlo en otras que están en un estadio anterior. Este sistema permite ahorrar energía.

Circuito de calentamiento interno. Este circuito consiste en aspirar aire del interior de la cámara por medio del ventilador centrífugo de impulsión o por otro y recalentarlo por medio de vena de aire o los radiadores de fluido térmico y volverlo a impulsar en el interior de la cámara. Mientras esto ocurre no hay extracción de aire húmedo y tampoco hay entrada de aire a la cámara. Por tanto el calentamiento de la misma y de las piezas a secar se efectúa con aire del interior. Este circuito se pone en funcionamiento en la primera fase de secado y es muy recomendable para piezas y arcillas muy sensibles al secado.

FIGURA 181: Circuitos de una cámara de secado.

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4.5.2.- SECADEROS CONTINUO Y SEMICONTINUO En los secaderos continuo y semicontínuo se logra mejor rendimiento térmico que en las cámaras, requiriéndose menor mano de obra, pero el coste de inversión es más elevado.

FIGURA 182 - Instalación de secado tipo semicontínuo V.C.R.

En general, en estos secaderos las piezas se cargan sobre carretillas las cuales circulan por unas vías dispuestas a lo largo del túnel de secado. El sistema de recirculación de aire en el interior del secadero ha experimentado la misma evolución descrita la hablar de las cámaras. En los años 60-70, se utilizaban recirculadores V.C.R. instalados en una pared en el centro de una doble vía a lo largo del túnel de secado (ver figura 182 y 183).

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FIGURA 183:

A finales de los 70 la pared de ventiladores se sustituyo por ventiladores autoviajantes de gran aspa, o ventiladores dobles o triples. Actualmente se instalan ventiladores cónicos con todos los elementos de accionamiento en le exterior del secadero. En el secadero semicontínuo la entrada de carretillas al interior del secadero se realiza solo, mientras funciona la extrusión. Cuando esta se para, el secadero se convierte en estático. En las 8 horas, o en el fin de semana que el secadero funciona como una cámara se produce un cambio sustancial en las curvas de humedad y temperatura que puede dar lugar a la rotura de las piezas que entran en las primeras horas del día siguiente o del lunes. W.E. Brownell refiriéndose a este tipo de secadero en fábricas en las que la extrusora funciona solo 8 horas decía que este secadero desafía todo control y que se tiene que evitar ya que las curvas de humedad y temperatura están cambiando continuamente durante todo el día, la noche y la semana. Es un secadero que se tiene que evitar según Brownell, pues, solamente el buen saber hacer del ceramista permite obtener unos resultados moderadamente satisfactorios. En España, es sin embargo, el secadero más utilizado, pues, al no tener que disponer de carretillas de reserva para alimentar el secadero durante las horas que no funciona la extrusión, resulta más económico. En estos secaderos, es particularmente necesaria la instalación de los modernos sistemas de regulación y

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control automático de los flujos de aire y calor mediante autómatas electrónicos, consiguiéndose en algunos casos ahorros energéticos del 20 %. En cuanto a los circuitos de aire que componen estos tipos de secaderos son básicamente tres: de impulsión, de recirculación y de extracción. Vamos a explicar brevemente cada uno de estos circuitos y algunas de las diferentes variantes que toman. El circuito de impulsión, consiste en un ventilador centrífugo o varios que aspira aire procedente de la recuperación del horno, aire de una posible cogeneración de calor, este aire se complementa con aire de exterior que puede calentarse, en unos generadores indirectos de fuel oil o bien en unos quemadores venas de aire o intercambiadores de fluido térmico o vapor. Este caudal de aire se hace circular por una serie de tuberías a lo largo del secadero y se va introduciendo en su interior. La entrada de aire de impulsión suele ser por la parte superior del secadero. Modernamente, estas entradas de aire están repartidas por zonas y se controlan automáticamente por medio de un autómata.

FIGURA 184: Esquema del circuito de impulsión de aire caliente.

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El circuito de recirculación es el mismo que le descrito al hablar de las cámaras de secado. Algunos constructores instalan ventiladores autoviajantes dobles o triples en la zona de entrada de los secaderos semicontínuos y cónicos en el resto del secadero. Con esto evitan un secado excesivamente rápido de las piezas situadas delante del ventilador en el momento que se para la entrada de carretillas. La extracción se hace por medio de unos ventiladores axiales o helicoidales. Las salidas de humedad pueden situarse debajo de las carretillas en la zona de entrada o en la pared junto la transbordador de entrada. Los secaderos continuos son idénticos a los semicontínuos con la única diferencia, que la alimentación es uniforme durante las 24 horas del día gracias a la reserva, alimentando el secadero mientras no funciona la extrusora. Al permitir un mejor control de las curvas de secado, los ciclos son más cortos y el consumo más bajo que en el semicontínuo; su principal inconveniente es la mayor inversión en carretillas, sobretodo cuando la extrusora trabaja solo 8 horas. En estos secaderos, se suele trabajar con los siguientes valores: a) Aire de alimentación: 50 Kg por cada Kg de agua a evaporar, lo cual representa

una concentración de vapor en el aire de chimenea de 20 gr. de vapor por cada Kg de aire.

b) Aire de recirculación 400 ÷ 600 Kg de aire por cada kilo de agua a evaporar.

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4.5.3.- EL SECADERO CON MATERIAL APILADO DIRECTAMENTE SOBRE VAGONETA DE HORNO O PLATAFORMA METÁLICA: El secadero con material apilado directamente sobre vagón de horno túnel, es un secadero continuo y por lo tanto requiere una reserva de material verde para alimentar al secadero las horas de inactividad de la sección de moldeo. Este secadero está muy difundido en países de habla inglesa para el secado de ladrillo visto moldeado en stiff (duro). Tiene la ventaja de que las piezas sólo se manipulan a la salida de galletera y por lo tanto se evitan los descantillados que se pueden producir durante la manipulación de las piezas secas.

FIGURA 185

Además, al realizarse el apilado en verde, se logra un mejor apoyo entre pieza y pieza, reduciéndose el porcentaje de roturas cuando se trabaja con arcillas de escasa resistencia mecánica en seco.

Con este secadero se consiguen los mejores rendimientos térmicos, pues se aprovecha el poder secante del aire de la fábrica durante las horas que el material permanece en las vías de reserva y no se produce pérdida de calor sensible a la salida del material del secadero, ya que entra inmediatamente en el horno. Además se evita el revenido. Esta ventaja se pierde cuando en lugar de vagonetas de horno se utilizan plataformas metálicas y el material no entra inmediatamente en el horno a la salida del secadero.

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El secadero con apilado directo en verde representa una simplificación de la manipulación de las piezas y de toda la movimentación de la fábrica: se necesita una apiladora menos, se reduce el número de transbordadores, la cantidad de vías y el espacio cubierto. En el secadero en apilado directo en verde, las caras de apoyo entre piezas se retrasan mucho en el secado, por lo que si se trata de arcillas de baja porosidad como las montmorillonitas, en las cuales el agua fluye con dificultad a través de la red capilar de la pieza, se producirán roturas. Este secadero sólo se puede utilizar con arcillas illíticas o caoliníticas que ofrezcan buenas condiciones de secado. Otro inconveniente de este secadero es su interdependencia con el horno, pues, al no existir reserva entre secadero y horno, el ciclo del secadero viene condicionado por el del horno, cuando en el horno se cuecen piezas que requieren ciclos más largos; y a la inversa, el ciclo del horno vendrá condicionado por el secadero cuando en este se secan piezas con ciclos de mayor duración que los del horno. El túnel de secado, al igual que los otros secaderos dispone de tres circuitos principales. Impulsión de aire caliente, recirculación y extracción de aire húmedo. Estos secaderos son de flujo a contracorriente. El aire impulsado por el ventilador o ventiladores de impulsión es repartido a lo largo del secadero, el cual se mezcla con el aire húmedo del interior, exteriormente el canal de secado; en la aspiración de los ventiladores de recirculación, lo cuales toman aire del interior del canal de secado y aire caliente y seco procedente de la impulsión. La mezcla, es impulsada al interior del canal por medio de los mencionados ventiladores de recirculación. En la primera fase de secado, los ventiladores de recirculación son axiales, mientras que en la segunda fase son centrífugos. El aire húmedo es aspirado a la entrada de las vagonetas al secadero por medio de uno o varios ventiladores axiales que aspirarán el aire de unos pasillos laterales al canal de secado, al cual accede el aire húmedo, por medio de unas ventanas o capillas situadas estratégicamente a lo largo del secadero. En este secadero se debe disponer de suficiente número de vagonetas de reserva para no tener que cargar el material verde en vagonetas calientes inmediatamente después de su descarga. La utilización de vagonetas de baja masa térmica ha supuesto una mejora notable en este sentido.

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Secadero con paquetes apilados en verde sobre plataformas metálicas: En este caso el apilado de los ladrillos se efectúa sobre plataformas metálicas y el paquete es de una altura menor de la utilizada posteriormente en el horno. A la salida del secadero, un puente grúa con una pinza descargará las plataformas de secado y cargará las vagonetas del horno túnel.

Con este sistema, se evita la interdependencia entre horno y secadero, se abarata la inversión en vagonetas del secadero antes descrito y se puede ir a paquetes de horno más altos. Además las piezas rotas en secadero, se pueden eliminar antes de entrar en el horno; pero se pierde buena parte de la simplificación en la manipulación y movimentación del secadero con apilado directo en vagón de horno túnel. Se necesitan más vías, más transbordadores, más espacio cubierto y otra apiladora. Los circuitos de aire de impulsión, recirculación y extracción de aire son prácticamente iguales a un secadero semicontínuo, incluso la entrada de vagonetas en el secadero también podría ser discontinua en función del trabajo de la extrusora. Los inconvenientes siguen siendo las desigualdades de secado entre el interior del paquete y la periferia y por tanto, es solo aplicable a arcillas con moderadas o bajas contracciones. 4.5.4.- SECADERO RÁPIDO Finalmente, el secadero rápido, que estuvo tan en boga en los años 70 en que el combustible era barato, hoy en día se utiliza menos que los otros secaderos antes descritos. El secadero rápido tiene la ventaja de su menor coste de inversión e inmovilizado, prestándose para el secado de piezas huecas y de paredes delgadas. Se puede establecer un buen control y lograr un rendimiento satisfactorio trabajando en continuo (3 turnos). No es tan aconsejable si sólo funciona en 2 turnos y se desaconseja para un solo turno. Su consumo de combustible es alto, pues para lograr un secado rápido es necesario trabajar a temperaturas elevadas, con lo cual se aumentan las pérdidas. Para compensar este inconveniente, muchos secaderos rápidos, tal como hemos señalado anteriormente, interrumpen el secado al llegar al punto crítico, acabándolo en un prehorno a elevada temperatura. El prehorno, permite aprovechar el calor de recuperación del horno cuando el secadero está parado, pues, de no existir, se tendría que tirar a la calle dicha recuperación.

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Existen varios tipos de secadero rápido: el secadero rápido con carretillas, el de rodillos y el de balancines. En el secadero rápido de carretillas, la carga se efectúa por medio de un cargador de estanterías.

Las carretillas y por tanto, el cargador, pueden ser de dos tipos: de pisos fijos o de pisos movibles, cargando el material sobre bandejas. Este segundo caso es de mayor complejidad, pero permite adaptarse mejor en las fábricas multi-producto, evitando las pérdidas de producción que tienen lugar en los secaderos con estanterías de pisos fijos cuando se fabrican cierto tipo de piezas. Las carretillas circulan sobre una vía. El secadero, tiene dos canales. El primer canal de entrada del material realiza la primera fase del secado. En el segundo canal se acaban de secar las piezas. Para cambiar de canal, hay un transbordador. Con este secadero se pueden obtener grandes producciones, lo cual no se logra con un secadero de rodillos o de balancines.

Antes de finalizar, haremos un estudio de algunos de los defectos más frecuentes en secado, analizando sus causas y los medios que se han de poner en práctica para evitarlas.

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4.6 DEFECTOS DE SECADO, CAUSAS Y MEDIOS PARA EVITARLOS

Estos defectos se deben a desigualdades de secado en la misma pieza, las cuales dan lugar a su vez a diferencias de contracción y resistencia. En las páginas siguientes analizaremos, sobre ejemplos tomados de la práctica, las causas más frecuentes de los defectos de secado y las medidas que se han de aplicar para evitarlos.

FIGURA 186

4.6.1. En la figura 186a se representa un bardo o supermahón verde recién

salido de molde y en la figura 186b la misma pieza en la fase inicial de secado. La mayor velocidad de secado tiene lugar en las cuatro esquinas, ya que en dichas zonas de la pieza la superficie de secado es también mayor. En consecuencia, serán las primeras en contraer, dando lugar a tensiones de tracción sobre las zonas más próximas, tal como representan las flechas de la misma figura 186b.

Si la desuniformidad de secado entre las esquinas y el centro de la pieza es pequeña porque el proceso se desarrolla lentamente, las diferencias de contracción podrán ser absorbidas por la pieza mediante una deformación elástica de las zonas sometidas a tracción. Esta deformación es reversible y puede compensar diferencias de contracción del orden del 1 al 2%. En la práctica dichas diferencias suelen ser mayores, por lo que la arcilla debe responder a ellas deformándose plásticamente. Estas deformaciones son permanentes y no se pueden achacar a un mal equilibrado de molde sino a desigualdades de secado.

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La deformación plástica tiene un límite que se puede llegar a sobrepasar si el secado es muy rápido y se producen grandes diferencias de humedad y contracción entre las esquinas y la zona central de la pieza. Entonces, si la resistencia del material es incapaz de soportar las tensiones de tracción, se producen grietas en los puntos de menor resistencia, que corresponden al centro de los cantos y la testa. Estos puntos suelen situarse a una distancia media de las esquinas o al menos equidistantes de dichos puntos (ver figura 187). FIGURA 187 - Aparición de grietas de secado durante la primera fase del ciclo, como consecuencia de un secado excesivamente rápido, en las esquinas, cantos y testas.

La aparición de las grietas en dichas zonas se debe a su mayor contenido de humedad, pues, la resistencia mecánica de la pieza seca desciende rápidamente con el contenido de humedad.

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FIGURA 188 – Grieta de principio de secado.

Una mejor comprensión del mecanismo de formación de las grietas descritas puede obtenerse a través del esquema de la figura 189.

FIGURA 189

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El problema analizado suele ser característico de las arcillas de baja plasticidad por dos razones:

a) Menor capacidad de deformación elástica y plástica y más baja

cohesión y resistencia a las tensiones. b) Mayores tensiones de molde causadas por el alto rozamiento

externo de estas arcillas y por la dificultad de lograr un buen flujo arcilloso en los cantos.

En arcillas de muy baja plasticidad estas tensiones pueden dar lugar a la aparición de dentellados saliendo la pieza de molde. La velocidad de salida, más alta por el centro de la pieza, dará lugar a un mayor ordenamiento laminar y a una menor contracción de secado. Para solucionar este problema se debe comenzar por eliminar las tensiones de molde igualando la velocidad del flujo arcilloso en toda la sección del mismo. Si el problema radica en una falta de plasticidad y cohesión de la arcilla, entonces se debe modificar la composición de la mezcla reduciendo el porcentaje de desgrasante; si las grietas son debidas a la desuniformidad de secado entre el centro y los bordes de la pieza, lo que se debe hacer es frenar el secado en la periferia reduciendo la separación entre pieza y pieza. Las diferencias de secado aumentan con la velocidad del mismo; por lo tanto, si después de poner en práctica las recomendaciones precedentes el problema subsiste, no quedará otro remedio que reducir la velocidad de secado, al menos en la zona "b" que es donde tienen lugar las contracciones.

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FIGURA 190

4.6.2. En la figura 190 se representa la misma pieza de la figura 186 moldeada con una arcilla más plástica. El menor rozamiento sobre las paredes del molde reduce las tensiones de extrusión en los cantos. Por otra parte, la mejor plasticidad de la arcilla confiere a la pieza una mayor capacidad de deformación elástica y plástica y una resistencia mecánica más elevada.

La pieza no se agrieta durante la primera fase del proceso de secado, pero la diferencia de contracción entre la periferia y el centro de la pieza genera tensiones de compresión sobre la zona central, a las cuales la arcilla responde deformándose elástica e incluso plásticamente si fuera necesario para compensar dichas tensiones.

Una vez que la periferia ha llegado al punto crítico cesan las contracciones en dicha zona mientras continúan en la central. A partir de este punto, el centro de la pieza se encuentra rodeado por marco rígido que no le acompaña en sus contracciones; generándose tensiones de tracción que pueden superar la capacidad de deformación de la pieza y su resistencia mecánica, apareciendo las grietas representadas en las figuras 191 y 192.

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FIGURA 191

El que se forme la grieta longitudinal de la figura 191a o la transversal de la figura 191b sólo depende de que la pieza seque con más velocidad por los cantos (a) o por las testas (b). Esto dará lugar a la formación de una zona húmeda longitudinal (a) o transversal (b) tal como representan las líneas de puntos. La pieza siempre rompe por los puntos de menor resistencia mecánica, los cuales corresponden al mayor contenido de humedad.

Las grietas de las figuras 191 y 192 son grietas de final de secado, más abiertas en el centro de la pieza, que se van cerrando a medida que se acercan a los bordes. Son características de arcillas plásticas. Para solucionarlas, se recomienda aumentar el porcentaje de desgrasante y reducir la velocidad de secado. Con esto se conseguirá incrementar la porosidad de la arcilla y reducir las diferencias de secado. En cambio, las grietas de la figura 187 son grietas de principio de secado, más abiertas en los bordes, que se van cerrando a medida que se acercan a la zona central. A veces aparecen muy visibles al comenzar el secado y luego se cierran. Son características de arcillas magras.

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FIGURA 192: Grietas de final de secado.

4.6.3. La grieta que aparece en la figura 193 se ha producido por un mecanismo similar al descrito anteriormente, aunque en este caso la desuniformidad de secado se debe a una insuficiente separación entre pieza y pieza. Para evitar este problema se deberá aumentar dicha separación, tal como hemos indicado en el capitulo anterior.

FIGURA 193 – Grietas producidas por insuficiente separación entre piezas.

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FIGURA 194 – Grietas producidas por un secado excesivamente rápido en un

secadero con material apilado en verde.

FIGURA 195:

4.6.4. En piezas de gran sección de salida, como el bloque representado en la

figura 195, se presentan con frecuencia grietas en el corazón de la pieza. Son grietas tanto más abiertas cuanto más alejadas se encuentran de las caras exteriores y de las superficies de corte. A veces no trascienden exteriormente y pasan desapercibidas hasta el apilado o la cocción, donde suelen dar lugar a la rotura transversal de la pieza.

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El origen de estas grietas es el mismo que el de las representadas en las figuras 191 y 193, es decir, las diferencias de secado entre la periferia y el corazón de la pieza en arcillas plásticas. En este caso la contracción más temprana de la superficie exterior da lugar a la formación de un tubo rígido, que no acompaña al interior de la pieza en sus contracciones, generándose tensiones de tracción que acaban por agrietar el núcleo de la pieza, que es la parte más húmeda y menos resistente. Para evitar este problema se recomienda, aparte de reducir la plasticidad de la arcilla y juntar más las piezas lateralmente, aumentar la separación en el sentido longitudinal, es decir, entre las superficies de corte y disminuir el número de piezas en fondo delante del ventilador, pues de lo contrario, el aire que pasa a través de las perforaciones, cuando llega a las piezas más alejadas, ya está saturado. En estas condiciones, el secado de dichas piezas no comienza realmente hasta que las más próximas al ventilador han terminado de secar, es decir, al entrar en una zona del secadero muy caliente, produciéndose un secado excesivamente rápido, que aumenta las diferencias de humedad entre superficie e interior de la pieza, generándose fuertes tensiones de tracción y roturas. También puede ayudar a evitar dichas grietas el disponer las piezas en hileras desplazadas unas de otras (al tresbolillo), tanto horizontal como verticalmente. Se ha de incrementar la velocidad del aire a través de la pieza, que barra la humedad evaporada en la superficie de los tabiquillos interiores e impida la formación de atmósferas saturadas. Tratándose de la fabricación de piezas de gran formato, un buen paso del aire a través de la pieza es fundamental.

FIGURA 196:

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4.6.5. En los ladrillos caravista, tal como se representa en las figuras 196 y 197, las grietas se suelen presentar en las testas. A primera vista da la impresión de que se trata de un problema debido a los puentes portamachos, suponiendo que dicha grieta coincida con algún puente. Sin embargo, la causa real radica en diferencias de secado entre la periferia y el centro de la pieza.

Las paredes de los tabiquillos interiores al ser más delgadas secan más rápidamente que los bordes exteriores, de mayor espesor.

FIGURA 197 - Grieta de final de secado.

Las contracciones por lo tanto se desarrollan con mayor rapidez en las paredes interiores, dando lugar a tensiones de tracción sobre las paredes exteriores a las que éstas se adaptan mediante deformaciones elásticas y plásticas. Llega un momento en que finalizan las contracciones interiores mientras continúan en el borde exterior. Estas, sin embargo, se ven obstaculizadas por el volumen fijo que ha alcanzado el interior de la pieza, lo cual provoca tensiones de tracción que dan lugar a la aparición de una fisura exterior que permite al borde de la pieza contraer libremente.

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Para solucionar este problema se debe facilitar el secado de las caras exteriores mediante una ventilación más intensa en dichas zonas. Esto se puede conseguir aumentando la separación entre las testas, reduciéndola entre las caras de corte y ventilando la pieza en sentido paralelo a la tabla en lugar de hacerlo transversalmente a las perforaciones. La distancia entre piso y piso juega un papel importante, aunque por desgracia raramente se puede modificar.

FIGURA 198

4.6.6. Las tejas, como ya hemos indicado al hablar del moldeo, secan con mayor velocidad por su cara superior. Por esta causa, los bordes se curvan hacia arriba al comenzar el secado, dando lugar a la aparición de tensiones de tracción en los cantos de apoyo, los cuales, si superan la capacidad de deformación elástica y plástica en dichos puntos, originarán fisuras similares a las de la figura 198.

La tendencia a la formación de dichas grietas disminuye a medida que se incrementa la plasticidad de la arcilla por las razones citadas al hablar de la pieza de la figura 190. Se ha de tratar de evitar el que las piezas se curven frenando la cara inferior a la salida de molde, tal como hemos señalado en el capítulo anterior. En la cara frenada al fluir la arcilla a menor velocidad el ordenamiento será menor, lo cual dará lugar a una mayor contracción de secado que se equilibrará con la mayor contracción de la cara superior producida por el secado más rápido, evitándose de esta manera la deformación de la pieza.

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Aparte de esto, se debe procurar compensar la mayor velocidad de secado de la cara superior con una ventilación más intensa de la inferior cuando ello sea posible. El secado de las bovedillas presenta muchas analogías con el de las tejas ya que la cara superior seca también con mayor rapidez que la inferior, dando lugar a deformaciones y tensiones.

En este caso el remedio más eficaz consiste en aumentar la velocidad del aire a través de la pieza, aparte de dar mayor velocidad al flujo arcilloso por la cara superior a la salida de molde.

4.6.7. Para terminar digamos que se debe procurar que la superficie de apoyo de la pieza en las estanterías de secado sea la mínima necesaria (ver figura 199b) para evitar grietas como las que se representan en la figura 199 y en el canto inferior de la figura 200.

FIGURA 199:

La baja resistencia del material en las superficies de apoyo, debido a su alto contenido de humedad es un factor determinante de la localización de las grietas representadas en la figura 199ª y figura 200.

FIGURA 200: