ITFI990117A1

ITFI990117A1 - Processo per la produzione di manufatti ceramici

Info

Publication number: ITFI990117A1
Application number: IT1999FI000117A
Authority: IT
Inventors: Massimo Semeraro
Original assignee: Techplant S R L
Priority date: 1999-05-21
Filing date: 1999-05-21
Publication date: 2000-11-21
Also published as: IT1307875B1; EP1053982B1; EP1053982A1; ITFI990117A0; ATE273940T1; ES2226649T3; DE60013025D1; DE60013025T2

Description

1. Campo del trovato

La presente invenzione riguarda il settore della produzione di manufatti in ceramica, e specialmente di mattonelle per esterni. Nell'ambito dell’invenzione rientrano in particolare il processo per la produzione dei granuli dai quali ottenere le mattonelle, i granuli e le mattonelle prodotti ed i dispositivi per la produzione degli stessi granuli.

2. Arte Anteriore

Allo stato attuale i processi noti per la formatura di granuli sono sostanzialmente basati su una lavorazione per “atomizzazione” ad umido di un impasto precedentemente macinato.

Mediante l’atomizzazione vengono ottenuti dei granuli a geometria cava che nelle successive lavorazioni, in particolare nella formatura delle mattonelle, vengono deformati dalla pressione meccanica esercitata dalla pressa e perdono buona parte delle proprie caratteristiche fisiche. Inoltre, l’azione meccanica della formatura ha anche la conseguenza di “lucidare" la superficie esterna della mattonella finita che presenta così la caratteristica negativa di un basso coefficiente di attrito.

A questo inconveniente, particolarmente sentito nel caso di mattonelle per esterni, si owia attualmente mediante successive lavorazioni della superficie della mattonella, con la conseguenza di dover sopportare costi aggiuntivi e tempi di lavorazione più lunghi.

3. Scopo dell’invenzione

La presente invenzione si prefigge lo scopo di proporre un processo per la produzione di manufatti ceramici e in particolare di granuli per la produzione di mattonelle tale da superare gli inconvenienti dei processi noti.

Con la presente invenzione ci si propone inoltre di realizzare granuli e mattonelle aventi caratteristiche migliorate rispetto all’arte nota, in particolare per quanto riguarda le proprietà superficiali e le caratteristiche di resistenza meccanica dei granuli e delle mattonelle ottenute.

Un ulteriore scopo è quello di proporre un impianto e dei dispositivi per la realizzazione del processo.

4. Sommario del trovato

A tali scopi si è pervenuti secondo l’invenzione mediante un processo per la produzione di manufatti ceramici comprendente le fasi di macinazione di un impasto iniziale, dosaggio della miscela prescelta delle polveri macinate; aggregazione delle polveri in forma di granuli compatti a geometria piena approssimativamente sferica; essicazione dei granuli.

A valle di detta granulazione è inoltre prevista una fase di dosaggio della miscela di granuli voluta e formatura in pressa della miscela per l’ottenimento dei manufatti..

Secondo l’invenzione la fase di macinatura viene effettuata mediante un mulino essiccatore verticale continuo;

la fase di dosaggio della miscela è effettuata mediante un polmone di dosaggio con controllo della perdita di peso;

la fase di granulazione è effettuata mediante un granulatore a camera cilindrica ruotante provvista di una barra di nebulizzazione radiale dell’acqua e/o di ugelli orizzontali per la nebulizzazione di acqua pigmentata per la produzione di granulato colorato, in cui il granulatore è inoltre provvisto di un riscaldamento esterno a lampade catalitiche; l’essiccazione dei granuli è ottenuta mediante un essiccatoio a letto fluido che preferibilmente porta i granuli da un contenuto di umidità del 15-16% ad un contenuto del 5-7% tramite immissione di aria calda attraverso un setto di lamiera microforata.

L’invenzione riguarda inoltre un processo di formatura delle mattonelle a partire da granuli pieni ottenuti con il processo sopra descrìtto.

Il processo di formatura comprende sostanzialmente: una fase di miscelazione del granulato; una fase di pressatura della miscela e formatura della mattonella ceramica ottenute mediante presse con tamponi bordino rivestiti di gomma alta e morbida; una fase di finitura della mattonella ed una fase di cottura finale.

La fase di miscelazione è preferibilmente effettuata mediante un nastro principale pesatore con spatola traslatrice diagonale per l’accumulo e la distribuzione sul nastro dei granulati del colore voluto.

I processi di produzione del granulato e di formatura delle mattonelle sono preferibilmente gestiti mediante un dispositivo di controllo a microprocessore programmabile mediante il quale è possìbile prestabilire le quantità e la tempistica delle varie fasi di processo.

Un primo vantaggio consiste essenzialmente nelle migliori caratteristiche meccaniche dei granuli così prodotti rispetto ai granuli cavi ottenuti con i processi di atomizzazione. In particolare i granuli secondo l’invenzione offrono maggiore resistenza nella fase di pressatura e, grazie al tamponi rivestiti, vengono compattati subendo una disgregazione minima e mostrano una superficie esterna ad alto coefficiente di attrito e maggiore rugosità.

Un secondo vantaggio consiste nella possibilità di addittivare l'impasto con la calce esausta recuperata come scarto dei filtri fumi del forno. Tale soluzione è impossibile nelle tradizionali macinazioni a umido a causa dei cambiamente che la calce esausta provocherebbe nel pH e quindi nelle proprietà reologiche della barbottina.

Un terzo vantaggio consiste nel minore ritiro in fase di cottura, circa il 20%, rispetto ai processi di atomizzazione.

Un ulteriore vantaggio consiste nel fatto che i granuli ottenuti possono essere utilizzati sia come rivestimento che come materiale di base oppure essere miscelati con il granulato di base o ancora essere colorati.

Questi ed ulteriori vantaggi saranno meglio compresi da ogni tecnico del ramo dalla descrizione che segue e dagli annessi disegni dati quale esempio non limitativo, nei quali:

5. Lista delle figure

- la figura 1 mostra uno schema di un impianto per l’attuazione dell’invenzione.

- la figura 2 mostra i profili di rugosità di granuli e di manufatti secondo l'invenzione confrontati con prodotti tradizionali.

6. Descrizione dettagliata del trovato

In una forma preferita di attuazione, e con riferimento ai disegni allegati, in un processo per la produzione di granuli ceramici secondo l’invenzione, un impasto iniziale di materie prime prefrantumate viene selezionato da vari silos, dosato mediante nastri controllati elettronicamente e immesso in un polmone di precarica di un mulino, consentendo così la eventuale effettuazione di interventi di manutenzione ai pesatori senza il blocco del mulino.

Nell’esempio descritto l'impasto è destinato alla produzione di gres porcellanato e presenta la seguente composizione:

La macinazione è preferibilmente realizzata con un mulino essiccatore verticale a rulli provvisto di essiccatore e separatore dinamico integrato.

Il mulino è costituito da due rulli conici di grande diametro ad asse fisso e ruotanti sul loro asse i quali esercitano su una pista circolare orizzontale rotante una elevata pressione, che nell’esempio descritto può variare tra 80 e 110 bar.

Il materiale è alimentato da un alimentatore a disco che scarica su uno scivolo laterale ed è trascinato tra i rulli e la pista, dove viene polverizzato. Il ciclo di regolazione della macinazione è basato sulla misura della differenza di pressione tra l’ingresso mulino, depressione “negativa” e l'uscita mulino, depressione “positiva”. Il valore della differenza è trasmesso ad un inverter che comanda il numero di giri del motore dell’alimentatore. Se la differenza di pressione rimane costante lo stesso accade per i giri motore; se aumenta, i giri diminuiscono rallentando l’alimentazione e viceversa se la differenza di pressione diminuisce.

Vantaggiosamente è possibile adattare la pressione alla durezza dei materiali per poter lavorare anche durezze molto elevate, che nell'esempio descritto sono pari o superiori, al valore 5-6 della scala MOHS.

Vantaggiosamente, rispetto ai mulini pendolari comunemente usati, la pressione di macinazione non dipende dalla velocità del mulino ed è quindi possibile mantenere anche velocità molto basse a parità di pressione.

Per evitare lo sporcamente dei rulli, e aumentarne l’efficienza, il sistema di essiccazione porta il materiale in ingresso al completo essiccamento. La granulometria del materiale in uscita viene selezionata da un separatore dinamico in base alla differenza di pressione nei circuito pneumatico del mulino e in particolare variando la portata del ventilatore in contropressione al separatore. Al variare della portata varia la finezza del materiale in uscita dal mulino.

A titolo di esempio, il mulino può macinare polveri con finezze dal 96% al 98% sotto le 16.000 maglie per cm<2 >(pari a 45 micron) del reticolato del setaccio.

A valle della macinazione si trova un filtro a maniche che separa le polveri dal flusso di aria e le invia ad una stazione di stoccaggio per l’invio alia successiva fase di granulazione.

Prima della fase di granulazione la polvere viene prelevata dallo stoccaggio, inviata ad un polmone di precarica e da qui è velocemente estratta e inviata ad un polmone di pesatura e dosaggio. Il polmone di dosaggio è dotato di celle di carico che supportano l'intero deposito di polveri ed è provvisto di rotocella a velocità variabile e coclea di trasporto delle polveri per alimentare in modo continuo e uniforme il granulatore. La fase di dosaggio è effettuata mediante una pesatura dell’intero polmone di precarica e controllando in continuo la sua perdita di peso totale.

Vantaggiosamente, il sistema di dosaggio adottato permette una misura continua e precisa dell’alimentazione, senza gli inconvenienti dei tradizionali nastri pesatori, anche coperti, sui quali le polveri oscillano senza poter essere contenute in modo efficace.

La fase di granulazione è effettuata mediante un granulatore a camera cilindrica in cui le polveri opportunamente dosate vengono alimentate e poste in rotazione. L’impasto macinato, se utilizzato per la produzione del granulato base, è agglomerato grazie al moto rotatorio che viene impresso mediante una barra di dispersione con nebulizzazione radiale dell’acqua. Quando si tratta di granulato colorato con pigmenti in sospensione acquosa vengono utilizzati banchi di ugelli orizzontali disposti parallelamente all'interno della camera cilindrica.

Vantaggiosamente l’alternativa ora descritta permette la creazione di granulati composti colorati miscelati e non, grazie al fatto che si possono immettere in contemporanea inchiostri diversi oppure intervallarli con una tempistica definita dall’elettronica di controllo.

Una volta umidificata la polvere (circa il 15-16% di umidità) il movimento di rotolamento all’interno del corpo sinusoidale del granulatore riesce ad omogeneizzare l’umidità, perfezionando la granulazióne.

Il granulatore ruota su se stesso ed è appoggiato su ruote in gomma anti vibrazione. Il granulatore è inoltre riscaldato mediante lampade catalitiche esterne per evitare la formazione di incrostazioni per condensazione deil’umidità nella camera di granulazione. Preferibilmente il colore esterno della camera è nero per migliorare l’assorbimento di calore.

Le polveri granulate sono quindi fatte passare su di un letto essiccatore ed essiccate mediante un getto di aria calda a circa 150°C attraverso un setto di lamiera microforata, fino ad arrivare ad un contenuto di umidità del 5-7%.

Prima dell’uscita il granulato viene raffreddato alla temperatura ambiente per evitare condensazioni in fase di trasporto.

! granuli di dimensioni eccessive rispetto ad un valore prefissato possono essere vagliati e rilavorati in un granulatore verticale sgrassatore, mentre gli altri sono inviati allo stoccaggio. Vantaggiosamente possono essere ottenuti granuli di grandi dimensioni, circa 5-10 mm (diametro medio), molto maggiori rispetto ai granuli ottenibili per atomizzazione.

Al termine di tale fase si ottengono quindi un numero predeterminato di silos di stoccaggio dai quali ottenere la miscela di colori da inviare alle presse.

Secondo l’invenzione tale fase di miscelazione viene effettuata tramite vari nastri che immettono i granulati dei diversi colori su un nastro principale.. Alternativamente la miscelazione può avvenire sul nastro principale mediante una spatola traslatrice che accumula e distribuisce i granulati sul nastro principale con una sequenza fissata dal controllo elettronico. Dal nastro principale la miscela di granulato è immessa nel tramoggino della pressa.

Nella fase di pressatura la miscela selezionate di granuli viene depositata negli alveoli dello stampo, ad esempio con un sistema a griglia fiottante, e quindi sottoposta ad una pressione elevata (circa 450-500 Kg/cm<2>) che consente la formatura della mattonella.

Secondo l'invenzione la pressatura avviene in una pressa con tamponi bordino rivestiti di uno strato di gomma morbida (circa 60 Shore) ed alto spessore (circa 5 mm).

Vantaggiosamente, con questa soluzione i granuli pieni vengono compattati con una minima disgregazione e si ottiene una superficie ad alto coefficiente di attrito in cui la struttura dei granuli superficiali reasta sostanzialmente inalterata.

Dopo la pressatura le piastrelle formate sono trasportate ad un essiccatoio con temperatura di esercizio di circa 200°C che porta i manufatti ad una umidità residua circa dello 0,5%.

A valle dell’essicatoio le piastrelle possono essere rifinite per molatura e quindi stoccate in attesa della cottura.

La fase di cottura prevede cicli di circa 90 minuti ad una temperatura di esercizio di circa 1220°C-1250°C con i quali si ottiene la vetrificazione dell'impasto e la sua completa sinterizzazione.

Più in particolare, il tempo del ciclo di cottura è proporzionale alla massa specifica del prodotto da greifìcare. Il caso indicato di un ciclo di 90 minuti, è da riferirsi alla produzione di mattonelle spesse 14 mm e con massa specifica di 40Kg/m<2 >mentre per mattonelle spesse 9 mm e con massa pari a 18Kg/m<2 >il ciclo ottimale è intorno ai 45 minuti.

A titolo di esempio riportiamo i risultati comparati tra un granulato secondo l’invenzione (indicato con GRC) e un granulato atomizzato tradizionale, realizzati a partire dallo stesso impasto.

A parità di fuso granulometrico, circa 0,8 mm, si è misurata la densità apparente Peso/Volume dei granuli ottenendo:

ATOM= 0,98 g/l

GRC= 1,12 g/l

I granulati sono stati usati per formare piastrelle essiccate a 110°C e pressate a 450 kg/cm<2 >, delle quali si è calcolata la densità appaiente ottenendo:

ATOM= 1,90 g/l

GRC= 2,03 g/l

e la rugosità ottenendo:

Rugosità ATOM= 146,0

Rugosità GRC= 177,5

Gli stessi pezzi sono stati poi finiti con una fase di cottura ottenendo le seguenti rugosità:

Rugosità ATOM= 330

Rugosità GRC= 350

E’ stato inoltre misurata la rugosità e il coefficiente di attrito medio di piastrelle sinterizzate realizzate secondo l’invenzione a partire da un granulato a fuso granulometrico lungo e con diametro di circa 4 mm. In questo caso non è possibile effettuare comparazioni dirette perché con la fase di agglomerazione dei granulati atomizzati tradizionali non si possono raggiungere valori di diametro superiori a 800 micron o poco oltre.

Rugosità = 591 ,9

Coeff. Attrito medio = 0,75 - 0,80

Mentre ricordiamo che il valore del coefficiente dei gres porcellanati in commercio è di circa 0,6 - 0,7.

La rugosità è stata misurata con rugosimetro PERTHOMETER S3P prodotto dalla MAHR-PERTHEN GMBH, i grafici dei profili di rugosità ingranditi sono riportati in fig.

Il coefficiente di attrito medio è stato calcolato secondo il metodo B.C.R (British Ceramic Research).

Come si può vedere dagli esempi riportati, a parità di composizione dell'impasto iniziale e a parità di diametro medio si ottengono granuli di rugosità sensibilmente maggiore. Inoltre si possono produrre granuli di dimensioni decisamente maggiori (3-4 mm rispetto agli 800 micron dei granuli atomizzati) e, da questi, manufatti con un elevato coefficiente di attrito medio.

In figura 2 sono riportati i profili amplificati della rugosità misurata nei vari casi e la relativa scala di riferimento. Con il termine commerciale “VITRAX" è stato indicato un manufatto ceramico secondo l’invenzione. La presente invenzione è stata descritta con riferimento ad una forma preferita di realizzazione, ma si intende che modifiche equivalenti potranno essere apportate da ogni tecnico del ramo senza comunque uscire dall'ambito della tutela accordata alla presente privativa industriale.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Processo per la produzione di manufatti ceramici comprendente una fase di selezione e dosaggio di almeno un impasto ceramico di materie prime prefrantumate da macinare, una fase di macinatura a secco di detto impasto, una fase di dosaggio dell'impasto macinato, una fase di preparazione di granuli ceramici compatti a partire da detto impasto macinato e dosato, e una fase di formatura in pressa di detti granuli compatti per produrre detti manufatti ceramici.
2. Processo secondo la rivendicazione 1, in cui detta fase di macinazione dell'impasto prefrantumato avviene in un mulino essiccatore verticale a rulli con alimentatore a disco e costituito da due rulli conici ad asse fisso e ruotanti sul loro asse i quali esercitano su una pista circolare orizzontale rotante una pressione regolabile e compresa preferibilmente tra 80 e 110 bar.
3. Processo secondo la rivendicazione 2, in cui il ciclo di regolazione della macinazione è basato sulla misura della differenza di pressione nel circuito pneumatico del mulino tra l’ingresso e l'uscita, il valore della differenza essendo trasmesso ad un inverter che comanda il numero di giri del motore dell’alimentatore del mulino.
4. Processo secondo la rivendicazione 1, in cui detta fase di preparazione di granuli compatti è eseguita mediante un granulatore a camera cilindrica in cui l'impasto macinato viene alimentato e agglomerato grazie ad un moto rotatorio impresso mediante una barra di dispersione con nebulizzazione radiale dell’acqua fino a raggiungere circa il 15-16% di umidità dell’impasto.
5. Processo secondo la rivendicazione 4, in cui viene preparato granulato colorato mediante pigmenti in sospensione acquosa distribuiti dai banchi di ugelli orizzontali disposti parallelamente all'interno della camera cilindrica.
6. Processo secondo la rivendicazione 4, in cui il granulatore è appoggiato su ruote in gomma anti vibrazione ed è riscaldato mediante lampade catalitiche esterne per evitare la formazione di incrostazioni per condensazione deH’umidità nella camera di granulazione. '
7. Processo secondo la rivendicazione 1 , in cui detta fase di dosaggio di almeno un impasto macinato è effettuata mediante la pesatura di un polmone di precarica e controllando in continuo la sua perdita di peso totale.
8. Processo secondo la rivendicazione 4, in cui detta fase di preparazione di granuli compatti comprende una fase di essiccazione finale mediante un letto essiccatore a getti di aria calda a circa 150°C attraverso un setto di lamiera microforata, fino ad arrivare ad un contenuto di umidità del 5-7% dei granuli ottenuti, che prima dell’uscita vengono raffreddati alla temperatura ambiente per evitare condensazioni in fase di trasporto.
9. Processo secondo la rivendicazione 1 , in cui detta fase di formatura avviene in presse con tamponi bordino rivestiti in gomma.
10. Processo secondo la rivendicazione 9, in cui detti tamponi bordino sono rivestiti da uno strato di gomma morbida (circa 60 Shore) ed alto spessore (circa 5 mm).
11. Processo secondo la rivendicazione 9, in cui detta fase di formatura awiene con pressioni tra 450 e 500 kG/cm<2>.
12. Processo secondo la rivendicazione 1, in cui detto impasto è costituito in percentuale da argilla caolinica (20 - 25), argilla illiticacaolinitica (25 - 30), feldspato sodico (25-30), feldspato sodico-potasico (10 - 15), sabbia (5 - 10), talco (2 - 4), scarto crudo (0,5 - 1) scarto cotto (2 - 4), calce esausta (0,05 - 0,1 ).
13. Granuli per la produzione di manufatti ceramici caratterizzati dal fatto di presentare una geometria piena approssimativamente sferica.
14. Granuli secondo la rivendicazione 13, caratterizzati dal fatto di presentare e un diametro massimo uguale o superiore a 0,8 mm.
15. Granuli secodno la rivendicazione 13, caratterizzati dal fatto di presentare una densità apparente superiore a 0,98 g/l.
16. Pressa a tamponi bordino per la formatura di manufatti ceramici caratterizzata dal fatto che detti tamponi bordino sono rivestiti da uno strato di gomma morbida (circa 60 Shore) ed alto spessore (circa 5 mm).
17. Impianto per la produzione di manufatti ceramici comprendente mezzi di stoccaggio (1) di almeno un impasto di materiale prefrantumato; mezzi (2) di selezione e dosaggio di detto impasto e mezzi (21) di alimentazione di un mulino (3) per la macinazione a secco di detto impasto dosato; mezzi (4) per lo stoccaggio di almeno un impasto macinato; mezzi (5) per la selezione da detti mezzi (4) di almeno un impasto macinato e mezzi (51) per il dosaggio e l'alimentazione di un granulatore (6) per la preparazione di almeno un granulato pieno; mezzi (61) per l’essiccazione controllata di detto granulato pieno; mezzi (7) di vagliatura a stoccaggio di almeno un granulato; mezzi per la formatura in pressa di detto granulato per la produzione di manufatti ceramici e mezzi per la essicatura e sinterizzazione dei manufatti.
18. Manufatti ceramici caratterizzati dal fatto di essere formati da granuli a geometria compatta.
19. Manufatti secondo la rivendicazione 18 caratterizzati dal fatto di presentare un valore di rugosità superficiale maggiore di 330.
20. Manufatti secondo la rivendicazione 18 caratterizzati dal fatto di presentare un coefficiente medio di scivolosità superiore a 0.7 misurato secondo il metodo B.C.R.