ES2871048T3

ES2871048T3 - Granulación por aglomeración de composiciones cerámicas molturadas en fase seca

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Publication number: ES2871048T3
Application number: ES11835673T
Authority: ES
Inventors: Villanova Antonio Arnau
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2021-10-28
Anticipated expiration: 2031-10-25
Also published as: BR112013010071A2; EP2633903B1; ES2425017A1; MX2013004698A; EP2633903A1; PL2633903T3; BR112013010071B1; EP2633903A4; CN103269784B; RU2013120987A; ES2425017B1; MX356277B; CN103269784A; US9387480B2; PT2633903T; US20130248625A1; RU2566405C2; WO2012056077A1

Abstract

Se propone una alternativa al proceso de molturación en fase líquida y secado por atomización. El proceso consta de una molturación en fase seca y preparación de composiciones cerámicas arcillosas sin aglutinantes, aditivos, o defloculantes a partir de minerales arcillosos (aprox. 60%) en mezcla con materiales inorgánicos, tamaños de grano inferior a 120 micrómetros, en un aparato cilíndrico rotatorio horizontal con paletas deflectoras, la entrada de dichos minerales, materiales pulverulentos y agua se realiza en un extremo de dicho aparato; y por la rotación de dicho aparato se forman gránulos que se trasladan por dichas paletas deflectoras. La salida del material granulado se encuentra en el extremo opuesto de dicho aparato.

Description

DESCRIPCIÓN

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 tales como revestimientos, gres, porcelanas, cerámicas sanitarias y loza sanitaria, en la que se usa 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 forman las materias primas cerámicas obtenidas vía molturación en fase seca.

Objeto de la invención

El objeto de la invención es proponer un método de mezcla - granulación de materiales molturados en fase seca en sustitución del método actualmente usado de molturación en fase húmeda y posterior secado por atomización, en el que el método en fase seca evita los inconvenientes tecnológicos originados por la fase húmeda.

Estado de la técnica

La aglomeración es un término general que define el aumento del tamaño de los granos por fuerzas mecánicas, es decir, abarca los métodos 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 la técnica, agregados pueden incluir, entre otros, pastillas, extrudados, granulados, pellets, tabletas, etc., que es una denominación particular que resulta del método tecnológico usado en la obtención de los aglomerados de las partículas; una clasificación que distingue la 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. Estas fuerzas son fuerzas químicas y físicas. Estas fuerzas pueden ser aportadas por las partículas por sí mismas o por coadyuvantes, tales como aglutinantes o adhesivos.

En el método de producción se pueden señalar dos vías alternativas para la granulación de una composición cerámica, que son el resultado de la molturación de partida escogida:

a) el método en fase húmeda actualmente usado con diferentes inconvenientes tecnológicos, y

b) el método en fase seca de uso poco extendido actualmente.

Un punto primordial para un método de producción de materiales cerámicos es la selección entre las materias primas disponibles que deben formar parte de la composición, fundamentalmente arcillas y feldespatos, arenas, carbonatas y caolines. La materia prima contiene principalmente diferentes arcillas y otros minerales, como feldespatos, arena silícea, carbonato cálcico, etc., según las composiciones previstas a producir. Las arcillas representan el campo de materiales blandos y los demás representan el campo de 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, tal como lavado. Su procedencia natural requiere, como norma, 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.

La primera etapa consiste en la mezcla de distintos componentes de la pasta cerámica, posteriormente se somete a un método de molturación que generalmente puede ser en fase húmeda, o en fase seca tal como 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 mezclar posteriormente los diferentes componentes para formar la fórmula cerámica dada. La composición tiene un tamaño de partículas muy pequeño (menor de 120 micrómetros) y su comportamiento es excesivamente fluido, semejante a un líquido; 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 final 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 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 método usado actualmente en la fabricación de pavimentos y revestimientos cerámicos es el método de la fase húmeda. En el método 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 método ulterior. El método más utilizado en la fabricación de productos cerámicos para secado es el secado por atomización. Previo al método de atomización, se ha realizado el mezclado de toda la composición molturada en fase húmeda, dentro de molinos de bolas, continuos o discontinuos, donde se molturan y se mezclan a la vez los minerales que forman 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 una de estas balsa puede contener más de 100.000 litros, por tanto resulta necesario mezclar varias molturaciones.

El método de atomización es un método 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 aire caliente a unos 650° C. Al fondo del atomizador caen los gránulos de la composición en forma sólida con un contenido de humedad del 5 o 6 %. El atomizador es un dispositivo 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 la cantidad de producto sólido a su salida en toneladas hora. El combustible para la generación de aire caliente generalmente es gas natural ya que proporciona 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 los siguientes:

El documento CN101011843 de WANG JIAZHU se refiere al uso 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, los componentes se forman y calcinan a altas temperaturas. Adicionalmente se usa el método de atomización para la formación de las composiciones.

La patente CN101234888 de HAIRONG LIN se refiere igualmente al uso de arcillas para imitar piedra natural en azulejos y baldosas. La invención usa del 10 al 15 % de polvo de piedra de porcelana de baja temperatura, del 10 al 20 % de polvo de piedra de porcelana de temperatura media, del 10 al 15 % de arena de piedra sódica, del 5 al 10 % de arena de porcelana de alto contenido de aluminio, del 10 al 20 % de arena de porcelana sódica, del 5 al 18 % de arcilla después del molino de bolas, agente 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 GB1315553 que reivindica, entre otros, la producción 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, la invención hace una breve mención al granulado en un mezclador convencional sin entrar en detalles.

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

El atomizador emplea un 30 % a 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 acorde a los esfuerzos físicos de manipulación de las partículas durante las sucesivas etapas de producción del producto cerámico acabado.

El medio ambiente se ve significativamente afecta por esta agua contaminada ya que provoca:

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 de sus transformados pues se alcanzan temperaturas elevadas del orden de 650 °C suficientes para la transformación de fases cristalinas.

El tiempo de respuesta para pasar de la fabricación de una composición a la fabricación 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 muy lenta, cuestión de días.

La inversión hecha en la instalación de los dispositivos es significativamente alta.

La importante propiedad de plasticidad de la composición se pierde en gran medida 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 el método en fase seca.

El método poco utilizado en la actualidad para la granulación es la aglomeración de la composición molturada en fase seca y la formación de los gránulos por adición de pequeñas cantidades de agua suficiente 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 está basada en arcillas, las patentes estadounidenses 4.944.905 y 4.680.230 de Gibb; James L. que hacen referencia a un método de obtención de gránulos de cerámica para agente de sostén con una región rica en aluminio cerca de su superficie; las patentes tienen con las siguientes etapas:

a) mezcla y peletizado con ayuda de agua, en la que el material de partida incluye un mineral particulado tal como nefelina, sienita y un aglutinante, donde entre muchos aglutinante se propone la bentonita en cantidades de solamente entre el 1 y el 5 % de la composición;

b) secado;

c) mezclado con alúmina;

d) finalmente calcinación.

Las patentes indican el uso de diferentes tipos de mezcladores tal como los mezcladores convencionales de la industria minera, los aglomeradores de esferas tipo de disco; entre otros, los aglomeradores más eficientes son los dispositivos descritos en la patente estadounidense 3.690.622 que comprenden básicamente un recipiente cilíndrico rotatorio, cuyo eje central está dispuesto 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 materiales preparados se encuentran lejos de la composición utilizada en la industria de la cerámica fina. En los documentos EP0699640A1 y US4108932A se dan a conocer otros métodos de molturación.

Así, se hace necesario un método que elimine las desventajas del método de atomización y esté orientado a la granulación para su posterior prensado en las etapas de obtención de diferentes productos de cerámica fina, en el que:

- se utilice la cantidad estrictamente necesaria de agua para la aglomeración de las partículas y sensiblemente inferior a la usada en el método de atomización.

- se realice la aglomeración sin usar aglutinantes, aditivos, defloculantes, etc.

- se eviten las pérdidas por la volatilización de finos al granular el polvo.

- el método es un método que usa nueva tecnología de nula contaminación acuífera y atmosférica, con una reducción muy considerable del consumo de energía y de agua.

Descripción de la invención

Se propone una alternativa al método de molturación en fase húmeda y posterior secado por atomización. El método, según la reivindicación 1, de granulación por aglomeración después 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.

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 método de granulación después de la molturación en fase húmeda consta de un contenido de arcillas tipo illiticas, un contenido de arcillas caoliníticas y/o un contenido de arcillas refractarias en un orden del 60 %. Otros minerales son distintos tipos de feldespatos del tipo fundentes:

feldespatos sódicos, feldespatos potásicos, feldespatos de litio y carbonatas, carbonato de calcio, carbonato de magnesio. Adicionalmente están presentes las arenas de sílice, pegmatita, magnetita y otras en un contenido total no mayor del 40 %. En la mayoría de los casos, estos elementos provienen de las minas 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 de 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 se extraen 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 o la composición final con todos sus componentes ya agregados se pueden molturar por separado. Luego de realizar la mezcla de los componentes seleccionados de la composición, esta pasa el método de molturación en fase seca. Los molinos usados son del tipo existentes en el estado de la técnica, tal como molinos de martillos o de péndulos. Durante la molturación se fragmentan las partículas de los materiales y se lleva el tamaño de partículas a inferior a 120 micrómetros.

En caso de molturar por separado las partículas se mezclan posteriormente configurando la fórmula. Dicha composición finalmente tendrá un tamaño de partículas muy pequeño, también inferior a 120 micrómetros. El comportamiento de dicho polvo es semejante al de los fluidos; parte de la masa está formada por un polvo tan fino que es capaz de flotar y expandirse parcialmente en el aire tras manipularlo, lo que aumenta la contaminación de los locales. En consecuencia, por esta elevada fluidez la parte fundamental de la masa hace imposible 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 como consecuencia de un adecuado ajuste del contenido de humedad mínima necesaria y de la configuración del dispositivo usado.

Después de la molturación en fase seca, la composición en forma de polvo fino pasa a un dispositivo de mezcladogranulado 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 solo a la absorción por saturación. Así, se forma en la salida del polvo que entra al dispositivo un granulado que tiene la morfología y resistencia mecánica de partículas adecuadas para su transporte y manipulación posteriores en el llenado de moldes.

El dispositivo de granulación continua es un dispositivo cilíndrico rotatorio de disposición horizontal provisto de barras que tienen extremidades en forma de paletas, de forma de contacto generalmente rectangular, las que durante la rotación del dispositivo van trasladando la masa de la mezcla de minerales molturados con agua a lo largo de toda su longitud desde un primer extremo lateral hasta el segundo extremo lateral opuesto. La mezcla de minerales y agua se dosifica a dicho dispositivo cilindrico por la parte superior de dicho primer extremo lateral para alcanzar una humedad del 11 al 13 % en peso, y el material ya granulado es extraído por la parte inferior de dicho segundo extremo lateral opuesto. Dichas barras con extremidades en forma de paletas están montadas en unos ángulos determinados, aproximadamente de 90°, y ayudan a la granulación de la composición jugando un papel importante en esta.

El dispositivo ha experimentado modificaciones específicas 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 todos los elementos que estarán en contacto con la composición a granular. El recubrimiento interior del dispositivo y el recubrimiento de sus herramientas internas es generalmente un recubrimiento de tungsteno, aplicado en forma de polvo por soldadura.

El material entra al dispositivo a la temperatura ambiente. El método tiene lugar sin calentamiento externo y solo 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 dispositivo de granulación. La granulación tiene lugar a temperaturas entre 40 y 80 °C. El contenido de humedad de la composición en la entrada del dispositivo de granulación es del orden del 0,5 al 2,5 %. La totalidad del producto está micronizado y con más contenido de humedad perdería su propiedad aglutinante y se apelmazaría. El granulado tiene en la salida un contenido de humedad del orden del 10 al 14 % y su tamaño varía entre los granulados finos (inferior a 0,100) y gránulos de 1,0 mm. Se trabaja en este rango, introduciendo la menor cantidad posible de agua para la granulación. La temperatura en la salida es del orden de 40 a 50 °C. Debe tenerse en cuenta que siguiendo el método, el contenido de humedad del granulado se debe bajar del 12 al 14 % al 6 % de agua y con un gasto de energía mínimo.

La velocidad de rotación del dispositivo se encuentra en el intervalo de 500 a 3000 rpm. La velocidad depende de la alimentación en masa/hora de material a procesar y consecuentemente del tamaño del dispositivo. La velocidad deberá ajustarse a la composición y la cantidad a procesar; será mayor si el dispositivo es más pequeño.

La técnica de granulación de sólidos heterogéneos muy finos en fase seca, con tamaños promedio de partículas inferiores a 200 micrómetros, no resulta sencilla sin el uso de aditivos, defloculantes, etc. Es usual el uso de aglutinantes orgánicos tales como resinas, almidones o derivados de la carboximetilcelulosa, o aglutinantes inorgánicos tales como gel de sílice, silicatos, carbonatas y otros.

La presente invención ha desarrollado un método innovador para dispositivos del tipo de mezclado horizontal provistos de barras que tienen 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 están el contenido de agua para lograr la granulación, los tipos de composiciones deseadas de minerales, tiempos de residencia en el dispositivo cilíndrico rotatorio. Así, se ha determinado la adición óptima de agua para cada tipo específico de composición deseada y, lo que es no menos importante, la velocidad óptima de rotación y la velocidad de alimentación de la mezcla (equivalente a sus tiempos de residencia), igualmente dependientes del tipo de composición cerámica. Así, es posible lograr, sin usar aglutinantes, aditivos, defloculantes, etc., gránulos de las composiciones previstas que tienen el tamaño adecuado, 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 tales composiciones finas de una mezcla de minerales con alto contenido de arcillas, sin necesidad de aglutinantes, aditivos, defloculantes, etc., debe buscarse en las propiedades cristaloquímicas de estas. Químicamente hablando, las arcillas son silicatos hidratados de alúmina, cuya fórmula es: AhO3-2SiO2-H2O. Las arcillas tienen estructuras similares a las de las micas y forman hojas planas hexagonales. Los minerales arcillosos se caracterizan por hojas bidimensionales de esquinas que comparten tetraedros de SiO4 y AlO4. Las hojas tetraédricas están siempre unidas a una hoja octaédrica formada por cationes pequeños, tal 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 tetraédricas y octaédricas, la capa puede o no tener carga eléctrica residual o una carga neta negativa. Si las capas están cargadas, esa carga se equilibra por los cationes situados entre las capas, tales como Na+ o K+. Estas estructuras tienen una gran capacidad para absorber 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 están dentro de los poros existentes en sus gránulos (agua absorbida físicamente). Las arcillas se caracterizan por adquirir plasticidad cuando se mezclan con una cantidad óptima de agua. Incluso hay arcillas expansivas que pueden someterse a grandes cambios de volumen, en relación directa con los cambios en el contenido de agua absorbida dentro de sus capas.

Así, esta disposición de hojas de arcilla, que pueden absorber moléculas de agua y entrar en coordinación con los hidrógenos e hidroxilos de las moléculas de agua, junto con la interacción entre hojas de diferentes microgranos, proporciona una explicación de la capacidad aglutinante que tienen muchas arcillas. La presente invención usa esta propiedad físico-química de las arcillas para lograr su aglomeración con la sola adicción de una cantidad específica 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 la velocidad 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 método de la presente invención hay cuatro etapas básicas en la formación de los gránulos:

Dosificación del polvo de la composición, o eventualmente dosificación de sus componentes, junto con la dosificación del agua necesaria en forma de gotitas, ambas operaciones de dosificación realizadas de forma continua en la entrada del dispositivo.

Mezcla del polvo y de las gotitas del agua a durante la traslación horizontal, durante la cual ocurre la nucleación de diminutos gránulos esferoidales de material que se adhieren entre sí paulatinamente.

Tiene lugar el crecimiento de los gránulos esferoidales después de la aglomeración del mineral sobre los diminutos granos formados.

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

Ajuste de humedad y secado

A continuación se realiza un secado en línea de los granulados con un contenido de humedad de salida del 10 al 14 % sobre un tapete continuo aplicando una corriente de aire caliente con una temperatura entre 60 y 80 °C para eliminar el contenido de humedad en exceso hasta un contenido de humedad del 6 %. 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 0,10 y 1,00 milímetros. El porcentaje de material granulado obtenido en la salida es alto, entre el 90 y el 95 %, la cantidad de polvo < 0,100 mm está entre el 6,0 y el 8,0 % y la cantidad de material recirculado para su recuperación es relativamente baja, como mucho un 10 %.

Etapas de almacenaje o compresión directa

Entonces el material granulado puede almacenarse para su posterior envío para compresión. De forma alternativa el material puede ser enviado directamente para 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 y manipulación posteriores.

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

En la presente invención los componentes de la composición se pueden mezclar al mismo tiempo que su granulación después de la molturación en fase seca.

La plasticidad de la composición arcillosa molturada en fase húmeda se pierde según el tipo de arcilla ya que se diluye excesivamente en agua y debe granularse a altas temperaturas (aproximadamente 650 °C), mientras que con el método de granulación de la presente invención la plasticidad se mantiene porque solo se añade una pequeña cantidad de agua y no está afectada por la temperatura de secado de unos 60 °C. En consecuencia, en el prensado de los gránulos producidos según la presente invención se usa menos energía, pues se aplica una fuerza aproximadamente del 10 % menor.

Según la presente invención se obtiene una reducción de un 75 a un 80 % en el consumo de agua ya que en la atomización se usa de un 30 a un 40 % en una cantidad de masa sólida, mientras que en la presente invención se usa solo de un 11 a un 13 % de agua sobre la misma masa seca a granular (el contenido de humedad final de los gránulos en ambos sistemas es el mismo, del orden del 5 al 6 %).

Se elimina el consumo elevado de energía para la evaporación del agua en exceso ya que se sustituye el método de atomizado por 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 método puede emplear gas, electricidad u otra fuente de combustible, según el que sea más económico o está disponible en la zona donde se ubique la instalación.

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

El impacto ambiental del método de granulación según la presente invención se reduce por dos razones:

a) solo utiliza el agua estrictamente necesaria para granular, y

b) no usa aglutinantes, ni aditivos, defloculantes etc.

El tiempo de respuesta del método de granulación de la invención necesario para pasar de la fabricación de una composición cerámica específica a otra composición diferente es muy bajo (aproximadamente una hora). En el método de atomizado son necesarias grandes inversiones en balsas y molinos para el cambio a nuevas composiciones, y el cambio requiere tiempo y limpieza adicionales, tal como un día o más si no se tienen instalaciones duplicadas. Como ejemplo los atomizadores que producen composiciones de tonos rojos generalmente no fabrican atomizado de tonos blancos.

El presente método de granulación después de molturación en fase seca de la invención, 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 método de atomizado. A igual producción final, la inversión hecha en una instalación es mucho más económica para el método en fase seca que para el método en fase húmeda.

Ahora se describirá el objeto de la invención a partir de una realización preferente proporcionada a modo de ejemplo no limitativo, en la que la invención brindará una mayor comprensión en base a los siguientes dibujos adjuntos. Breve descripción de los dibujos

La figura 1 muestra un diagrama de flujo del método de granulación por aglomeración después de la molturación en fase seca de la invención.

La figura 2 muestra una vista lateral esquemática de un mezclador granulador usado en el método de granulación por aglomeración después de la molturación en fase seca de la invención.

La figura 3 muestra una vista frontal esquemática del mezclador granulador y de las barras que tienen extremidades en forma de paletas impulsoras del mezclador granulador de la figura 2.

La figura 4 muestra una distribución granulométrica de un ejemplo del producto según la invención expresada en % de masa vs. 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 diagrama de la figura 1 hasta 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 del contenido 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 illiticas se mezcló con otro mineral con un contenido del 30 % de arenas de sílice y el resto del contenido 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 la tabla 1 muestra el análisis químico de la composición resultante.

Elemento / Composición granulada

SiO2/ 50,29

Al2O3/25,37

Fe2O3/2,51

Na2O/0,14

K2O/2,40

CaO/0,39

TiO2/0,96

MgO/0,39

ZrO2/0,03

P2O5/0,05

BaO/0,045

SOa/0,36

Se observa en la composición un contenido elevado de AhO³lo que debería indicar indirectamente un mayor contenido de arcillas y mayor facilidad de granulación. De los cationes presentes se observa que el contenido de K²O es superior al contenido de otros cationes lo que debería indicar indirectamente un mayor contenido de feldespatos (sin tener en cuenta el Fe2O3 cuyo catión es bastante pesado por sí mismo y probablemente se encuentra en forma de impurezas de óxidos de hierro).

La figura 2 muestra una vista lateral esquemática del dispositivo 1 de mezclado-granulado por aglomeración con disposición horizontal, y provisto de las barras 2. Dichas barras 2 (véase la figura 3) tienen extremidades en forma de paletas 2a, están montadas por soldadura cilíndrica sobre el eje 2b y dispuestas en un ángulo de 90°. Tienen una forma bastante regular de contacto con la mezcla.

La entrada 3 a dicho dispositivo 1 de los polvos de la composición cerámica y del agua se efectúa por los tubos 3a situados dentro de la tapa (véase la figura 2) del cuerpo de dicho dispositivo 1 en un primer extremo lateral del dispositivo 1; la entrada de agua es por medio de tubo con caudal conocido. Aunque también pueden usarse las alimentaciones de agua por entrada de aspersión y otra alimentación como la entrada de agua por el interior del eje, saliendo el agua por la punta de las paletas para hacer contacto con la composición sólida, siendo estas dos menos habituales. Así, el agua entra en contacto con la composición sólida dentro de la máquina de granular, entrando los dos elementos por separado. Debe resaltarse que cuanto más fina y uniforme sea la aspersión del agua, más homogénea será la distribución de tamaños de partículas, es decir, 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 que, durante la rotación del dispositivo, van trasladando la masa del mineral molturado y el agua dosificada a lo largo de toda la longitud de dicho dispositivo 1 desde el primer extremo de sus entradas hasta un segundo extremo lateral opuesto del dispositivo 1. La salida por dicho segundo extremo lateral opuesto del material granulado se efectúa por gravedad a través de la boca de salida 4, situada en la parte inferior del dispositivo. Así, la forma de alimentación del polvo 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 de agua introducida en los tubos y permiten conocer con exactitud las cantidades de toneladas/hora de ambos materiales que se van introduciendo. En particular, en la realización preferente se usó una velocidad de rotación de 1500 r. p. m. y se granularon 20 t/hora de la composición cerámica.

El contenido de humedad de la composición en la entrada de dicho dispositivo de granulación 1 era del 0,6 %. Para la aglomeración se añadió en forma continua una cantidad de agua equivalente a un 9 % de contenido de humedad en la masa alimentada, determinándose esta última como la cantidad óptima para añadir a dicha composición de revestimiento cerámico durante la granulación. Dicha granulación se mantiene a temperaturas entre 20 y 50 °C. El granulado en la salida tiene un contenido de humedad que oscila entre el 10,5 y el 11,0 % y la temperatura en la salida (4) fue del orden de 45 a 50 °C.

La muestra representativa de la composición cerámica granulada tenía una distribución de tamaños de partículas mostrada a continuación en la tabla 1. Debe señalarse que incluso para preparaciones de menor volumen, realizadas inicialmente en un dispositivo granulador más pequeño con la misma velocidad de rotación de 1500 r. p. m. y una capacidad de solo 400 kg/h-1, la granulometría del producto era muy similar, lo que indica la influencia de la velocidad de rotación y la adición de la cantidad óptima de agua sobre la granulometría final del producto.

Tabla 1

La figura 4 muestra esta distribución de tamaños de partículas de manera diferencial, es decir, la distribución de tamaños de partículas se refleja 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 diámetros máximos de granos. Un diámetro máximo de grano se encuentra alrededor de 0,6 mm y el otro se encuentra en la región de 0,4 a 0,1 mm. Esta distribución bidispersa de tamaños de granos puede indicar un fenómeno de formación primaria de granos gruesos cuando se añade agua. A continuación puede ocurrir una formación secundaria de los granos pequeños como consecuencia de la fragmentación de los granos gruesos durante el traslado de la masa y la nucleación de granos secundarios a partir del polvo no enlazado al principio.

Se muestra información ilustrativa de la morfología de los gránulos preparados en las figuras 5 (5.1 y 5.2) y 6 (6.1 y 6.2) que presentan las microfotografías obtenidas en un microscopio con un aumento x25 veces. Se ven gránulos de diferentes formas y tamaño, donde la forma es casi esferoidal y las diferencias de tamaño son coherentes con los resultados de granos mayores, menores y finos obtenidos por la granulometría usando tamices.

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

Contenido de 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 después 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 de forma idéntica a la de los productos comerciales obtenidos por el método 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 método de envasado, transporte a granel, manipulación normal y llenado de moldes.

En resumen, la conclusión tecnológica primordial es que el producto de la presente granulación tiene diámetros de granos en casi su totalidad entre 1,0 y 0,1 mm, que se corresponden adecuadamente con las exigencias industriales impuestas para la manipulación de la composición cerámica pues la cantidad de polvo (menos de 0,1 mm) es inferior al 7 %, mientras que los requisitos aceptados actualmente para la manipulación de granulados cerámicos permiten un contenido de finos de hasta un 14 %. Así debe señalarse que las características del granulado no se diferencian de las del producto granulado comercializado actualmente y producido por la atomización de la composición molturada en fase húmeda, siendo incluso mejor que algunos de tales productos. Adicionalmente desde el punto de vista de rentabilidad solo se obtiene un 6 % de granos gruesos, granos de más de 1 mm. Debe observarse que los granos gruesos (de más de 1 mm) son reciclados en el método y se vuelven a molturar. Los granulados comerciales con gránulos de más de 1 mm no son útiles para los clientes. Este porcentaje es también muy satisfactorio ya se obtiene un método de granulación con una rentabilidad del 94 % del producto alimentado al dispositivo.

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

Las ventajas obtenidas por el método de granulación de la presente invención en comparación con el método de granulación por atomizado usado 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 a 80 % durante la granulación y la reducción de un 10 a 20 % en el prensado posterior de los gránulos producidos según la invención.

El tiempo de respuesta de la invención para el cambio de la fabricación de un tipo de composición específica a otro tipo de composición cerámica es muy bajo, de aproximadamente una hora, mientras que el tiempo de respuesta del método de atomizado es muy largo, requiere hasta varios días.

A igual producción final, la inversión hecha en la instalación de granulación según el método de la invención para molturados obtenidos por molturación en fase seca es mucho más económica que el método de granulación por atomización de los molturados obtenidos por molturación en fase húmeda.

El presente método 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 no limitativo, solo queda añadir que es posible realizar modificaciones en su constitución y materiales empleados sin alejarse del alcance de la invención definido en las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

i. Método de granulación por aglomeración de composiciones cerámicas 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 de menos de 120 micrómetros obtenidos a partir de minerales molturados o contenido de arcilla u otras composiciones hechas solo de arcillas y material inorgánico después de la molturación en fase seca, en un dispositivo cilíndrico rotatorio (1) en disposición horizontal mediante la entrada en la parte superior de un primer extremo lateral, siendo la composición de contenido pulverulento de hasta el 60 % de dichos componentes minerales, comprendiendo dicho dispositivo (1) un eje central (2b) con barras perpendiculares (2) provistas de paletas (2a) en sus extremidades,

- Dichos componentes pulverulentos tienen un contenido de humedad cuando se introducen en el dispositivo cilíndrico (1) de entre el 0,5 % y el 2,5 % en peso,

- Pulverizar una cantidad específica de agua en la parte superior del primer extremo lateral del dispositivo, entre el 11 % y el 13 % en peso de la masa seca que se va a granular, sin aglutinantes o aditivos, en el dispositivo cilíndrico, dependiendo de la composición cerámica entrada y de la granulación a obtener,

- Granular de forma continua dicha composición cerámica de componentes pulverulentos dentro del dispositivo cilíndrico (1), entre 40 °C y 80 °C, mediante el movimiento de dichos componentes para la formación de gránulos desde dicho primer extremo hasta un segundo extremo lateral moviendo los gránulos a lo largo de toda la longitud del dispositivo (1) por la acción de rotación del dispositivo, con dichas barras (2) y paletas (2a), a una velocidad rotacional de entre 500 y 3000 r. p. m., manteniendo la velocidad rotacional y la cantidad de agua constante cuando se granula la composición cerámica de componentes pulverulentos, dependiendo la velocidad rotacional de la composición cerámica introducida y de la granulación a obtener;

- Extraer el material granulado del dispositivo cilíndrico (1) por una salida en la parte inferior de dicho segundo extremo, siendo el contenido de humedad de dicho material entre el 10 % y el 14 % en peso dependiendo de la composición cerámica introducida en el dispositivo cilíndrico (1) y la temperatura es del orden de 40° a 50 °C, y

- Reducir el contenido de humedad del material granulado extraído del dispositivo (1) hasta el 6 % en peso.
2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque el contenido de humedad del material granulado se reduce a un 6 % estando sometido a una etapa de secado en línea continuo a una temperatura adecuada dependiendo de la cantidad de agua a secar, del tiempo y del espacio disponibles.
3. Método según la reivindicación 2, caracterizado porque la temperatura de secado está entre 60 °C y 80 °C.
4. Método, según la reivindicación 1, caracterizado porque los diferentes componentes de cada tipo de composición cerámica, dichos minerales y materiales, de minerales arcillosos y material inorgánico, se obtiene mezclando los mismos, pudiéndose realizar dicho mezclado antes de la molturación o durante la molturación, después de la molturación o pueden mezclarse durante la granulación en dicho dispositivo cilíndrico rotatorio (1) en disposición horizontal.
5. Método, según la reivindicación 1, caracterizado porque para cada tipo de composición cerámica los minerales con un alto contenido de arcillas, o minerales arcillosos, se seleccionan entre arcillas tipo illiticas, arcillas caoliníticas y/o arcillas refractarias, 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.
6. Método según la reivindicación 2, caracterizado porque después del secado, el material granulado se tamiza para su unificación dependiendo de la medida de los gránulos a obtener:

- Entre el 90 y el 95 % del material granulado con una medida entre 0,1 y 1 mm,

- Entre el 6 y el 8 % del material granulado con una medida de menos de 0,1 mm, y

- Entre el 0 y el 10 % del material granulado con una medida de más de 1 mm.