ES2425017A1

ES2425017A1 - Granulacion por aglomeracion de composiciones ceramicas molturadas en fase seca

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Publication number: ES2425017A1
Application number: ES201001374A
Authority: ES
Inventors: Antonio Arnau Villanova
Original assignee: Individual
Current assignee: ANTONIO ARNAU VILLANOVA
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2013-10-10
Anticipated expiration: 2030-10-26
Also published as: MX2013004698A; US20130248625A1; RU2566405C2; US9387480B2; MX356277B; BR112013010071B1; CN103269784A; ES2425017B1; EP2633903A4; ES2871048T3; BR112013010071A2; EP2633903A1; WO2012056077A1; CN103269784B; PL2633903T3; EP2633903B1; RU2013120987A; PT2633903T

Abstract

Granulación por aglomeración de composiciones cerámicas molturadas en fase seca. Composiciones cerámicas arcillosas molturadas en fase seca hasta grano inferior a 120 micrómetros se granulan sin aglutinantes, aditivos, o defloculantes a partir de minerales y materiales inorgánicos mezclados en un aparato cilíndrico rotatorio horizontal con paletas deflectoras. La entrada de dichos materiales y agua se realiza en un extremo del aparato, y por su rotación se forman gránulos que se trasladan por acción de dichas paletas deflectoras. La salida del material granulado se encuentra en el extremo opuesto del aparato. Ventajas: ahorro de energía del 80%, del consumo de agua para granulación de 75-80%; y un 10-20% de ahorro en la presión de prensado de los gránulos. El tiempo de cambio de una composición cerámica a otra es aproximadamente una hora, y por el proceso de atomizado es de días.

Description

GRANULACIÓN POR AGLOMERACIÓN DE COMPOSICIONES CERÁMICAS MOLTURADAS EN FASE SECA

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a la fabricación de cerámicas finas como los revestimientos, gres, porcelanas, sanitarias y loza sanitaria, en la que se emplea una composición de materias primas que está compuesta de arcillas y otros minerales. En particular la invención se refiere a la granulación por aglomeración de composiciones que constituyen las materias primas cerámicas obtenidas vía molturación en fase seca.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

Proponer un proceso de mezcla -granulación de materiales molturados en fase seca en sustitución del proceso actualmente empleado de molturación en fase líquida y posterior secado por atomización, en donde el proceso en fase seca evita los inconvenientes tecnológicos originados por la vía húmeda.

ESTADO DE LA TÉCNICA

La aglomeración es un término general que define el aumento del tamaño de los granoS' por fuerzas mecánicas, en otras palabras, abarca los procesos de aglomeración y unión' de partículas altamente dispersas en agregados de mayor tamaño. En realidad el término aglomeración es el opuesto tecnológico a disgregar o fragmentar. En tecnología como agregados se pueden distinguir, entre otros, las pastillas, extrudados, granulados, pellets~ tabletas, etc., la cual es una denominación particular que resulta del método tecnológico empleado en la obtención de los aglomerados de las partículas; una clasificación por el· modo que distingue entre aglomeración de mini partículas propiamente dichas,. aglomeración por presión, por atomizado y secado, y conformación sin uso de presión. Se requieren fuerzas cohesivas para la formación de unos agregados estables de mayor tamaño a partir de las partículas primarias. La naturaleza de estas fuerzas son químicas y físicas. Estas fuerzas pueden ser aportadas por las partículas por sí mismas o por coadyuvantes, como los aglutinantes o adhesivos.

En el proceso de producción se pueden señalar dos vías alternativas de la granulación de la composición cerámica, que son consecuencia de la molturación de partida escogida: a) la vía húmeda actualmente empleada con diferentes inconvenientes tecnológicos, y b) la vía seca de uso poco extendido actualmente.

Para un proceso de producción de materiales cerámicos un punto primordial lo constituye la selección entre las materias primas disponibles que deben formar parte

de la composición, las que son fundamentalmente las arcillas y los feldespatos, arenas, carbonatos y caolines. En la materia prima predominan diferentes arcillas, y los otros minerales, como feldespatos, arenas siliciosas, carbonato cálcico, etc., según las composiciones previstas a producir. Representando las arcillas el campo de los materiales blandos, y los demás los materiales duros.

Por razones económicas las materias primas se utilizan, por lo general, tal y como se extraen de la mina, o después de someterlas a un mínimo tratamiento, como es el lavado. Su procedencia natural demanda, como regla, una homogeneización previa que asegure la uniformización de sus características, la cual se puede garantizar por la propia empresa minera o por el productor de los materiales cerámicos.

Frecuentemente, como primera etapa se realiza la mezcla de los distintos· componentes de la pasta cerámica, posteriormente se somete a un proceso de molturación que generalmente puede ser en fase húmeda, o en fase seca como es el: objeto de la presente invención. En esta última, opcionalmente la mezcla se puede: realizar durante la molturación, o incluso durante la granulación propiamente dicha.

En la molturación por separado es necesario posteriormente mezclar los diferentes'

, componentes para configurar la fórmula cerámica dada. La composición presenta un' tamaño de partículas muy pequeño (menor de 120 micrómetros) y su comportamiento e~ excesivamente fluido, semejante a un liquido; un polvo tan fino hace imposible su: adecuado manejo. Posteriormente, la fluidez necesaria para el llenado de los moldes para prensas de cualquier tipo también debe ser necesariamente inferior. La composición fina' de la mezcla es muy variable dependiendo del producto cerámico final a fabricar.

Es necesario subrayar que el material resultante de la molturación presenta características bien distintas si aquella se efectúa en fase seca o en fase húmeda. En el primer caso se produce una fragmentación, manteniéndose tanto los agregados como los aglomerados de partículas, siendo el tamaño de partículas resultante superior (algunas mayores de 300 micrómetros) al obtenido en fase húmeda (todas menores de 200 micrómetros)

El procedimiento actualmente empleado en la fabricación de pavimentos y revestimientos cerámicos es el de la vía húmeda. En el proceso en fase húmeda, las materias primas se molturan en una fase líquida en el molino de bolas, lo que provoca la suspensión de materiales finamente suspendidos en agua. En consecuencia, se hace necesario eliminar esta agua de la suspensión resultante (denominada barbotina) hasta alcanzar el contenido de humedad necesario para el proceso ulterior. El método más utilizado en la fabricación de productos cerámicos para este secado es el secado por atomización. Previo al proceso de atomización, se ha realizado el mezclado de toda la composición molturada vía húmeda, dentro de molinos de bolas, continuos o discontinuos, donde se molturan y se mezclan a la vez los minerales que conforman la composición. Esta composición se moltura con un porcentaje de humedad del 30 % al 40 %, es decir, empleando agua en exceso. Se genera así una composición con una densidad entre 1,30 a 1,40 Kg/l que seguidamente se tamiza para descargar en grandes balsas y con ayuda de agitadores y aditivos se mantiene la composición en movimiento evitando su sedimentación. Cada balsa de estas puede contener más de 100.000 litros, para la que resulta necesario mezclar varias molturaciones.

El proceso de atomización es un proceso por el cual la suspensión se pulveriza en forma de gotitas, que entran en contacto con aire caliente, y como producto se obtiene un sólido con un contenido de humedad bajo. Para la eliminación del agua se introducen a presión chorros de la composición en forma de una ducha de salida hacia arriba, y a contracorriente hacia abajo se introduce el aire caliente a unos 650°C. Al fondo del atomizador caen los gránulos de la composición en forma sólida con una humedad del 5 ó 6 %. El atomizador es un aparato en forma de cono metálico de acero inoxidable de grandes dimensiones, según la producción deseada generalmente de unos 15 m de altura por unos 6 m de diámetro. Su producción se mide por litros de agua evaporada y por producto sólido a su salida en toneladas hora. El combustible para la generación de aire caliente generalmente es gas natural al proporcionar humos calientes de menor contaminación. Los gránulos producidos en el atomizador son uniformes en cuanto a su forma esferoidal y una granulometría promedio que oscila dentro de los valores adecuados para alimentar la composición cerámica a la etapa de fabricación de productos comprimidos en las prensas.

Entre los numerosos documentos que mencionan el uso de la atomización para la granulación a presión normal se pueden mencionar:

El documento CN101011843 de WANG JIAZHU se refiere al empleo combinado de diversos materiales, que incluyen talco, arcillas, para paredes artificiales con imitación a piedra. Los componentes minerales se desmenuzan, mezclan en seco, se añade el colorante, conforman y calcinan a altas temperaturas. Adicionalmente emplean el proceso de atomización para la conformación de las composiciones.

La patente CN101234888 de HAIRONG UN se refiere igualmente al empleo de arcillas para la imitación a piedra natural en azulejos y baldosas. Emplean 10-15% de polvo de piedra de porcelana de baja temperatura, 10-20% de polvo de piedra de porcelana de temperatura media, 10-15% de arena de piedra sódica, 5-10% de arena de porcelana de alto contenido de aluminio, 10-20% de arena de porcelana sódica, 5-18% de arcilla después del molino de bolas, agente de de condensación y pigmento. El método tiene las siguientes etapas:

pesado a proporciones, paso por molino de bolas, coloración, granulación y secado por atomización.

Tiene algún interés la patente GB 1315553 que reivindica, entre otros, la obtención de un catalizador con contenido alto de arcillas en mezcla con alumosilicatos amorfos y cristalinos. Aunque el método de granulación está fundamentalmente basado en el secado por atomizado, y sin entrar en detalles hace una breve mención al granulado en un mezclador convencional.

Sin embargo, el proceso de aglomeración por atomizador tiene conocidas desventajas:

El atomizador emplea un 30 % -40 % de agua sobre la masa a trabajar, lo cual conlleva un coste energético adicional para la evaporación del agua en exceso. Son necesarios aditivos para lograr una aglomeración con una resistencia mecánica tal acorde a los esfuerzos físicos de manipulación de las partículas durante las sucesivas etapas de la producción del producto cerámico acabado. La afectación al medio ambiente por estas aguas contaminadas es significativa pues ocurren: a) la contaminación de los acuíferos; b) el atomizador, también arrastra con el aire los diferentes aglutinantes, aditivos, defloculantes; y además c) la contaminación del aire por las partículas finas arrastradas de minerales, incluso desus transformados pues se alcanzan temperaturas elevadas del orden de 650 oC suficientes para la transformación de fases cristalinas.

El tiempo de respuesta para pasar de la fabricación de una composlclon a 1<1 correspondiente a otro producto cerámico es muy alto (una inercia alta del sistema); por lo cual en el atomizador o bien se construyen más balsas y molinos, o esta respuesta es mu9 lenta, días.

La inversión en la instalación de los aparatos es significativamente alta.

La importante propiedad de plasticidad que contiene la composición se pierde mucho en el atomizador pues se diluye en una cantidad excesiva de agua, así al momento del prensado del producto cerámico se necesita una mayor fuerza que en el caso de las composiciones obtenidas por la vía seca.

La vía poco utilizada en la actualidad para la granulación es la aglomeración de la composición molturada en fase seca y formación de los gránulos por adición de pequeñas cantidades de agua justa para mantener las propiedades plásticas y de cohesión inherentes a muchas arcillas, previa a la compresión en los moldes para conferir la forma del producto deseado.

Revisten especial interés por su enfoque a la producción de materiales cerámicos, aunque

con una composición que no basada en arcillas, las patentes de Gibb; James L US

4,944,905 y 4,680,230, que se refiere a un método de obtención de gránulos de cerámica

5: para agente de sostén con una región rica en aluminio cerca de su superficie, con los

siguientes pasos:

a) mezcla y peletizado con ayuda de agua, en donde el material de partida incluye un

mineral particulado como nefelina, sienita y un aglutinante, donde entre muchos proponen

la bentonita en cantidades de solamente entre 1-5% de la composición;

1 O: b) secado;

c) mezclado con alúmina;

d) finalmente calcinación.

Señalan el uso diferentes tipos de mezcladores como los convencionales de la industria

15: minera, los aglomeradores de esferas tipo de disco; entre otros, como los más eficientes·

los aparatos descritos en la patente US3,690,622 que comprenden básicamente un

recipiente cilíndrico rotatorio, cuyo eje central está en un ángulo con la horizontal, provisto

de una o más placas y al menos un impulsor de impacto, localizado bajo el ápice del

trayecto de rotación del recipiente rotatorio. No obstante, las características de los

20: materiales preparados se encuentran lejos de la composición utilizada en la industria de la

cerámica fina.

Así, se hace necesario un proceso que elimine las desventajas del proceso de atomización

y esté orientado a la granulación para su posterior prensado en las etapas de obtención de

25: diferentes productos de cerámica fina, en el que:

-Se utilice la cantidad estrictamente necesaria de agua para la aglomeración de las

partículas e inferior sensiblemente a la empleada en el proceso de atomización.

-Se realice la aglomeración sin empleo de aglutinantes, aditivos, defloculantes, etc.

-Se eviten las pérdidas por la volatilización de finos al granular los polvos.

30: -Que sea un proceso de nueva tecnología de nula contaminación acuífera y atmosférica,

con una reducción muy considerable de consumo energía y de agua.

DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN

35: Se propone una alternativa al proceso de molturación en fase líquida y posterior secado

por atomización. El proceso de granulación por aglomeración luego de la molturación en

fase seca de la presente Invención consta de las siguientes etapas:

Acopio de materias primas.

Mezcla de materiales para la obtención de la composición cerámica.

40: Molturación en fase seca.

Granulación -obtención de la morfología adecuada de partículas.

Ajuste de humedad de los granos por un secado a baja temperatura

Clasificación de gránulos por tamizado. Almacenaje o procesado ulterior

Acopio de materias primas. Generalmente la composición de alimentación para el proceso de granulación luego de la molturación en fase húmeda consta de un contenido de arcillas tipo illiticas, caoliniticas y/o arcillas refractarias en un orden del 60 %. Otros minerales son del tipo fundentes, distintos tipos de feldespatos: feldespatos sódicos, feldespatos potásicos, feldespatos de litio, y los carbonatos, carbonato de calcio, carbonato de magnesio. Adicionalmente están presentes las arenas de sílice, pegmatita, magnetita, y otros en un contenido total no mayor de 40%. Estos elementos provienen de las minas en la mayoría de los casos, o son el producto de un tratamiento previo como el lavado, por ejemplo, en el caso de las arenas.

Mezcla de materiales para la obtención de la composición cerámica. La mezcla se los componentes de la composición para cada producto cerámico en cuestión se puede realizar de varias maneras:

Mezcla de los componentes antes de la molturación. Mezcla de los componentes durante la molturación Mezcla de los componentes durante la granulación.

La mezcla de los componentes se realiza en cada caso dependiendo del tipo de materia prima, el estado en que proviene del yacimiento, e incluso del tipo de composición cerámica deseada.

Molturación en fase seca. La etapa de preparación de los materiales consta de la molturación en fase seca de los elementos que formarán la composición cerámica. Para esto, los elementos de la composición se pueden molturar por separado, o la composición final con todos sus componentes ya agregados. Luego de realizar la mezcla de los componentes seleccionados de la composición, ésta pasa el proceso de molturación en fase seca. Los molinos empleados son del tipo existentes en el estado de la técnica como los molinos de martillos o de péndulos. Durante la molturación se fragmentan las partículas de los materiales y se lleva el tamaño de partículas a menor de 120 micrómetros.

En caso de molturar por separado posteriormente se mezclan configurando la fórmula. Dicha composición finalmente tendrá un tamaño de partículas muy fino, igualmente menor de 120 micrómetros. El comportamiento de dichos polvos es semejante al de los fluidos, alguna parte de la masa está constituido por un polvo tan fino que es capaz al manipularlo de parcialmente flotar y expandirse en el aire, lo que aumenta la contaminación de los locales. En consecuencia, por esta elevada fluidez la parte fundamental de la masa hace impracticable su adecuada manipulación y llenado de moldes para prensas de cualquier tipo.

Granulación por aglomeración de las partículas.

Ha sido un resultado sorprendente la posibilidad de aglomerar las partículas molturadas en fase seca, obteniendo la granulometría adecuada para el procesado posterior de la composición cerámica gracias a un adecuado ajuste de la humedad mínima necesaria, ya la configuración del aparato empleado

Luego de molturada en fase seca, la composición en forma de polvo fino pasa a un aparato de mezclado-granulado por aglomeración a donde se alimenta una cantidad-hora-1 correspondiente a la fórmula del producto cerámico deseado, y con una cantidad de agua añadida determinada para dicha composición específica, la que corresponde sólo a la absorción por saturación. Así, se consigue formar del polvo que entra al aparato un granulado a la salida, el cual tiene la morfología y resistencia mecánica de partículas adecuada para su transporte y manipulación posterior en el llenado de moldes.

El aparato de granulación continua es un aparato cilíndrico rotatorio de disposición horizontal, provisto de barras con extremidades en forma de paletas, de forma de contacta generalmente rectangular, las que a medida de la rotación del aparato van trasladando a lo largo de toda su longitud la masa de la mezcla de minerales molturados con el agua desde un primer extremo lateral hasta el segundo extremo lateral opuesto. A dicho aparato cilíndrico la mezcla de minerales y el agua son dosificadas por la parte superior de dicho primer extremo lateral, y el material ya granulado es extraído por la parte inferior de dicha segundo extremo lateral opuesto. Dichas barras con extremidades en forma de paletas están montadas en unos ángulos determinados, aproximadamente 90°, y ayudan a la granulación de la composición jugando un papel importante en ésta.

El aparato ha experimentado determinadas modificaciones para la granulación de este tipo de composiciones fundamentalmente en el recubrimiento de su chasis interno y de sus partes internas con un material más duro y más resistente al desgaste, reforzando todo lo que estará en contacto con la composición a granular. El recubrimiento interior de aparato y el de sus herramientas internas es generalmente un recubrimiento de tungsteno, aplicado en polvo por soldadura.

El material entra al aparato a la temperatura ambiente. El proceso tiene lugar sin calentamiento externo y sólo tienen lugar las lógicas variaciones de temperatura a consecuencia de la hidratación de las arcillas y la fricción con el recubrimiento de las partes internas del aparato de granulación. La granulación tiene lugar a temperaturas entre 4080°C La humedad de entrada de la composición al aparato de granulación es del orden del 0,5 al 2,5 %. La totalidad del producto está micronizado y con más humedad perdería su propiedad aglutinante y se apelmazaría. El granulado tiene a la salida una humedad del orden del 10 al14 % y su tamaño varía entre los finos (bajo de 0,100) y gránulos de 1,0 mm. Se trabaja en este rango, introduciendo la menor cantidad posible de agua para

granular. La temperatura en la salida del orden de 40-50°C. Hay que tener en cuenta que siguiendo el proceso, la humedad del granulado se debe bajar del 12-14 % al6 % de agua y con un gasto de energía mínimo.

La velocidad de rotación del aparato se encuentra en el intervalo de 500 -3000 rpm. La velocidad está en dependencia de la alimentación en masa/hora de material a procesar y consecuentemente al tamaño del aparato. La velocidad deberá ajustarse a la composición y la cantidad a procesar, será mayor si el aparato es más pequeño.

La técnica de granulación en fase seca de sólidos heterogéneos muy finos, con tamaños promedio de partículas inferiores a 200 micrómetros, no resulta sencilla sin el empleo de aditivos, defloculantes, etc. Es usual el empleo de aglutinantes del tipo orgánico tales como resinas, almidones o derivados de la carboxilmetilcelulosa, o aglutinantes del tipo inorgánico tales como gel de sílice, silicatos, carbonatos, y otros.

En la presente invención se ha desarrollado un proceso innovador para aparatos del tipc de mezclado horizontal provistos de barras con extremidades en forma de paletas, en los' que se ha estudiado la influencia de los distintos factores que pueden conducir a una: granulación eficaz, es decir, a la formación de gránulos que después de su secado presenten las propiedades mecánicas suficientes para las operaciones subsiguientes de obtención de productos cerámicos. Entre las variables estudiadas se encuentran el contenido de agua para lograr la granulación, los tipos de composiciones deseadas de minerales, tiempos de residencia en el aparato cilíndrico rotatorio. Así, se ha determinado la adición óptima de agua para cada tipo determinado de composición deseada y, lo que es no menos importante, la velocidad óptima de rotación, y de alimentación de la mezcla (equivalente a sus tiempos de residencia), igualmente dependientes del tipo de composición cerámica. Así, es posible lograr sin empleo de aglutinantes, aditivos, defloculantes, etc., gránulos del tamaño adecuado de las composiciones previstas, con suficiente resistencia mecánica para las manipulaciones posteriores y con el menor contenido de humedad antes de la operación de secado.

La explicación a este efecto novedoso de lograr la aglomeración de las composiciones tan finas de mezcla de minerales con alto contenido de arcillas, sin necesidad de aglutinantes, aditivos, defloculantes, etc., debe buscarse en las propiedades cristaloquímicas de éstas. Las arcillas químicamente son silicatos hidratados de alúmina, cuya fórmula es: AI20 3 . 2Si02· H20. Las arcillas tienen estructuras similares a las micas y forman láminas planas hexagonales. Los minerales arcillosos se caracterizan por hojas bidimensionales de esquinas compartiendo tetraedros de Si04 y AI04. Las hojas tetraédricas están siempre unidas a hojas octaédricas formadas por cationes pequeños, como aluminio o magnesio, coordinados por seis átomos de oxígeno. El vértice no compartido de la hoja tetraédrica también forma parte de un lado de la hoja octaédrica pero se localiza un átomo adicional

de oxígeno arriba en la hoja tetraédrica al centro del sexto tetraedro. Ese átomo de oxígeno se une al átomo de hidrógeno formando un grupo OH en la estructura arcillosa. Dependiendo de la composición de las hojas tetra y octaédricas, la capa tendrá o no carga eléctrica residual, o carga neta negativa. Si las capas están cargadas, esa carga se balancea por los cationes situados entre las capas, tales como Na + Ó K+. Estas estructuras tienen la capacidad de adsorber fuertemente las moléculas de agua sobre los sitios puntuales de carga positiva o negativa (agua de cristalización) y un agua adicional que corresponde a moléculas de agua que se colocan dentro de los poros existentes en sus gránulos (agua absorbida físicamente). Las arcillas se caracterizan por adquirir plasticidad al ser mezclada con una cantidad óptima de agua. Incluso hay arcillas expansivas que son susceptibles de producir grandes cambios de volumen, en relación directa con los cambios en el contenido de agua adsorbida dentro de sus capas.

Así, esta disposición de hojas o láminas de arcillas, susceptibles de adsorber moléculas de agua y entrar en coordinación con los hidrógenos e hidroxilos de las moléculas de agua, unida a la interacción entre láminas de diferentes microgranos, debe explicar la capacidad aglutinante que tienen muchas arcillas. La presente invención hace uso de esta propiedad físico-química de las arcillas para lograr su aglomeración con la sola adicción de una cantidad determinada de agua correspondiente a la composición a formular según el tipo de producto cerámico deseado. Otras cuestiones a definir residen ciertamente en la velocidad de rotación y de traslación (el tiempo de residencia), adecuadas al tipo de composición a formular a fin de lograr la distribución de gránulos deseada.

Podemos señalar que en el proceso de la presente invención hay cuatro etapas básicas en la formación de los gránulos:

Dosificación de los polvos de la composición, o eventualmente de sus componentes, junto a la dosificación del agua necesaria en forma de gotitas, ambas dosificaciones de forma continua a la entrada del aparato.

Mezcla de los polvos y de las gotitas del agua a medida de la traslación horizontal durante la cual ocurre la nucleación de diminutos gránulos esferoidales de material que se adhieren paulatinamente.

Crecimiento de los gránulos esferoidales al tener lugar la aglomeración del mineral sobre los diminutos granos formados

Aproximación a la forma esférica a medida que van aproximándose a la salida del aparato. Esta etapa en cierta forma es análoga al de un recipiente rotatorio de granulación por aglomeración.

Ajuste de humedad y secado A continuación se procede a un secado en línea de los granulados con una humedad de salida del 10 al14 % sobre tapete continuo con aplicación de una corriente de aire caliente con una temperatura entre 60 -80 oC, para eliminar la humedad en exceso hasta finalmente un 6% de humedad. A continuación, el producto granulado se pasa por un tamiz donde se consigue unificar la medida de los gránulos, generalmente para la mayor parte de los productos cerámicos entre las 0,10 -1,00 milímetros. El porcentaje de material granulado obtenido a la salida es alto, entre 90-95 %, la cantidad de polvo <O,100mm está entre 6,0-8,0% y la cantidad de material recirculado para su recuperación es relativamente bajo, como mucho un 10 %.

Etapas de Almacenaje o Compresión directa. A continuación el material granulado puede destinarse a su almacenamiento para posterior envío a la compresión. En forma alternativa el material puede ser enviado directamente a la compresión según los productos cerámicos deseados tales como pavimento rústico, revestimiento cerámico, pavimento gresificado o gres porcelánico. La calidad del granulado es buena, su resistencia mecánica es adecuada y soporta eficazmente la operación ~ manipulación posteriores.

De esta forma, las ventajas del proceso de granulación de la presente invención en comparación con el de la atomización empleado actualmente se pueden resumir como:

En la presente invención la mezcla de los componentes de la composición se puede realizar al mismo tiempo que su granulación luego de la molturación en fase seca.

La plasticidad de la composición arcillosa molturada por vía húmeda se pierde según tipo de arcillas al diluirla excesivamente en agua y obligatoriamente granular a altas temperaturas (aprox. 650°C), mientras que por el proceso de granulación de la presente Invención la plasticidad se mantiene al adicionar sólo una pequeña cantidad de agua y no ser afectada por la temperatura de secado de unos 60 oC. En consecuencia, en el prensado de los gránulos producidos según la presente Invención se gasta menos energía, pues se aplica una fuerza aprox. 10% menor.

Según la presente Invención se obtiene una reducción del consumo de agua en un 75 -80 %, ya que en la atomización se emplea un 30-40 % sobre cantidad de masa sólida, mientras que en la presente invención se emplea sólo un 11 -13 % de agua sobre la

misma masa seca a granular (la humedad final de los gránulos en ambos sistemas es la misma del orden de 5-6 %).

Se elimina el consumo elevado de energía para la evaporación del agua en exceso al sustituir el proceso de atomizado por la granulación según la presente invención. Bajo consumo de combustible en kilocalorías por litro de agua evaporada ya que la cantidad de agua a evaporar es del orden del 80 % menor. El proceso puede emplear gas, electricidad u otro, según el más económico o disponible en la zona donde se ubique.

Limpieza total del agua evaporada luego de la granulación según la presente invención, sin polvos finos, ni aglutinantes, aditivos, defloculantes etc. El atomizador evapora el agua a temperaturas de 650 oC junto a los aditivos y partículas finas de los minerales, parcialmente descompuestos o transformados.

Por dos razones disminuye el impacto ambiental del proceso de granulación según la presente invención:

a) utiliza para granular sólo el agua estrictamente necesaria, y b) no emplea aglutinantes, ni aditivos, defloculantes etc.

El tiempo de respuesta del proceso de granulación de la Invención necesario para pasar de la fabricación de una composición cerámica determinada a otra diferente es muy bajo (aprox. una hora). En el proceso de atomizado son necesarias grandes inversiones en balsas y molinos para el cambio a nuevas composiciones, y el cambio resulta costoso en tiempo y limpiezas. Como aproximadamente un día o más si no se tienen instalaciones dobladas. Como ejemplo diremos que los atomizadores que producen composiciones de tonos rojos no fabrican atomizado de tonos blancos generalmente.

El presente proceso de granulación de la invención, luego de la molturación en fase seca, constituye una tecnología nueva de contaminación cero, pues la contaminación acuífera es nula y su consumo de agua es muy inferior a la granulación por el proceso de atomizado. A igual producción final la inversión en una instalación es con mucho más económica por la vía fase seca que por la vía acuosa.

Ahora pasaremos a describir el objeto de la Invención a partir de una realización preferente en calidad de ejemplo, pero sin tener carácter limitativo alguno, en la que la Invención brindará una mayor comprensión en base a las siguientes figuras acompañantes

BREVE DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS

La Figura 1 muestra un diagrama de flujo del proceso de granulación por aglomeración luego de la molturación vía seca de la Invención

La Figura 2 presenta una vista esquemática lateral de un mezclador granulador de la invención, empleado en el proceso de granulación por aglomeración luego de la molturación en fase seca.

La Figura 3 presenta una vista esquemática en perspectiva de dos cortes de sección transversal realizados según las líneas a -a" y b -b" de la Figura 2, líneas coincidentes con los conductos de entrada y salida del mezclador granulador; se aprecian las barras con extremidades en forma de paletas impulsoras.

La Figura 4 muestra una distribución granulométrica de un ejemplo del producto según la Invención expresada en cantidad relativa como % masa vs. dimensiones en micrómetros.

La Figura 5 (5.1 Y 5.2) presenta dos microfotografías de la forma de los granulados de la Figura 4.

La Figura 6 (6.1 Y 6.2) presenta dos microfotografías de la forma de los granulados de la Figura 4.

DESCRIPCiÓN DE LA REALIZACiÓN PREFERENTE DE LA INVENCiÓN

La realización preferente se realizó según el esquema de la Figura 1 por las etapas consecutivas, en el que se incluye adicionalmente una etapa de compresión directa de la composición cerámica granulada:

Acopio de materias primas Mezcla de materiales => Composición Molturación en fase seca Granulación Ajuste de humedad Tamizado Almacenaje Compresión

Observación: para la realización preferente la mezcla de los componentes se efectuó antes de la granulación.

Un mineral con un 62% de arcillas tipo iIIiticas se mezcló con otro mineral con un contenido de 30% de arenas de sílice y el resto de feldespatos potásicos. La mezcla de los componentes se efectuó antes de la molturación. La composición de la mezcla cerámica al final de la molturación tuvo un tamaño de partículas menor de 120 micrómetros. A continuación en la Tabla 1 se presenta el análisis químico de la composición resultante.

ELEMENTO: Composición Granulada

Si02: 50,29

Al20 3: 25,37

Fe203: 2,51

Na20: 0,14

K20: 2,40

CaO: 0,39

Ti02: 0,96

MgO: 0,39

zr02: 0,03

P20 5: 0,05

BaO: 0,045

S03: 0,36

Se observa en la composición un contenido elevado de AI20 3 lo que debiera indicar indirectamente un mayor contenido de arcillas y superior facilidad de granulación. De los cationes presentes se observa el contenido superior de K20 respecto a los otros cationes lo que debiera indicar indirectamente un mayor contenido de feldespatos (no tomamos en cuenta el Fe203 cuyo catión pesado por sí probablemente se encuentra en forma de impurezas de óxidos de hierro).

En la Figura 2 se presenta una vista esquemática lateral del aparato 1 de mezcladogranulado por aglomeración con disposición horizontal, y provisto de las barras 2. Dichas barras 2 (véase la Figura 3) constan de extremidades en forma de paletas 2a; están montadas por soldadura cilíndrica sobre el eje 2b del aparato 1, Y dispuestas en un ángulo de 90·. Tienen una forma de contacto con la mezcla cercana a la rectangular.

En la parte superior y en un primer extremo lateral del aparato 1 se aprecia el conducto de entrada 3 sobre el cual se encuentra su tapa T. A través de la tapa T y del conducto de entrada 3 de dicho aparato 1 está dispuesto el tubo 3a de dosificación de los polvos de la composición cerámica y del agua. En la parte inferior y dispuesto en el extremo opuesto del aparato 1 se aprecia el conducto 4 de salida del material granulado. En la Figura 2 se representan las líneas a -a' y b -b' por las cuales se realizan los dos cortes de sección transversal, mostrados a continuación en la Figura 3.

En la Figura 3 se aprecia con más detalle la disposición de los elementos internos del aparato, y la distribución del material como consecuencia de su rotación. En la Figura se presenta una vista esquemática en perspectiva de los dos cortes de sección transversal efectuados según las líneas a -a' y b -b' de la Figura 2; en donde el corte a -a' es realizado a través del sitio que corresponde al conducto de entrada 3 (muestra la sección circular del extremo derecho del aparato 1), y el corte b -b' es realizado en el sitio que corresponde al conducto de salida 4 (muestra la sección circular del extremo izquierdo). En ambas secciones se aprecian las barras 2, montadas por soldadura cilíndrica sobre el eje 2b, con extremidades en forma de paletas impulsoras 2a. En la Figura 3 se aprecian tanto el tubo 3a de dosificación de la mezcla de material molturado yagua a través de dicho conducto 3, como adicionalmente los tubos 3b de dosificación complementaria de agua, dispuestos a través de dichas barras 2. Pueden servir también alimentaciones de agua como la entrada por aspersión u otras, como la representada en la presente realización de entrada de agua complementaria por el interior del eje saliendo el agua por la punta de las paletas 2a para efectuar una dosificación más controlada a la composición sólida que se granula. Incluso el agua podría entrar en contacto con la composición sólida sólo dentro del aparato 1, luego de la entrada de los dos elementos por separado.

La representación de las secciones no sólo ilustran la disposición de los elementos internos del aparato 1, sino que también dan una idea de cómo transcurre la granulación de la composición cerámica. Como consecuencia de la rotación, el material se va acumulando hacia las paredes, granulando progresivamente, véase la capa circular ancha ligeramente punteada e identificada con el número 5. Dentro de esta capa se observa una acumulación de granos a medida que el radio de la capa se aproxima a la pared del mezclador granulador 1, acumulación que se representa esquemáticamente por medio del área más estrecha en gris oscuro e identificada con el número 6.

Es de resa~ar que mientras más fina y uniforme sea la aspersión del agua, más homogénea será la distribución de los tamaños de partículas, esto es, más cercanos serán los diámetros de

mientras más fina y uniforme sea la aspersión del agua, más homogénea será la distribución de tamaños de partículas, esto es, más cercanos serán los diámetros de partículas al diámetro promedio de partículas. La composición cerámica se impulsa con ayuda de las barras 2 y de sus extremidades en forma de paletas 2a, las que a medida de 5 la rotación del aparato van trasladando a lo largo de toda la longitud de dicho aparato 1 la masa del mineral molturado y el agua dosificada desde el primer extremo de sus entradas hasta un segundo extremo lateral opuesto del aparato 1. La salida por dicho segundo extremo lateral opuesto del material granulado se efectúa por gravedad a través de la boca de salida 4, situados en la parte inferior del aparato. Así, la forma de alimentación del polvo 10 de cualquier tipo de composición cerámica es realizada por medio de una cinta, tornillo sin fin o cualquier otro sistema de alimentación de sólidos hacia los tubos 3a situados dentro de la tapa (véase la figura 2), y de alimentación del agua que se introduce en los tubos y permiten conocer con exactitud las cantidades de toneladas/hora que se van introduciendo de ambos materiales, En particular, en la realización preferente se empleaba una velocidad

15 de rotación de 1500 r.p.m. y se granulaban 20 ton/hora de la composición cerámica. La humedad de entrada de la composición a dicho aparato 1 de granulación era de 0,6 %. Para la aglomeración se añadió en forma continua una cantidad de agua equivalente a un 9% de humedad en la masa alimentada, determinada ésta como la cantidad óptima para adicionar a dicha composición de revestimiento cerámico durante la granulación. Dicha

20 granulación se mantenía a temperaturas entre 20-50°C. El granulado a la salida presentó una humedad fluctuante entre 10,5-11,0% y la temperatura en la salida (5) fue del orden de 45-50°C. La muestra representativa de la composición cerámica granulada presentó la distribución de tamaños de partículas mostradas a continuación en la Tabla 1. Es de señalar que

25 incluso para preparaciones de menor volumen, realizadas preliminarmente en un aparato granulador más pequeño con la misma velocidad de rotación de 1500 r.p.m. y una capacidad de sólo 400 kg/h-1, la granulometría del producto resultó muy semejante, lo que habla de la influencia de la velocidad de rotación y adición de la cantidad óptima de agua sobre la granulometría final del producto.

30 Tabla 1 En la Figura 4 se muestra en forma diferencial esta distribución de tamaños de partículas, es decir, es reflejada como la cantidad relativa de la fracción, en por ciento en peso, que permanece retenida en los tamices de cada abertura de malla (en mm). El análisis de esta dependencia tiene un carácter bidisperso pues se observan dos máximos de diámetros de granos. Uno se encuentra en el entorno de 0,6 mm y el otro en la región de 0,4-0,1 mm. Esta distribución bidispersa de tamaños de granos puede hablarnos de un fenómeno de formación primaria de granos gruesos al adicionarse el agua. Probablemente, a continuación ocurre una formación secundaria de los granos pequeños, que deberían su formación a posteriori a costa de la fragmentación de los gruesos durante el traslado de la masa, y nucleación sobre ellos de granos secundarios a partir del polvo no enlazado al principio.

Tamiz (mm): % diferencial, peso % de acumulado debajo, peso por % de acumulado por encima, peso

1: 6,00 94,00 6,00

0,6: 18,50 75,50 24,50

0,5: 8,50 67,00 33,00

0,4: 10,70 56,30 43,70

0,3: 13,70 42,60 57,40

0,2: 16,80 25,80 74,20

0,1: 19,00 6,80 93,20

O: 6,80 0,00 100,00

Total: 100,00

Una información ilustrativa de la morfología de los gránulos preparados la brindan las Figuras 5 (5.1 Y 5.2) Y 6 (6.1 Y 6.2) las que presentan microfotografías obtenidas en un microscopio con un aumento x25 veces. Se aprecian gránulos de diferentes formas y tamaño, donde la forma se aproxima más o menos a una forma esferoidal y las diferencias de tamaño son coherentes con los resultados de granos mayores, menores y finos obtenidos por la granulometría empleando tamices.

La resistencia mecánica en seco de las muestras han dado los siguientes resultados:

Humedad de prensado del producto granulado: 6 %. Presión ejercida a la muestra: 280· Kg/cm2 (determinada por prensa hidráulica). Resistencia mecánica en seco: 40 Kg/cm2. Resistencia mecánica de las piezas luego de su cocción: 620 Kg/cm2.

Así, la resistencia mecánica de las partículas granuladas de la presente realización ha: resultado ser muy satisfactoria y durante su manejo en el transporte, manipulación y llenado de moldes se han comportado en forma idéntica a la de los productos comerciales obtenidos por el proceso de secado por atomización. La importancia práctica de la presente Invención es que el granulado no altera su morfología en cuanto a tamaño ni forma del grano durante todo el proceso de embasado, transporte a granel, manipulación normal y llenado de moldes.

En suma, la conclusión tecnológica primordial es que el producto de la presente granulación en casi su totalidad presenta diámetros de granos que se encuentran entre 1,0 Y 0,1 mm, los que se corresponden adecuadamente con las exigencias industriales impuestas para la manipulación de la composición cerámica pues la cantidad de polvos (menor de 0,1 mm) es menor que 7%, mientras que los requisitos aceptados actualmente para la manipulación de granulados cerámicos permiten un contenido de finos hasta un 14 %. Así es de resaltar que el granulado no se diferencia por sus características, a las del producto granulado comercializado actualmente y producido por la atomización de la composición molturada por vía húmeda, siendo por lo obtenido incluso mejor que algunos de tales productos. Adicionalmente desde el punto de vista de rentabilidad los granos gruesos, los que son mayores de 1 mm, se obtienen sólo un 6 %. Es de notar que los granos gruesos (mayores que 1 mm ) son reciclados en el proceso y se vuelven a molturar. No se sirve a los clientes granulados comerciales con gránulos mayores de 1 mm. Este porcentaje es también muy satisfactorio ya que nos presenta un proceso de granulación con una rentabilidad del 94 % del producto alimentado al aparato.

En consecuencia, se ha desarrollado un proceso para la granulación luego de la molturación en fase seca con granulados equivalentes en sus propiedades a los granulados obtenidos en la industria de materiales cerámicos por el proceso de molturación vía húmeda y el posterior atomizado de la suspensión.

Las ventajas obtenidas por el proceso de granulación de la presente Invención en comparación con el proceso de granulación por atomizado empleado actualmente en la industria de materiales cerámicos se pueden resumir como: Elevado ahorro de energía del 80 %, por la reducción del consumo de agua en un 75 -80 % en la granulación y de un 10 -20 % en el prensado posterior de los gránulos producidos según la Invención.

El tiempo de respuesta por la Invención para el cambio de la fabricación de un tipo de composición determinada a otro tipo de composición cerámica es muy bajo, de una hora, mientras que por el atomizado resulta muy alto, de días.

A igual producción final, la inversión en la instalación de granulación según el proceso de la Invención para molturados obtenidos por vía seca es mucho más económica que por el de granulación por atomización de los molturados obtenidos por vía acuosa.

El presente proceso de granulación de la Invención constituye una tecnología medioambiental nueva de contaminación cero, pues la contaminación acuífera y gaseosa es nula y su consumo de agua es muy inferior.

Una vez descrita suficientemente la invención, así como una realización preferente de la misma, como ejemplo y sin carácter limitativo, sólo debe añadirse que es posible realizar modificaciones en su constitución y materiales empleados sin apartarse del alcance de la misma, definido en las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de granulación por aglomeración de composiciones cerámicas arcillosas molturadas en fase seca, caracterizado porque comprende las etapas de:

Introducir a temperatura ambiente una composición cerámica de componentes pulverulentos en fase seca con tamaños de grano inferior a 120 micrómetros, obtenida a partir de minerales arcillosos y material inorgánico molturados, en un aparato cilíndrico de disposición horizontal (1) a través de un primer extremo, siendo el contenido de la composición de hasta un 60% de componentes minerales arcillosos del total introducido;

Introducir agua sin aglutinantes ni aditivos, en el aparato cilíndrico (1) en una cantidad determinada en función de la composición cerámica introducida y de la granulación a obtener;

Granular de manera continua sin paradas dicha composición cerámica de componentes pulverulentos en el interior del aparato cilíndrico (1) mediante la traslación de dichos componentes para la formación de gránulos, desde dicho primer extremo hasta un segundo extremo, por la acción de rotación de un eje central (2b) con barras perpendiculares (2) dotadas de paletas (2a) en sus extremos, siendo la velocidad de rotación del eje (2b) de entre 500 y 3.000 rpm, manteniendo la velocidad de rotación y la cantidad de agua constantes durante la granulación de la composición cerámica de materiales pulverulentos, dependiendo la velocidad de rotación de la composición cerámica introducida y de la granulación a obtener; y

Extraer el material granulado del aparato cilíndrico (1) por dicho segundo extremo.
2.

Procedimiento, según reivindicación 1, caracterizado porque la humedad de los componentes pulverulentos al introducirse en el aparato cilíndrico (1) es de entre el 0,5% y el 2,5% en peso.
3.

Procedimiento, según reivindicación 1, caracterizado porque la humedad del material granulado en la salida del aparato cilíndrico (1) es de entre el 8% y el 15% en peso en función de la composición cerámica introducida en el aparato cilíndrico (1).
4.

Procedimiento, según reivindicación 3, caracterizado porque el material granulado es sometido a una etapa de secado en línea continua para reducir la humedad hasta un 6%-7% en peso a una temperatura adecuada en función de la cantidad de agua a secar, del tiempo y del espacio disponible.
5.

Procedimiento, según reivindicación 4, caracterizado porque la temperatura de secado es de entre 40· y 90·C.
6.

Procedimiento, según reivindicación 1, caracterizado porque la cantidad de agua introducida es de entre un 11 % Y un 13% sobre el peso de la masa seca a granular.
7.

Procedimiento, según reivindicación 1, caracterizado porque la composición cerámica de minerales arcillosos y material orgánico es obtenida por la mezcla de los mismos, pudiendo realizarse dicha mezcla antes de la molturación de los minerales y materiales; durante la molturación de los mismos; después de la molturación; o durante la granulación en el aparato cilíndrico (1).
8.

Procedimiento, según reivindicación 1, caracterizado porque los minerales arcillosos se seleccionan entre las arcillas tipo iIIiticas, caoliníticas y/o arcillas refractarais o mezclas de estas; y los materiales inorgánicos se seleccionan entre arenas de sílice, arenas feldespáticas, feldespatos sódicos, feldespatos potásicos, feldespatos de litio, pegmatita, magnetita, carbonato de calcio, carbonato de magnesio, o mezclas de estos.
9.

Procedimiento, según reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de granulación se realiza a una temperatura de entre 20· y 50·C.
10.

Procedimiento, según reivindicación 4, caracterizado porque tras el secado se somete al

material granulado a su unificación en función de la medida de los gránulos por tamizado, siendo: Entre un 90 y un 95% del material granulado tiene una medida de entre 0,1 Y 1 mm, Entre un 6 y un 8% del material granulado tiene una medida menor de 0,1 mm,

considerándose polvo que es recirculado para volver a la etapa de granulación, y Entre un 0% y un 10% del material granulado tiene una medida mayor de 1 mm, y es recirculado para su recuperación volviéndose a molturar.
11. Aparato cilíndrico (1) para granulación por aglomeración de composiciones cerámicas, caracterizado porque comprende: Un cuerpo cilíndrico (1) dispuesto horizontalmente con un primer extremo y un segundo extremo, Un eje central (2b) que recorre interiormente el cuerpo cilíndrico desde el primer extremo al segundo extremo, y con una velocidad de rotación de entre 500 y 3.000 rpm,

Unas agrupaciones de barras (2) radiales, dispuestas a lo largo del eje (2b), formada cada agrupación por cuatro barras (2) que forman 90· entre sí, y presentando dichas barras (2) extremidades en forma de paletas (2a),

Una entrada de dosificación controlada (3) de material pulverulento con grano inferior a 120 micrómetros situada en la parte superior del primer extremo del cuerpo cilíndrico (1), Una salida (4) de material granulado situada en la parte inferior del segundo extremo del cuerpo cilíndrico (2), Una entrada de dosificación controlada de agua situada en el primer extremo del cuerpo cilíndrico (1).
12.

Aparato, según reivindicación 11, caracterizado porque la entrada de agua se sitúa en la entrada de material pulverulento.
13.

Aparato, según reivindicación 11, caracterizado porque la entrada de agua se sitúa en el interior del eje central (2b) que comunica con las puntas de las paletas (2a).
14.

Aparato, según reivindicación 12, caracterizado porque la entrada de agua es por aspersión.

Acopio de materias primas

Mezcla de materiales :::: Composición

Molturación en fase seca

Granulación

Ajuste de humedad

r

Compresión

FIGURA 1

13a

T 1 b

I \ I

~ I

b' a

Figura 2

lb

1 1 1

la

3b -...... 1

13a

-

3

f -5

lb'

la'

Figura 3

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

O

1

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 O

FIGURA 4

FIGURA 5.1

FIGURA 5.2

FIGURA 5

FIGURA 6.1

FIGURA 6.2

FIGURA 6