INFLUENCIA DE LAS MATERIAS PRIMAS BORÁCICAS EN LAS EMISIONES DE LOS HORNOS DE FUSIÓN DE FRITAS

W. Vickery, A. Moreno, E. Monfort 
Borax Europe Limited. Guilford. Inglaterra
Instituto de Tecnología Cerámica.
Asociación de Investigación de las Industrias Cerámicas.
Universitat Jaume I. Castellón. España.
RESUMEN
      Las emisiones procedentes de los hornos de fusión constituyen un problema muy difundido en el sector de la fabricación de fritas. Dichas emisiones producen el deterioro más rápido de las instalaciones, problemas en el producto acabado, pérdida de materias primas y están sujetas a restricciones cada vez mayores por la normativa medioambiental.
      El papel del boro en la estructura del vidrio y su importancia en las fritas cerámicas son conocidos. Menos conocida es la posibilidad de reducir de forma significativa las cantidades emitidas en forma de partículas y volátiles que se producen en la fabricación de fritas, mediante la selección cuidadosa de la materia prima borácica a utilizar.
      El presente trabajo describe algunos de los resultados experimentales de un estudio realizado sobre las emisiones procedentes del proceso de fabricación de fritas, los mecanismos que dan lugar a dichas emisiones, su composición y la manera de poder reducir las emisiones mediante la selección cuidadosa de las materias primas.
       
1. INTRODUCCIÓN
1.1. CARACTERÍSTICAS DE LAS EMISIONES
     Durante el proceso de fabricación de fritas se producen emisiones a la atmósfera en las diferentes etapas, observándose en todas ellas la presencia de partículas sólidas, independientemente de su composición química generadas por dos fenómenos: a partir de materiales sólidos y/o por condensación de compuestos volátiles. No obstante, excepto en la etapa de fusión, las emisiones se producen prácticamente a temperatura ambiente, por ello la depuración de los gases es relativamente sencilla y con un grado de implantación industrial muy elevado.
     En este proceso de fabricación las emisiones más importantes son, sin duda, las generadas en los hornos de fusión, tanto por la cantidad de posibles contaminantes, como por la presencia de contaminantes en forma de gases, vapores, partículas sólidas y partículas parcialmente fundidas debido a la temperatura de los humos que se generan en los hornos (400-800°C), lo que dificulta enormemente la aplicación de sistemas de depuración. Las características de los gases emitidos en los hornos de fusión de fritas dependen además del tipo de frita fabricado y de las materias primas, del régimen de funciona-miento (continuo o discontinuo), del combustible, del diseño del horno, etc. La emisión de partículas sólidas con los actuales sistemas de fabricación es del orden de 1-10 g por kg. de frita fabricada, lo que origina unas concentraciones de partículas en las emisiones de los hornos entre 150 y 1000 mg/Nm3.
     
1.2. PROBLEMAS MEDIOAMBIENTALES
     El problema medioambiental es el más inmediato por el impacto que producen las emisiones sobre el entorno de la empresa y por los costes que genera el control y depuración de los humos de los hornos.
     El tratamiento de las emisiones de los hornos de fusión puede realizarse mediante medidas primarias o preventivas, que consisten en evitar la presencia de contaminantes en las emisiones, o mediante medidas secundarias o correctivas, que consisten en eliminar los contaminantes presentes en las emisiones mediante un tratamiento adecuado.
     Debido a la elevada concentración de partículas en estos gases, hoy por hoy para respetar los límites impuestos en las diferentes legislaciones es necesario recurrir a sistemas de depuración de las emisiones, la aplicación de medidas primarias únicamente no puede garantizar su cumplimiento.
     Los sistemas de depuración más utilizados son los filtros de mangas que presentan como ventajas más importantes un rendimiento de depuración muy elevado en la depuración de partículas sólidas (del orden del 95 %), permiten el uso de unidades de tamaños muy diferentes y existen una importante experiencia de estos sistemas en hornos de fusión de fritas, por contra como desventaja más significativa cabe indicar la dificultad en aprovechar el calor residual de los humos, al requerir temperaturas de tratamiento del orden de 150-200°C.
     Los costes de tratamiento y las inversiones en los sistemas de depuración de estas emisiones dependen de la instalación (tipo de producto, sistema de combustión, sistema de depuración, etc.) y del rendimiento de depuración que se desee alcanzar. Cuando se desean alcanzar elevados rendimientos de depuración con las tecnologías utilizadas actualmente, los costes de depuración son bastante significativos con respecto al coste de fabricación del producto.
     A nivel europeo no existe una legislación específica en materia de contaminación atmosférica para la industria de cerámica y de vidrio. La Comisión Europea emite Directivas que fijan los criterios generales, posteriormente cada país debe aplicar en su legislación nacional los principios de las diferentes Directivas. En particular los límites de emisión atmosférica se dejan a las valoraciones y criterios de cada uno de los países miembros de la Unión Europea.
     En la práctica esta situación se traduce en que se aplican distintos límites de emisión entre países diferentes, e incluso entre distintas regiones dentro de un país. En concreto par los hornos de fusión de fritas el límite de emisión de partículas para una empresa ubicada en Castellón es de 150 mg / Nm3, para una empresa ubicada en la Emilia Romagna en Italia de 30 mg/ Nm3 o para una empresa ubicada en el Reino Unido es de 100 mg / Nm3. A nivel orientativo puede indicarse que el límite de emisión de partículas más habitual en la Unión Europea se sitúa entorno a 50 mg / Nm3.
     Los límites de emisión de partículas normalmente se expresan en concentración, aunque existe la tendencia, ya aplicada en algunos países, a utilizar además factores de emisión (cantidad emitida por unidad de producto) o a expresar las concentraciones a un contenido en oxígeno dado en humos, para evitar el efecto de la dilución cuando se expresa este valor en concentraciones.
     Por otra parte, cabe recordar que los límites de emisión no son inmutables y la tendencia en la Unión Europea es la implantación progresiva, de acuerdo con la aparición de nuevas tecnologías, de límites cada vez más estrictos y lograr una mayor homogeneidad entre los diferentes Estados Miembros de la Unión Europea. Este principio se ha traducido en la reciente publicación de la directiva 96 / 61 /CE relativa al control y prevención integral de la contaminación (IPPC), donde aparece el concepto de BAT (Best Available Techniques), traducido al español como mejor tecnología disponible. En este sentido, las futuras discusiones para definir los BAT aplicables a cada sector industrial tendrán una importancia fundamental.
     
1.3. PROBLEMAS DE PROCESO Y/O DE PRODUCTO
     Además de los medioambientales se generan otra serie de problemas, entre los que cabe destacar los siguientes:
     Deterioro del refractario del horno y de las conducciones de salida de los gases tanto por abrasión como por corrosión de los gases y de las condensaciones.
     La existencia de heterogeneidades en el producto por evaporación o arrastre selectivo de determinados componentes y en distintas zonas del horno, e incluso entre partidas distintas al cambiar de horno o de materias primas, lo que puede comprometer la constancia en las propiedades del producto obtenido, y por tanto alterar su calidad.
* La necesidad de añadir cantidades adicionales de materias primas para compensar las pérdidas durante la fase de fundido.
* La presencia de contaminantes en estas emisiones dificulta enormemente el aprovechamiento de la energía residual de las mismas.
* En algunos casos incluso puede ser el factor limitante de la producción, para mantener las emisiones dentro de los límites permitidos.
* Problemas de salud en el trabajo por la emisión de contaminantes hacia el interior de las instalaciones.

1.4. GÉNESIS DE LAS EMISIONES
¿EN QUÉ CONSISTEN ESTAS EMISIONES?
     Para el presente trabajo hemos divido las emisiones en dos grupos: partículas sólidas y volátiles.
     Las emisiones de partículas sólidas son las que se producen durante el calentamiento de la mezcla. Como se explica más detenidamente a continuación, estas partículas suelen estar compuestas de cristales infundidos procedentes de la mezcla o de microesferas de vidrio.
     Aunque se sabe que la mayoría de las pérdidas volátiles terminarán condensándose en forma de sólidos, hemos optado por diferenciarlas de las que llamaremos pérdidas de partículas sólidas. Las pérdidas volátiles raras veces forman depósitos sólidos / líquidos dentro del horno y se necesitan técnicas diferentes que las utilizadas en el caso de las pérdidas de partículas sólidas, para su eliminación o reducción.
     
     Observaciones anteriores realizadas por MEB de las emisiones han mostrado que se puede hacer una clara distinción entre los dos tipos de emisiones. Esto puede observarse en la figura 1, donde se presenta una imagen de MEB de las emisiones recogidas de una mezcla de frita para baldosas fabricadas por monococción rápida, en la cual se puede observar la presencia de tres grupos distintos: esferas, material basto irregular, y un depósito muy fino. El análisis semi-cuantitativo de estos grupos ha mostrado que las esferas son de tipo vítreo, el material basto está compuesto principalmente de cuarzo, calcita, y dolomita y el depósito de tamaño submicra, se muestra rico en cloro, sodio, y potasio, señalando así su origen como volátiles condensados.
       Figura 1. Emisiones de partículas sólidas procedentes de la fusión de una mezcla de frita.
       
EMISIONES DE PARTÍCULAS SÓLIDAS
     Las tres causas principales de las emisiones de partículas sólidas son la vaporización del agua, la decrepitación (degradación mecánica), y el "puffing" (arrastre neumático). La velocidad de calentamiento de una mezcla de fritas es muy alta en la práctica, ya que la mezcla se traslada del lugar de almacenamiento o alimentación que se encuentra a temperatura ambiente, hasta dentro del horno (a una temperatura de hasta 1500ºC). Para las materias primas borácicas la mayor parte del agua se pierde en los primeros cientos de grados de calentamiento, típicamente en el intervalo hasta 500ºC (es decir, por debajo de la temperatura de fusión de la mezcla). Toda el agua se convierte en vapor de agua, que sube a través de la mezcla, arrastrando las partículas más finas en su corriente. Una vez barridas de la superficie de la mezcla, las partículas sólidas son transportadas por los gases de combustión fuera del horno. Para situar el proceso en su perspectiva correcta, una mezcla con un contenido de agua del 5% libera aproximadamente 300 veces su volumen en forma de vapor de agua sobrecalentado a 1000°C (es decir una tonelada de una mezcla de estas características, libera aproximadamente 30 m3 de vapor de agua sobrecalentado).
     Cuando se calientan, algunos minerales se hacen más porosos, y desarrollan microporos y fisuras dispersos por toda su red cristalina. Su expansión térmica produce esfuerzos internos dentro de los cristales individuales, que los rompen en pequeños fragmentos, un proceso denominado decrepitación. Los movimientos producidos por la decrepitación afectan a los componentes adyacentes y causan el desplazamiento de las partículas sólidas, provocando las emisiones de polvo procedentes de la pila de la mezcla. La utilización de productos más bastos fomenta el efecto de la decrepitación.
El fenómeno del arrastre neumático ("puffing") se conoce también como efecto “palomita”. Se trata de la expansión repentina que se desarrolla a raíz de la deshidratación de algunos productos a causa del calentamiento. Cuando se calientan, algunos materiales se hinchan y forman esferas huecas que pueden ser bastante más grandes que las partículas sólidas originales. Esto puede producirse a una temperatura determinada, en cuyo caso la expansión es muy brusca, provocando un importante movimiento en la mezcla que da lugar a emisiones de polvo.
     El caudal de gas del horno también puede tener un efecto importante en las pérdidas de partículas sólidas, sin embargo esto es más difícil de cuantificar, ya que depende de la forma y tamaño de la mecha de gas, así como de su orientación hacía la pila de la mezcla. El efecto es principalmente uno de erosión / eliminación mecánica del material de la pila de la mezcla, a causa del fuerte flujo de gas turbulento.
Otras causas de emisiones de partículas sólidas son:
* Descomposición y evolución de gases como el agua y el CO2
* Reacciones químicas en la mezcla.
* Contenido en polvo de la mezcla.

EMISIONES DE VOLÁTILES
     Las emisiones de volátiles son el resultado de una transferencia de masa de los componentes vítreos procedentes de la mezcla / vidrio fundido hacía dentro de la atmósfera del horno. Estas se producen de la siguiente manera:
* Transporte difusional en la fase vítrea hacía la superficie del fundido.
* Vaporización y/ o reacción que convierte los componentes en componentes volátiles.
* Transporte de los componentes gaseosos dentro de la atmósfera del horno.
Figura 2. Esquema del proceso de volatilización de NaOH a partir de un vidrio fundido.
p: presión parcial de vapor media en el horno
p*: presión parcial de vapor de equilibrio en la interfase gas / fundido

     La atmósfera de un horno industrial nunca está saturada de componentes evaporados a partir del vidrio fundido, y la fase que controla la velocidad de vaporización puede ser la del transporte de los productos químicos de la superficie del fundido vítreo hacía el flujo de gas de convección. Velocidades de gas más altas dan lugar a velocidades de vaporización mayores; un consumo de combustible mayor aumentará la vaporización, pero provocará la reducción de la materia volatilizada por unidad de volumen de gas de chimenea.
El mecanismo de vaporización depende de:
* Composición del vidrio
* Caudal de gas sobre la superficie vítrea
* Composición de la atmósfera del horno
* Temperatura
* Reacción de los componentes del vidrio con los componentes de la atmósfera del horno en la superficie vítrea.
     El contenido de agua en la atmósfera del horno será un factor importante para la volatilización de las bases y del plomo; en ciertos casos la velocidad de difusión de los componentes a través del fundido será el factor controlante.
     
2. OBJETO Y ALCANCE DEL TRABAJO
     Para estudiar los problemas comentados anteriormente originados por la presencia de contaminantes en la atmósfera de horno se considera conveniente conocer mejor los mecanismos de formación de estos contaminantes en el seno del horno de fusión.
     En la bibliografía consultada apenas se encuentran trabajos que estudien el comportamiento individual de las diferentes materias primas durante el proceso de fusión. Por ello se consideró interesante desarrollar este trabajo con los siguientes objetivos:
i) desarrollar un dispositivo experimental que permita estudiar a nivel de laboratorio la tendencia de distintas materias primas a generar partículas o vapores en los gases de la atmósfera del horno durante el proceso de fusión;
ii) mediante este dispositivo experimental, estudiar el comportamiento durante la etapa de fusión de las principales materias primas minerales utilizadas para aportar boro a las fritas cerámicas, determinando la influencia sobre las características de las emisiones de los hornos de fusión.

3. MATERIALES Y TÉCNICAS EXPERIMENTALES
3.1. MATERIALES
     Se han estudiado dos fritas representativas de las utilizadas en la fabricación de baldosas de revestimiento por ciclos de cocción rápidos (30-50 minutos). Los materiales seleccionados son una frita opaca y una frita transparente.
     
Tabla 1. Composición de las fritas (in % w/w).

     Las materias primas utilizadas fueron: feldespato sódico, carbonato potásico, dolomita, óxido de cinc, silicato de circonio, alúmina y cuarzo. Se compararon la hidroboracita y la colemanita como fuentes de materias borácicas. Las cantidades de las materias primas diferentes se ajustaron para obtener la composición de frita requerida, esto fue debido a las diferencias en la composición química entre las dos materias borácicas.
     
3.2. TÉCNICAS EXPERIMENTALES 
Pérdidas de partículas sólidas

Figura 3. Esquema del equipo utilizado para cuantificar las emisiones de partículas sólidas procedentes de la mezcla en fusión.

     El equipo consta de un horno tubular eléctrico horizontal, con un diámetro de 5 cm, que se ajusta a la temperatura deseada. La temperatura del horno se establece de acuerdo con el tipo de material a ensayar, normalmente entre 1050°C y 1350°C. El elemento que sujeta el filtro está protegido de fusión mediante la introducción de aire frío. Dicho elemento está conectado con una bomba de vacío. La velocidad de la bomba se establece de forma que se produce un flujo de aire a través del horno que puede arrastrar las partículas sólidas sin eliminar el material en la navecilla. El flujo de aire se estableció de esta manera en 0.3-0.5 ms-1. La navecilla de fusión se utiliza para introducir 3g de la mezcla de frita en el horno, y tiene unas dimensiones de 10 x 1 x 1 cm. Después de poner en marcha el vacío, la navecilla se coloca en el horno ya a temperatura, y se retira solamente cuando las emisiones de las partículas sólidas procedentes de la mezcla han terminado, es decir después de alrededor de dos minutos. El filtro se pesa para determinar la masa de las partículas sólidas. Los resultados se expresan como la razón del producto recogido en el filtro, dividido por la cantidad de la mezcla introducida en la navecilla de fusión. Este ensayo se suele realizar por triplicado, y aquí se presenta la medía de los tres resultados.
     Al retirar el sistema de filtro del extremo del horno, es posible registrar la reacción./ fusión mediante una cámara de vídeo, para la comparación visual de las diferentes mezclas.
Las ventajas y aspectos fundamentales del equipo utilizado son:
* Facilidad de montaje y utilización.
* Buena observación del comportamiento.
* Realización de muchos experimentos en un tiempo breve.
* La velocidad del aire sobre la navecilla de fusión puede ajustarse con precisión.
* Buena reproducibilidad de los resultados.
* Obtención de una clara comparación entre los diferentes productos o mezclas de componentes.
     Si las partículas sólidas se recogen en cantidades suficientes, el análisis de los sólidos puede proporcionar asimismo una mayor comprensión acerca del proceso de fusión. Las técnicas utilizadas para observar los sólidos pueden incluir la microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido (MEB), granulometría de partículas por láser y análisis por rayos X.

Pérdidas volátiles
     El equipo consta de un horno tubular eléctrico horizontal, con un diámetro de 5 cm, que se ajusta a la temperatura deseada. La temperatura del horno se establece de acuerdo con el tipo de material a ensayar, normalmente entre los 1200°C y 1500°C. El sistema de captura está conectado con una bomba de vacío, que se ajusta a una velocidad de aproximadamente 2000 cm3 / min. La navecilla llevó 20 g de mezcla y se aplicó el siguiente ciclo de cocción:
     
        Tabla 2. Pérdidas volátiles (en mg / g de frita).
        Figura 4. Esquema del dispositivo utilizado para cuantificar las emisiones de volátiles procedentes de la mezcla fundida.
        
* Introducción de la mezcla en el horno frío.
* Velocidad de calentamiento del horno de 10°C / min hasta temperatura máxima, para evitar las emisiones de partículas sólidas.
* Alcanzada la temperatura deseada, la mezcla permanece en el horno durante otros 30 minutos.
* La navecilla de fusión se retira del horno y el sistema se deja en funcionamiento a la temperatura establecida durante otros 30 minutos.
* El sistema se lava y se limpia, el agua del lavado se guarda para el análisis.
* El sistema se vuelve a montar y se pone de nuevo en funcionamiento a la temperatura deseada durante otros 30 minutos; esto se hace sin muestra para conseguir un blanco.
* El sistema se lava y se limpia una segunda vez, el agua del lavado se guarda para el análisis.
* Después del análisis químico de los resultados del segundo lavado, los valores obtenidos se suman a los del primer lavado.

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Pérdidas volátiles
     Las pérdidas volátiles se midieron a una temperatura de 1400ºC. Los resultados obtenidos fueron los siguientes:
     Se realizó también el análisis para el circón y el magnesio pero su presencia estaba por debajo del límite de detección de nuestro equipo.
     Los resultados de la tabla 2 indican que la utilización de la colemanita produce las mayores pérdidas de arsénico, flúor y sulfuro. Esto refleja los altos niveles de dichos componentes en este mineral borácico.
     Cuando se comparan con las composiciones de las fritas, se puede observar claramente que la volatilidad del potasio es mayor que la del sodio. También parece que la utilización de la colemanita da lugar a pérdidas de boro, sodio y potasio algo mayores que cuando se utiliza la hidroboracita. Las razones por este fenómeno no están claras. Se sabe que los boratos combinan con las bases en la volatilización, y forman NaBO2 o KBO2, en vez de HBO2. Los cálculos realizados a partir de los resultados de la tabla 2 muestran que aproximadamente la mitad (en moles) del borato se volatiliza como KBO2 y la otra mitad como HBO2.
     Las mayores pérdidas de cloro obtenidas cuando se emplea la hidroboracita se deben a su contenido de cloro algo mayor. Puede observarse que no se producen pérdidas significativas de sílice, calcio o cinc a través de la volatilización, y lo mismo puede decirse respecto al circón y al magnesio.
     
Pérdidas de partículas sólidas
     Las pérdidas de partículas sólidas se determinaron a una temperatura del horno de 1300°C. Los resultados obtenidos de las pérdidas de partículas sólidas fueron los siguientes:
     


Resultado
Transparente
Colemanita
0.07

Hidroboracita
0.03
Opaca
Colemanita
0.04

Hidroboracita
0.02
Tabla 3. Pérdidas de partículas sólidas (% recogido / muestra).

     Los resultados obtenidos son bastante bajos pero aún muestran claramente que la utilización de la colemanita da lugar a una mayor cantidad de pérdidas de partículas sólidas que la hidroboracita. Esto se debe a la tendencia de decrepitación de la colemanita con el calentamiento. Ya que la hidroboracita no desarrolla esta decrepitación, su presencia, no produce el mismo grado de movimiento de la mezcla como la de la colemanita.
     Con estos niveles bajos también puede observarse que una fracción importante de lo que se recoge en los filtros, en realidad son pérdidas volátiles condensadas y no pérdidas de partículas sólidas como tales. Con este propósito se realizó un análisis químico de los filtros con el material recogido en ellos.
     Las muestras recogidas en los filtros de fibra de vidrio tuvieron un peso total de aproximadamente 0,2 g (muestra + filtro) y se fusionaron en 2 g de metaborato de litio. Las muestras fundidas se lixiviaron a continuación en ácido nítrico diluido, y se analizaron mediante ICP. El metaborato de litio tiene un contenido de 53.8% de B2O3 lo cual significa que el B2O3, introducido por la muestra y el filtro, probablemente representa menos del 1% del total de B203 en el producto fundido. Por tanto no era posible determinar el boro en las emisiones de polvo.
       Nota: los resultados del CaO, SiO2 y ZnO que se detallan en la tabla 4 pueden no ser exactos, ya que las muestras se obtuvieron en filtros de fibra de vidrio que dieron valores en blanco considerables.



CaO
MgO
Si02
ZnO
Zr02
Transparente
Colemanita
16.2
3.5
54.6
6.5
n/d

Hidroboracita
15.4
4.5
39.2
6.0
n/d
Opaca
Colemanita
15.5
5.8
38.6
7.0
9.5

Hidroboracita
15.5
6.0
37.7
5.5
8.2
Tabla 4. Composición de las emisiones recogidas (en % en peso).

     Al comparar estos resultados con los obtenidos con las pérdidas volátiles, se observa que todo el calcio, magnesio, sílice, cinc y circonio sólo puede haberse producido en forma de pérdidas de partículas sólidas. Los resultados de la tabla 4 también muestran que por lo menos el 70% de lo que se ha recogido en los filtros, se produce a raíz de perdidas de partículas sólidas. Teniendo en cuenta la incertidumbre de algunos de estos valores, parece que la composición de las pérdidas de partículas sólidas es bastante constante, siendo más rica en calcio y más pobre en sílice que la composición de las fritas original (ver tabla 1). Los niveles de magnesio, cinc y circonio parecen ser similares a los de la composición de las fritas.
     
5. CONCLUSIONES
- Se han diseñado y puesto a punto dos montajes experimentales de laboratorio para estudiar el comportamiento de distintas composiciones durante el proceso de fusión de fritas, que permiten estudiar su capacidad para generar emisiones. Uno de estos sistemas experimentales ha sido diseñado específicamente para determinar las emisiones de compuestos volátiles, mientras que el otro sistema permite evaluar las partículas sólidas emitidas.
- Estos dispositivos experimentales se han utilizado para comparar el efecto de las dos materias primas borácicas minerales más importantes utilizadas en la fabricación de fritas: hidroboracita y colemanita. Se ha comprobado que estas materias primas presentan diferencias cuantitativas y cualitativas sobre las emisiones de compuestos volátiles y de partículas sólidas en el proceso de fusión de fritas.
- El procedimiento desarrollado en este trabajo permite conocer diferencias de comportamiento de las materias primas frente a las emisiones y realizar una selección de las mismas con la finalidad de incrementar la vida útil del horno, mejorar la calidad del producto y minimizar el impacto medioambiental de las emisiones de los hornos.

AGRADECIMIENTOS
     Es evidente que este estudio no es el resultado únicamente del trabajo de los tres autores que figuran, sino el trabajo de todo un equipo de personas. En especial queríamos agradecer a David Lever, Brian Robertson y John Simon su inestimable colaboración, sin la cual no se hubiera podido realizar el trabajo. También queremos agradecer la colaboración de todo el equipo de Bórax España, cuyo trabajo ha sido fundamental para la realización de este estudio.

LA NORMATIVA MEDIOAMBIENTAL Y SUS EFECTOS SOBRE LA INDUSTRIA CERÁMICA EN NORTEAMÉRICA

Denis A. Brosnan, Clemson University, Clemson, SC EEUU John P. Sanders, III, Dal-Tile Corporation, Dallas, TX, EEUU

RESUMEN
     Si bien la Ley sobre la Contaminación Atmosférica fue aprobada en los Estados Unidos en el año 1970, la implantación de mediciones y controles de la contaminación del aire no empezaron a realizarse en las industrias cerámicas tradicionales de baldosas, productos de pasta blanca y ladrillos hasta aproximadamente el año 1990. Por contra, la implantación de estas mediciones y regulaciones empezaron en Canadá, al menos una década antes, de forma que la instalación de equipos para el control de la contaminación del aire se había casi completado en Canadá antes de que ni siquiera empezara el proceso de regulación normalizada en los Estados Unidos.
     El principal punto de atención del proceso de regulación oficial respecto a la contaminación del aire por parte de la industria cerámica en los Estados Unidos ha sido la emisión de ácido fluorhídrico (HF). En Europa las emisiones de ácido fluorhídrico (HF) habían sido reguladas y controladas mucho antes, por lo que se disponía ya de una amplia información sobre tales emisiones. Sin embargo, las regulaciones se han desarrollado de forma diferente en los Estados Unidos, donde se necesitaban investigaciones adicionales. Ya que las emisiones de los óxidos de azufre (SOx) suponen una emisión mucho mayor por parte de la industria cerámica, se ha dedicado más atención en los últimos tiempos al origen y control de SOx. Además, las emisiones de partículas sólidas han cobrado también importancia al reducirse las concentraciones permitidas en los Estados Unidos.
     Estas consideraciones basadas en la normativa a cumplir han obligado a muchos fabricantes de la industria cerámica a comprar sistemas de desempolvado o abatimiento de los polvos en los humos, mientras otros han reformulado sus pastas para minimizar los problemas de las emisiones atmosféricas. En estos momentos un talco calcinado, con bajo contenido en flúor, se comercializa como materia prima en la industria de baldosas y al menos tres fabricantes de revestimiento de pared han cambiado sus formulaciones de pastas basadas en talco por otras basadas en arcillas y feldespatos. También las arcillas con contenidos en sulfuros están siendo examinadas en detalle.
     
INTRODUCCIÓN A LAS NORMAS DE LOS ESTADOS UNIDOS
     Bajo la Ley de Contaminación Atmosférica, en su forma enmendada de 1980, se establecen las siguientes categorías de contaminantes atmosféricos:
     Contaminantes de Criterio. Estos productos se presentan en la relación de la Normativa Nacional sobre la Calidad del Aire Ambiental (NAAQS), e incluyen las partículas sólidas, el sulfuro y los óxidos de azufre, el plomo y el ozono al nivel del suelo, todos los cuales suponen un problema para la salud pública. Algunos de los criterios originales establecidos en la NAAQS fueron: SO2 (80 ?g / m3 de media anual y una media de 365 ?g / m3 en 24 horas), PM<10 ? (cantidad de partículas sólidas de 50 ?g / m3 de media anual y media de 150 ?g / m3 en 24 horas), y O3 (media de 0,12 ?g / m3 en 24 horas).

     1) Contaminantes Atmosféricos Peligrosos (llamados los "HAP's"). No sólo los que suponen un problema serio para la salud pública, sino también los que suponen un problema de menor importancia, como el ácido fluorhídrico (HF) y el clorhídrico (HC1).

     Cuando una zona de los Estados Unidos no "cumplía" los límites de concentración establecidos en la normativa NAAQS, dicha zona fue clasificado como "Zona de Incumplimiento". Los fabricantes cerámicos situados en zonas de estas características como Atlanta, GA o Dallas, TX, fueron sometidos a unos controles más estrictos sobre la contaminación del aire y tenían una mayor dificultad para obtener sus permisos sobre emisiones.

     Con respecto a los contaminantes atmosféricos peligrosos (HAP's), se han hecho grandes esfuerzos desde 1990, desarrollando los factores de emisión, es decir, los relativos a la cantidad en libras o kilogramos de emisiones por unidad de producto cocido, expresándose estos factores en forma de toneladas cortas (St) o toneladas métricas (Mt). Por conveniencia en este trabajo, sólo se expresarán las cantidades en toneladas métricas.

     Para los productores cerámicos que piensan extender sus actividades a los Estados Unidos hay dos aspectos importantes que se han de tener en cuenta respecto a la normativa:

     1) Las Normas Federales están basadas en cantidades más que en concentraciones. Por ejemplo, por encima del valor umbral de 9 Mt de emisiones de HF, las instalaciones estarán sujetas a las Normas Federales que dictaminarán los requisitos para el control total de las emisiones para el año 2002.

     2) Los Estados Individuales pueden imponer restricciones más exigentes que las establecidas en las Normas Federales por la Agencia de Protección del Medio Ambiente (EPA). Ejemplos de esto son los Estados de Texas, Connecticut, Maryland y Carolina del Sur, que tienen un calendario acelerado de cumplimiento para algunos sectores de la industria cerámica.

     La Agencia de Protección del Medio Ambiente (EPA) está actualmente desarrollan-do una normativa sobre la Tecnología del Control Máximo Alcanzable (MACT). Estas normas determinarán los máximos permitidos para una planta o instalación de producción en términos de kg/Mg o bien lb / ton y será responsabilidad del fabricante implantar los controles adecuados para poder cumplir estas normas MACT en el año 2002. Hay muchas cuestiones que aún quedan por definir, incluyendo procedimientos de monitorización, todos los cuales supondrán un coste para el fabricante.

     El Presidente de los Estados Unidos anunció el 25 de junio de 1997 mayores restricciones en cuanto a la concentración de las partículas sólidas y el ozono. Las nuevas disposiciones reducen la cantidad admisible de ozono en 24 horas de 0,12 mg / m3 a 0,08 mg / m3 y se establece una nueva norma para las partículas sólidas PM-2,5 (menor de 2,5 ? con un valor medio para 24 horas de 15 ?g / m3. Estas normas tendrán su aplicación hacia el año 2005 para la industria cerámica por lo que resulta difícil predecir sus consecuencias.
     
EMISIONES DE HF EN LA INDUSTRIA CERÁMICA
     El flúor está presente en muchos minerales arcillosos en un intervalo de concentración de 200 a 800 ppm, ocupando los huecos que dejan los hidróxilos (OH-) en la estructura del mineral arcilloso. Otros minerales como la pirofilita y el talco pueden presentar contenidos de flúor más elevados, entre 1000 y 3000 ppm, y presentan la mayor concentración de flúor en materias primas con un carácter más básico, o con contenido de mica como mineral complementario. También se sabe que el flúor se libera durante el proceso de deshidroxilación y que inmediatamente reacciona con el agua en forma de vapor para formar ácido fluorhídrico (HF) en la atmósfera del horno.
     Los datos de ensayos de chimenea presentados por Robinson muestran que la mayoría de las instalaciones de producción de ladrillos de los Estados Unidos tienen unas emisiones con un equivalente de 1,6 kg /hora de HF, alcanzando unos valores máximos de 3,7 kg / hora de HF. Los trabajos de Wilson y Johnson en plantas de producción de ladrillos han sido tomados como guía al parecer por parte de la Agencia de Protección del Medio Ambiente (EPA) para fijar los factores de emisión actuales. Después de 1992, la EPA llevó a cabo una serie de encuestas en plantas de ladrillos y otras industrias cerámicas. Los resultados de estas investigaciones se presentan en la tabla 1:
     

Ladrillo común Horno túnel
Ladrillo esmaltado Horno túnel
Teja Horno túnel
Baldosa Horno túnel
H F
0.185
0.32
0.16
0.036
CO2
200
180
70
100
NOx
0.175
N/A*
0.47
0.14
SO2
0.325
3.9
2.4
0.51
PM**
0.50
0.14
0.59
0.028
no aplicable	.* partículas sólidas
Tabla 1. Factores de emisión (kg / Mg) en la producción de materiales cerámicos tradicionales cocidos en hornos de gas.

     Los factores de emisión EPA de la tabla 1 son evidentemente específicos de las materias primas empleadas por el fabricante cerámico. Por ejemplo, los datos relativos a los ladrillos esmaltados de la tabla 1 corresponden a un productor que utiliza arcillas refractarias mientras que los relativos a los ladrillos normales corresponden a productores que utilizan arcilla esquistosa. Así pues, es necesario obtener los datos específicos de cada fabricante, p. ej. mediante métodos de ensayo de chimenea o mediante técnicas de balances de materias con el ensayo de pirohidrólisis.
     Los trabajos de Hill y Sanders han sido de gran importancia para entender las emisiones gaseosas ácidas. Empleando la técnica de espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (FT-IR) para analizar los gases producidos durante el calentamiento del material arcilloso, Hill encontró dos regímenes de evolución del HF: uno en el intervalo de 450-750° C y otro hacia los 900° C (figura 1). En el primer intervalo, la liberación del HF se atribuye a la liberación del flúor durante la deshidroxilación mientras que en el segundo período la liberación del HF se atribuye a la descomposición de los compuestos de flúor formados temporalmente sobre la superficie de las partículas, durante y después de la deshidroxilación. De forma análoga, Sanders encontró también dos regímenes de liberación del sulfuro (como se comentará a continuación).

Figura 1. Evolución del HF en una atmósfera con presencia de vapor de agua.

     La contribución de Storer-Folt al conocimiento de las emisiones de flúor durante la cocción de productos cerámicos, se basó en el empleo de cálculos termodinámicos que muestran que el HF es la única especie estable de flúor en un proceso de combustión, lo cual también fue confirmado por Hill al detectar que el tetrafluoruro de silicio (SiF4) se desarrolla durante la cocción sólo cuando la atmósfera del horno contiene menos del 3% de vapor de agua. Storer-Folt demostraron además que hay un equilibrio entre las partículas de arcilla y los gases que contienen el flúor, explicando que la elevada presión parcial del flúor durante la deshidroxilación favorece la formación de compuestos de arcilla-flúor que no se descomponen hasta intervalos de temperaturas más altas durante el precalentamiento o la permanencia durante un tiempo a una temperatura determinada.
     
EMISIONES DE SOx EN LA INDUSTRIA CERÁMICA
     Los datos que aparecen en la tabla 1 reflejan las emisiones de SOx procedentes de las plantas que emplean pastas cerámicas rojas (ladrillos y gres de pavimento) y de la planta que produce ladrillos esmaltados, todas las cuales emplean materias primas que contienen trazas de piritas. La planta de gres emplea arcillas plásticas que contienen sulfatos minerales. La oxidación de la pirita y / o descomposición de los sulfatos conducen a la emisión de SOx.
     Tal y como se ha mencionado anteriormente, Wilson y Johnson publicaron varios trabajos en 1975 relativos a las emisiones de SOx en las plantas cerámicas y sus datos muestran que el SO2 es el principal de los óxidos de azufre y que representa entre el 85 y el 98% de las especies de óxido de azufre presentes y que las demás aparecen en forma de SO3. Esto no es ninguna sorpresa ya que el SO2 experimenta una oxidación hada el SO3 según el siguiente equilibrio:
     
     SO2 (g) + 1/202 (g) = SO3 (g)
     
pero este equilibrio limita la formación de SO1 por encima de los 500º C incluso en presencia de catalizadores. Junge señala que mientras la formación de SO3 puede ser termo-dinámicamente favorecida a bajas temperaturas, es el SO2 el que está cinéticamente más favorecido. Por tanto, las emisiones de azufre, principalmente como SO2 con algo de SO3, se producen en el precalentamiento de la combustión de las especies de azufre, a partir de la descomposición de la pirita o con la eliminación del azufre contenido en ligantes como los lignosulfonatos.

     En la industria de los materiales de la construcción estructurales, la mayoría de las emisiones resultan de la oxidación de la pirita (FeS2) contenida en las materias primas. Con los análisis realizados con la técnica de espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (FT-IR) en los gases producidos durante el calentamiento mediante el análisis cuantitativo de SO2 (empleando la banda de absorción de 1360 cm-1 y la utilización de una célula de gas de 20 metros), Sanders encontró que la oxidación ocurre en el intervalo 400-600° C con pirita finamente molturada, tal y como se muestra en la figura 2.

     Brownell determinó que la pirita se descompone en dos etapas. En la etapa inicial se produce la oxidación del FeS2 a FeS y en la segunda etapa se produce la oxidación del FeS a Fe2O3. Los análisis termogravimétricos de la descomposición de la pirita (325 mallas) llevados a cabo por Sanders parecen confirmar las observaciones de Brownell de que se observan dos regímenes de pérdida de la misma magnitud para las dos etapas de oxidación (figura 3). Como la pirita se encuentra en forma de impureza en las arcillas, con un tamaño de partícula de hasta varios milímetros, con piritas de tamaño de partícula mayor se producen emisiones de sulfuro a temperaturas más altas.
     
Figura 2. Emisiones de SO2 a partir de la descomposición de la pirita (325 mallas).

Con vistas a investigar la producción y emisión de SO2 durante la cocción debido a la oxidación de la pirita, Sanders preparó una serie de probetas cilíndricas a base de arcillas con una adición de pirita de 0,4% que fueron cocidas en un horno mufla tubular en atmósfera de aire, con una velocidad de calentamiento de 3ºC / min. Las arcillas empleadas por Sanders como materias primas no contenían mineral de pirita.

Figura 3. Análisis termogravimétricos de la descomposición de la pirita (325 mallas) en atmósfera de aire.

     Se observó que las probetas preparadas con arcillas dopadas con pirita presentan también dos etapas de emisión de SO2 como se muestra en la figura 4. La formación inicial de SO2 corresponde a la oxidación de la pirita en el intervalo de 400-600ºC. La segunda etapa, que procede de la adsorción de los gases con azufre en las paredes de los poros superficiales de las probetas, conduce a la formación de sulfatos en dicha superficie y sólo se descompone a temperaturas más elevadas, para liberar de nuevo emisiones de SO2.
     
Figura 4. Evolución de la emisión de SO2 en las probetas de arcilla dopadas con pirita.

Como el material empleado en este estudio contiene un 5,2% de óxidos básicos (MgO, CaO, Na2O y K2O), la adsorción parcial transitoria del SO2 en la superficie de las probetas parece plausible. Junge observó que el CaSO4 empieza a descomponerse a los 950ºC en sistemas arcillosos. Brownell encontró que en los sistemas arcillosos el MgSO4 se descompone por encima de los 750° C, el Na2SO4 se descompone entre 650° C y 700°, y el K2SO; se descompone entre 500ºC y 600°. La adsorción de especies ácidas por parte del material arcilloso ha sido recientemente estudiada y comentada por Storer-Folt, mientras que Brownell señala que incluso un material arcilloso a base de caolinita pura puede absorber SO2.

     La influencia de la concentración de oxígeno de la atmósfera (figura 3), también apoya la idea de la formación transitoria de sulfatos. A elevados contenidos de oxígeno, la emisión de SO2 es menor que durante la descomposición de la pirita, posiblemente porque favorece la formación de sulfatos en las paredes de los poros.

     Una última posibilidad de emisiones de SO2 puede ser debida a la presencia de sulfatos naturales, como el yeso en las materias primas arcillosas. Si bien los suministradores de arcillas intentan evitar la presencia de estos minerales en sus extracciones, a veces aparecen depósitos o vetas en las canteras con contenidos significativos de sulfatos naturales finamente divididos. La emisión de SO2 de tales materiales (principalmente una arcilla que contiene caolinita, mica y montmorillonita) contaminados con yeso se muestra en la figura 5. En este experimento la muestra se calentó en un horno hasta los 1100ºC y se mantuvo a esta temperatura durante 40 minutos hasta que todo el SO2 fue liberado.
     
Figura 5. Emisión de SO2 de un material arcilloso contaminado con yeso.

     El hecho que se pueden producir emisiones de azufre de la descomposición de los sulfatos presentes en arcillas es uno de los problemas de las plantas de materiales cerámicos tradicionales. Las arcillas plásticas contienen azufre en trazas desde unas 200 ppm hasta las 2800 ppm lo cual representa un potencial de emisión de SO2 de 0,1 a 2,8 kg/Mg. Por ejemplo la bentonita de Wyoming que puede contener hasta 1900 ppm representa un potencial de emisión de SO2 de hasta 1,9 kg /Mg. Algunos fabricantes ya han implantado limitaciones al contenido en azufre de las arcillas en respuesta a la normativa sobre las emisiones de SOx.
     
EMISIONES DE PARTÍCULAS SÓLIDAS EN LA INDUSTRIA CERÁMICA

     Las emisiones de partículas sólidas en los hornos túnel (ver tabla 1) muestran un mismo orden de magnitud para los distintos productos cerámicos. El valor más pequeño corresponde a la planta de ladrillos esmaltados que puede ser debido a la menor sección del horno y a los diferentes sistemas de apilado. El valor más pequeño que corresponde al horno de rodillos no es ninguna sorpresa.

     Las partículas sólidas encontradas en los humos de los hornos túnel consisten en materiales condensados y minerales. Esto se muestra en la figura 6 que corresponde al material encontrado en los humos de una planta de fabricación de ladrillos en California, cerca de la costa. Las partículas del material que quedan retenidas en los filtros son generalmente de un tamaño entre 1 y 3 micras, mostrando evidencias de que se trata de sales condensadas. Mediante un análisis por fluorescencia de rayos X por dispersión de energía (EDX) se observó la presencia de azufre en dichas sales y partículas colorantes (hierro, cromita, etc.) probablemente presentes en las arcillas empleadas como materias primas.
     
Figura 6. Material retenido sobre un filtro procedente de la chimenea de una planta de fabricación de ladrillos.
     
     Se han obtenido emisiones de partículas sólidas de las chimeneas de varias plantas alimentadas con gas en el intervalo de 0,5 a 0,7 kg / h. Las mediciones muestran que se han generado entre 2,4 y 4,8 kg/h de partículas sólidas en el aire dentro del área de molturación/ cribado de la planta de fabricación de ladrillos que no tiene ningún sistema de recolección de polvo. Esto sugiere que las emisiones de partículas están entre 0,1 y 0,2 kg/h suponiendo un 95% de retención de partículas sólidas dentro del edificio de la planta. En una planta de fabricación de ladrillos con un sistema de recolección de polvo, la generación de polvo en el área de molturación y cribado dentro del edificio de la planta estaba en el intervalo de 0,002 - 0,003 kg/h. Esta información sugiere que las velocidades de emisiones de las partículas sólidas por la chimenea son más significativas que otras operaciones en planta, especialmente si la planta dispone de un sistema de recolección de polvo.

     Se dispone de poca información sobre la distribución del tamaño de partícula de este tipo de material. Los datos relativos a algunas plantas de fabricación de ladrillos muestran un máximo porcentaje (48%) para el tamaño de partícula <2,5 µm, cuando se trata de hornos túnel que emplean madera como combustible, mientras que en un horno de carbón se obtuvo un 23% de partículas sólidas con un tamaño inferior a <2.5 µm.

     En los Estados Unidos, las agencias reguladoras consideran las partículas sólidas como "emisiones de metales" ya que las partículas de estos materiales están formadas por especies químicas que contienen metales. Estas emisiones constan tanto de partículas transportadas hasta la atmósfera del horno por distintos procesos, como especies volatilizadas durante la cocción. Estas últimas incluyen los metales volátiles que se muestran en la tabla 2.
     
Tabla 2. Emisiones de especies metálicas volátiles presentes en los humos del horno de fabricación de ladrillos (kg / h).
     
     Estas emisiones pueden alcanzar niveles importantes en un año. Por ejemplo, las emisiones de plomo (Pb) pueden alcanzar el valor de 4 kg / año. Este nivel de emisión representa ya un nivel regulado en muchas zonas de los Estados Unidos, que define el fabricante como "fuente contaminadora o contaminador principal". Muchos expertos consideran que para estas emisiones de metales se desarrollarán normas en el futuro para el campo de la industria cerámica.
     
RESUMEN: EFECTO SOBRE LA INDUSTRIA CERÁMICA

     Las emisiones de gases acidificados, incluyendo el HF y los SOx, están actualmente obligando a los fabricantes de la industria cerámica de los Estados Unidos a instalar sistemas de depuración de los gases ácidos. De hecho, ya hay instalados en las plantas cerámicas de Norteamérica al menos cuatro sistemas de depuración de polvos por adsorción vía seca, otros cuatro de inyección de carbonato cálcico /filtros de mangas, y otros dos sistemas de depuración de polvos por vía húmeda, y se espera que sean instalados otros 20 antes del año 2002. La instalación de estos dispositivos supone un coste medio de 1 millón de dólares por planta además de los costes de operación de al menos 10 $ /toneladas (en plantas de ladrillos).

     Para evitar la instalación de estos sistemas de depuración de humos, algunas plantas han modificado sus composiciones de pastas cerámicas basadas en talco a pastas cerámicas con otro tipo de arcillas o talco calcinado. Sin embargo, los contenidos de SOx de las arcillas plásticas continúan siendo un grave problema.

     En los Estados Unidos se prevén nuevas normas cada vez más estrictas. No están todavía muy claros los efectos de estas nuevas disposiciones sobre los productos químicos que producen ozono y partículas sólidas de tamaño inferior a 2,5 µm. Nuevas decisiones sobre los gases que producen el efecto invernadero también pueden tener sus repercusiones en la industria cerámica.
     
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE BALDOSAS CERÁMICAS
     
     L.J.M.G. Dortmans y A.P.S. Reymer.
     TNO Instituto de Física Aplicada.
     P.O. Box 595
     5600 AN Eindhoven. Holanda.
     
1.	INTRODUCCIÓN
     
     La caracterización del comportamiento mecánico de las baldosas cerámicas es de gran importancia para la consideración de la resistencia a la rotura bajo varios tipos de cargas como consecuencia de su uso normal. Por ejemplo, la resistencia al impacto bajo carga es un parámetro crítico para muchas aplicaciones de baldosas cerámicas. Se han llevado a cabo varios ensayos para determinar algunos aspectos relacionados con el comportamiento mecánico de baldosas cerámicas de pavimento y revestimiento, con el objetivo de poder tener en cuenta el comportamiento frágil de estos materiales en un sistema herramienta de análisis de su comportamiento mecánico. Se compararon en particular los métodos convencionales de ensayo de resistencia a la fractura y a la flexión con los métodos de ensayo bajo carga para determinar la relación entre estos dos tipos de métodos. También se ha analizado la influencia del proceso para determinar si las diferencias de propiedades mecánicas que se producen por este motivo pueden ser determinadas con ensayos mecánicos.
     
2.	MÉTODOS Y MATERIALES
     
     Se han utilizado en este estudio baldosas cerámicas procedentes de distintos fabricantes. Las baldosas de pavimento que han sido designadas como F1-3 pertenecen a la clase B1. Estas han sido prensadas a 400 bares y para analizar la influencia de la presión, también se han preparado otras baldosas prensadas a 200 y 300 bares, designadas como F1-1 y F1-2, respectivamente. Estas han sido preparadas con un formato de 300 mm x 300 mm. Además, las baldosas designadas como F2-1 y F2-2 también son de la clase B1. Las baldosas F2-1 fueron prensadas con un formato de 200 mm x 200 mm, mientras que las F2-2 fueron prensadas con un formato de 400 mm x 400 mm. También se han empleado baldosas de revestimiento de pared designadas como W1-1 y W1-2, con un formato de 200 mm x 250 mm y de 250 mm x 330 mm respectivamente.
     
     A partir de estas baldosas se han obtenido, cortando y molturando, las probetas adecuadas para llevar a cabo los distintos ensayos mecánicos. No se eliminó la capa de esmalte de las baldosas. La rugosidad superficial de las superficies molturadas fue de 1 mm determinada con un sistema de contacto perfilométrico.
     La resistencia a la flexión de las baldosas cerámicas se determinó mediante distintos métodos de ensayo: en 3 puntos (3PB), en 4 puntos (4PB) y de bola sobre anillo (BOR). La resistencia a la fractura se determinó mediante el método de ensayo de vara con muesca y borde único (SENB). En los ensayos 3PB, 4PB y SENB las probetas de ensayo tenían un formato de 50 mm x 15 mm x 7 mm (largo, ancho, alto). El método de ensayo 3PB se llevó a cabo con una distancia entre puntos de apoyo de 40 mm. El método de ensayo 4PB también contaba con una distancia entre puntos de apoyo de 40 mm y una distancia para la carga de 20 mm. El método de ensayo SENB se llevó a cabo sobre tres puntos de apoyo y con una distancia entre apoyos de 40 mm. La muesca en las muestras del método SENB tenía una anchura de unas 120 ?m y una profundidad de 1,5 mm.
     Los ensayos de bola sobre anillo (BOR) fueron realizados sobre discos con un diámetro de 100 mm y un grosor de 7 mm. El radio del apoyo fue de 78 mm y la bola de acero endurecido de carga tenía un diámetro de 15 mm.
     Los ensayos de carga de contacto o de bola sobre plano (BOP) fueron realizados para analizar la influencia de las condiciones del apoyo sobre el mecanismo de fractura. Este ensayo fue llevado a cabo con carga sobre la probeta en forma de disco (con diámetro de 100 mm y 7 mm de grosor) utilizando una bola de acero de 15 mm de diámetro. La muestra fue colocada sobre un apoyo de acero con un número variable de hojas de papel de fotocopiadora entre la probeta y el apoyo.
     Variando el número de hojas de papel se puede modificar la rigidez de la capa de apoyo. Con un apoyo rígido se eliminará la flexión de la muestra y hay que anticipar una fractura debido a los esfuerzos de contacto cerca de la bola de carga en la cara superior de la superficie de la probeta (como en el caso de carga por impacto sobre un soporte rígido). En el caso de un apoyo blando, los esfuerzos de flexión pueden llegar a ser considerables, causando una fractura en la superficie inferior de la probeta (como en el caso de carga por impacto sobre un apoyo blando). El número de hojas de papel empleadas en los ensayos ha sido de 1,10 y 100.
     Todos los ensayos se realizaron en una máquina universal a temperatura y humedad ambiente (es decir, un 50% de humedad relativa). La velocidad de la traviesa fue de 1 mm / min en todos los ensayos. Para disponer de una buena distribución estadística de los datos de resistencia mecánica se analizaron aproximadamente 30 muestras con cada tipo de ensayo. La resistencia a la fractura se determinó en al menos 8 muestras.
     
3. RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE RESISTENCIA MECÁNICA Y RESISTENCIA A LA FRACTURA
3.1. ENSAYOS DE RESISTENCIA MECÁNICA
Las fuerzas de fractura medidas en los ensayos de resistencia mecánica fueron convertidas en valores máximos de esfuerzos de tracción Sf en la superficie sometida a solicitación, empleando las formulas habituales. Los resultados de los esfuerzos fueron analizados empleando la estadística de Weibull, y se obtuvo el módulo de Weibull m y el valor medio de esfuerzo de fractura S f según la expresión:

     que da la probabilidad de fractura Pf para el esfuerzo de fractura Sf con ¡¡(1/m)!! Como una función gamma. La figura 1 muestra la gráfica de Weibull con un resultado típico para el ensayo 3PB de las piezas de pavimento F2-1 y de revestimiento de pared W1-1. Los valores medio de los esfuerzos de fractura S f para los distintos ensayos, se muestran en la tabla 1.

     El módulo de Weibull obtenido para los distintos ensayos resultó bastante uniforme, siendo su valor de 20-25 para las baldosas de pavimento y de 15-20 para las piezas de revestimiento.
     
3.2. ENSAYOS DE RESISTENCIA A LA FRACTURA

     Las fuerzas de fractura medidas en los ensayos SENB fueron convertidas en valores de resistencia a la fractura K;, empleando las formulas habituales. La dispersión de los datos determinada para 8 o 10 muestras fue de un 5%. El valor medio de los datos se dan en la tabla 1.
        Figura 1. Gráfica de Weibull para los ensayos 3PB de las muestras F2-1 y W1-1.
Tabla 1. Valor medio de esfuerzo de fractura (MPa), resistencia a la fractura (Mpam0,5) y tamaño del defecto a (pm) calculado para varios tipos de materiales y ensayos.

3.3. DISCUSIÓN DE LOS ENSAYOS DE RESISTENCIA MECÁNICA Y RESISTENCIA A LA FRACTURA

     Se observó que los valores de resistencia mecánica obtenidos para los ensayos 3P y 4PB para las muestras fabricadas de forma normal (F1-3, F2-1 y F2-2) son comparables, aunque la resistencia de las baldosas F2 es algo más baja que las obtenidas para las baldosas F1-3. El valor de resistencia de la baldosa de pavimento F2-1, para el ensayo BOR, es excepcionalmente elevado si se compara con las F1-3 y F2-2 y no se ha encontrado una explicación clara para este hecho.

     A partir de los resultados obtenidos para las baldosas de pavimento F1-1, F1-2 y F1-3 se puede deducir que un incremento de presión durante la conformación por prensado de las muestras conduce a un incremento en la resistencia mecánica, aunque la diferencia entre F1-2 y F1-3 no es muy grande. Esto indica que la diferencia obtenida por un incremento de presión de 300 a 400 bares es pequeña. La resistencia mecánica para las piezas de revestimiento es aproximadamente la mitad que la de las baldosas de pavimento.

     Los valores de resistencia a la fractura para las baldosas de pavimento F1-1, F1-2 y F1-3 muestran un marcado incremento con el aumento de presión. También hay una pequeña diferencia entre los valores de resistencia a la fractura de las baldosas F1-3 y F2-1 /2. Para analizar esta diferencia con más detalle, se empleó la relación de Griffith entre la resistencia mecánica, resistencia a la fractura y el tamaño del defecto mediante la expresión:

     donde Y es un parámetro de forma del defecto y a es un tamaño típico de defecto. Si se considera que la forma del defecto es semielíptica, el parámetro Y vale 1,26. Haciendo uso de la expresión anterior, de los datos de resistencia mecánica del ensayo 4PB y de los valores de resistencia a la fractura de la tabla 1 se pueden obtener los valores para el tamaño del defecto medio a que aparecen en la tabla 1.

     El tamaño del defecto para las baldosas F1-3, F2-1 y F2-2 es similar (unas 400 micras). Esto demuestra que la diferencia de fuerza que se muestra en la tabla 1 entre estos tipos de baldosas, puede justificarse en gran medida por una diferencia en la resistencia a la fractura. Para las piezas de revestimiento, el tamaño del defecto es comparable al de las baldosas de pavimento. Por tanto, su relativa baja resistencia puede ser explicada por su menor resistencia a la fractura.

     Los valores del módulo de Weibull para los diferentes materiales son relativamente elevados, lo que indica un estrecho intervalo de la distribución del tamaño del defecto. Los defectos a partir de los cuales se origina la fractura en estos materiales han sido en algunos casos identificados mediante microscopía óptica y parecen ser grandes poros o partículas de cuarzo. El tamaño de estos defectos se corresponde bastante bien con el tamaño calculado anteriormente. Sin embargo, sería necesario un análisis fractográfico completo para confirmar lo anterior.

4. RESULTADOS DE LOS ENSAYOS BAJO CARGA DE CONTACTO
4.1. PIEZAS DE REVESTIMIENTO DE PARED

     En la tabla 2 se muestran los valores de los resultados obtenidos en los ensayos bajo carga de contacto como fuerza de fractura media F, y módulo de Weibull m para las muestras de revestimiento de pared, calculados según la expresión de Weibull:
El grosor de las muestras W1-1 fue de 7 mm, mientras que el de las W1-2 fue de 8 mm.

Tabla 2. Valor medio de la fuerza de fractura (N) y del módulo de Weibull m para los ensayos bajo carga de contacto con las muestras de revestimiento de pared.
4.2. BALDOSAS DE PAVIMENTO

     Los valores de los resultados obtenidos (fuerza de fractura media y módulos de Weibull) mediante los ensayos bajo carga de contacto, para las muestras de baldosas de pavimento se muestran en la tabla 3. El grosor de las muestras F1-1, F1-2, F1-3, F2-1 y F2-2 fue de 5, 5, 8, 6 y 8 mm respectivamente.

4.3. DISCUSIÓN DE LOS ENSAYOS BAJO CARGA DE CONTACTO

     Los resultados obtenidos en los ensayos bajo carga de contacto, para las muestras de baldosas de revestimiento se pueden explicar teniendo en cuenta el mecanismo de fractura. En el caso de una hoja de papel entre la muestra y el apoyo, la fractura es debida a los elevados esfuerzos de contacto sobre la superficie superior de la probeta. Esto origina la formación de grietas de cono acompañada por una deformación plástica debajo de la bola que produce la indentación. En los casos de 10 y 100 hojas de papel, la fractura se produce en la superficie inferior de la muestra, que está sometida a esfuerzos de tracción tal y como se comentaba en los ensayos de resistencia mecánica el apartado 3. En estos casos el valor medio de la fuerza de fractura y del módulo de Weibull son comparables a los obtenidos para los ensayos de bola sobre anillo.
     
Tabla 3. Fuerza de fractura media (N) y módulo de Weibull m para los ensayos bajo carga de contacto de las piezas de pavimento.

     El valor medio de la fuerza de fractura para las muestras W1-1 en los ensayos BOR fue de 800 N y de 1000 N para las muestras W1-2. También el módulo de Weibull para los casos de 10 y 100 hojas de papel se corresponde bastante con los valores obtenidos con los ensayos BOR, así como los ensayos de 3PB y 4PB. Las diferencias en la fuerza de fractura para los casos de 10 y 100 hojas de papel se pueden explicar por las diferencias de grosor t. El esfuerzo de flexión en la superficie inferior de la muestra será proporcional a F / V. En la tabla 2 se puede ver que la razón F/t2 para las muestras W1-1 y W1-2 con 100 hojas es aproximadamente el mismo (18,4 frente a 18,7 MPa) lo cual está en concordancia con los resultados de la tabla 1 relativos a los ensayos de resistencia a la flexión, que dieron aproximadamente la misma resistencia mecánica para estos materiales. El valor mucho mayor para la fuerza de fractura y el valor mucho menor obtenido para el módulo de Weibull en el caso de 1 hoja de papel, se justifica teniendo en cuenta los esfuerzos de tracción producidos en las proximidades de la zona de la bola de carga. Pero la cuestión resulta bastante compleja: se ha de tener en cuenta la influencia de las condiciones de apoyo, capa de esmalte, fricción, deformaciones plásticas, etc. lo cual requiere un análisis más profundo.
     En el caso de las baldosas de pavimento los resultados obtenidos son muy similares a los de las piezas de revestimiento. En el caso de una 1 hoja de papel (apoyo rígido), se obtienen fuerzas de fractura altas y una amplia dispersión, mientras que la fractura se produce sobre la superficie superior en las proximidades de la bola de carga. En los casos de 10 y 100 hojas de papel, los resultados coinciden bastante bien, y la dispersión se reduce hasta los valores obtenidos con los ensayos de resistencia a la flexión (con un valor del módulo de Weibull típico entre 20 y 25). El valor de la razón F/t2 para las muestras F1-1, F1-2, F1-3, F2-1 y F2-2 con 100 hojas de papel fue de 29,2, 33,2, 35,6, 29,2 y 33,3 respectivamente. Estos datos coinciden con los que se muestran en la tabla 1 y son el doble de los valores obtenidos para la razón F/t' de las baldosas de revestimiento, como se podría espera, teniendo en cuenta los valores de resistencia mecánica dados en la tabla 1.
     
5. CONCLUSIONES

     Se han llevado a cabo varios ensayos con muestras de baldosas de pavimento y revestimiento para determinar la resistencia mecánica y resistencia de fractura. Se pueden determinar las diferencias en las propiedades mecánicas de estos materiales frágiles mediante un análisis de la influencia de la presión aplicada durante el prensado de las baldosas. Un incremento de presión conduce claramente a la fabricación de materiales más resistentes. Este comportamiento se explica por un incremento en la resistencia a la fractura, ya que el tamaño medio del defecto se mantiene más o menos constante. De forma análoga, las diferencias en resistencia mecánica entre las baldosas de pavimento y las de revestimiento se justifica en gran medida por la diferencia en resistencia a la fractura.

     Se ha demostrado que el comportamiento bajo carga depende fuertemente de las condiciones de apoyo. Si el apoyo es blando, la fractura debida a los esfuerzos por flexión se convierte en el mecanismo principal de dicha fractura. En este caso, los datos de resistencia mecánica obtenidos mediante los ensayos de flexión son útiles. Sin embargo, en el caso de un apoyo rígido se han de tener en cuenta otros aspectos. Los elevados esfuerzos de tracción en las proximidades de la zona de contacto de la bola pueden producir la rotura. En futuras investigaciones se ha de establecer la relación entre la carga crítica y las principales propiedades correspondientes del material.

AUMENTO DE LA CALIDAD DE PRODUCCIÓN GRACIAS AL CONTROL INTEGRAL EN LAS INSTALACIONES DE PULMÓN, ALMACENAMIENTO Y DESPLAZAMIENTO AUTOMÁTICO

Maurizio Bardi
Director del Departamento de Investigación y Desarrollo del Gruppo Barbieri & Tarozzi
     El escenario perteneciente al proceso productivo y a las expediciones del material que hoy en día une a la mayor parte de las empresas productoras de azulejos en las áreas más desarrolladas, es esencialmente el siguiente:

* asistimos a un importante fenómeno de concentración, que nos ha llevado a una gran especialización de las unidades de producción;

* las líneas de producción, gracias a la evolución de los equipos y de los materiales, y también con objeto de poder especializarse todavía más, alcanzan volúmenes de fabricación siempre mayores, a niveles que solo hace pocos años resultaban inimaginables;

* el mercado y la competencia, cada día más amenazadora, obligan a que exista un aumento sustancial del nivel de servicio:

reduciendo el tiempo de entrega,

reduciendo las cantidades de productos de cada pedido,

solicitando, cada vez más, la preparación de los pedidos del cliente al productor, solicitando una mayor precisión, en lo que concierne a los artículos y a las cantidades despachadas

     Debido a estos factores, surge de forma clara la necesidad de tener controlados los parámetros relativos al proceso de producción y a los almacenajes del producto de forma mucho más rápida, puntual y eficaz de cuanto nos fuera consentido hace solo muy pocos años; resulta, sin duda útil relacionar los datos y las situaciones de un sector con los de otro en el mismo interior del proceso productivo, a fin de poder tomar decisiones con rapidez que al mismo tiempo, tengan en cuenta el mayor número de aspectos posibles.

     Para que las informaciones recogidas puedan resultar verdaderamente eficaces, hay varios factores que juegan un papel determinante:

* los datos deben quedar puestos al día en tiempo real o con el menor retraso posible;

* las informaciones procedentes de los varios departamentos deben estar ya relacionadas o ser fácilmente relacionables entre ellas, sin que necesiten elaboraciones largas y complejas;

* el producto debe ser identificado y de fácil localización en el interior del proceso posiblemente dentro de la fase más primaria.

     La evolución que durante los últimos años han tenido los sistemas de gestión por ordenador, la flexibilidad de los sistemas más modernos de desplazamiento y transporte interno y consecuentemente la facilidad de aplicación en las varias fases del proceso de producción, hacen posible que exista un control cada vez más integrado y acoplado.

     Una sola estación de control y proceso de datos puede controlar y efectuar la gestión de muchísimas fases del proceso de producción, desde las líneas de esmaltado hasta la expedición del producto acabado.
     
Distribución tipo de instalación de almacenamiento y desplazamiento pallets

El sistema dirige e integra las funciones de:
* desplazamiento automático y almacenamiento de los productos con vehículos de guía automática;
* recorrido de los productos a los hornos de cocción y a las líneas de selección;
* desplazamiento automático de pallets de producto acabado desde el principio y el final de la línea de confeccionamientos y etiquetado;
* gestión del almacén de producto acabado, apilado en el suelo de tipo tradicional, de tipo intensivo y semiautomático con operador ó completamente automático con transelevadoras;
* gestión de preparación de pedidos y expediciones conectado con el sistema central de control.

Cada producto que se desplaza y se elabora en la instalación tiene un código y una identificación con el fin de garantizar su fácil localización en el interior del ciclo de producción completo. El registro de productos contiene todos los datos de gestión y operativos y pueden ser tomados automáticamente por el sistema de gestión central.

Tabla de registro de los artículos

     Iniciamos el análisis de cada una de las funciones del sistema, desde la instalación de almacenamiento, que desde hace tiempo se realiza casi exclusivamente con carros de guía automática, en vez de los tradicionales carros transbordadores, llevando cada vez más a menudo el producto crudo y el producto cocido.

     En la estación computerizada de gestión del sistema, se encuentra a disposición una tabla de producción de cada punto máquina presente en la instalación, mediante la cual se puede programar el plan de producción de los próximos 16 productos.

     Por tanto, cada máquina conoce el producto que está tratando y es capaz de comunicar al sistema de desplazamiento, en cada cambio de box, los datos relativos al producto contenido en el box. 
     
      Tabla de producción de una máquina de carga de "box"
      
     Cada box está codificado y numerado y se facilitan, junto a otra serie de datos de carácter gestional y operativo, las informaciones siguientes:
     
     ·	código y descripción del producto contenido;
     ·	cantidad de producto contenido, en número de piezas y número de metros cuadrados;
     ·	línea desde donde ha sido fabricado;
     ·	fecha y hora de comienzo y del final de la producción.
     
      Tabla con resumen de la cantidad por tipo de producto.
     
     Puede así conseguirse la información en tiempo real del contenido del aparcamiento, resumida por tipo de producto y por cantidad presente en aparcamiento, sobre cuya base se pueden establecer los planes de producción de cada uno de los puntos máquina en la entrada horno ó a elección, seleccionando además las cantidades de box de almacenamiento ó de metros cuadrados de producto que se desean enviar a la máquina.
     
     Cada desplazamiento que se realiza en el interior del almacenamiento queda monitorizado, controlado e historiado, de manera que se puedan luego realizar estadísticas y reportes de producción de cada uno de los puntos máquina de la instalación, con fechas, horas y cantidades producidas, y para permitir también el trayecto y la búsqueda de cada uno de los lotes de producción.
     
     El sistema está preparado para dialogar con las demás máquinas presentes en la instalación, como son las prensas, esmaltadoras, hornos, selección y palletizadores, con el fin de recoger o trasladar datos relacionados con el producto o con el proceso de fabricación en curso.
     
     Se puede trasladar al horno, en el cambio de producción, el código del nuevo producto, con el fin de que este proceda a autorregular posibles parámetros diferentes, o bien a las líneas de selección para que estas mismas sepan ya el próximo producto que deben producir.
     
     Además, en el trazado de transporte situado entre la línea de selección y la línea de palletización, se puede conectar una máquina selladora, ó bien una etiquetadora del código de barras para marcar de forma electrónica cada una de las cajas del producto, con el fin de reconocerlo en las fases de manipulación sucesiva a través de lectores especiales.
     
     Las funciones antes citadas, utilizan el registro de los productos arriba citados con el fin de eliminar los errores de teclado que pueden cometer los operadores durante su intervención y que son bastante típicos en estas fases.
     
     Continuamos el análisis del sistema con el desplazamiento de los pallets de producto acabado al final de las líneas de selección y de palletización que, en la versión más completa, termina con la entrega automática del producto acabado al almacén.
     
     Esta fase de desplazamiento interno puede automatizarse utilizando vehículos automáticos de horquillas que van dirigidos y sincronizados por la misma estación de control de la instalación de almacenamiento.
     
     Las funciones que pueden realizarse son las siguientes:
     
     ·	servicio de evacuación del palletizador de pallets llenos y completos, que se mandan a la línea de confección de pallets;
     
     ·	servicio de alimentación del palletizador de pallets vacíos, que puede efectuarse, ya sea con pilas de pallets que con pallets vacíos solos;
     
     ·	aparcamiento local de pallets no completos debido a que finaliza el tono de color, permaneciendo parados en un aparcamiento especial cercano al palletizador para poderlos volver colocar en el momento en que vuelva a presentarse el mismo tono;
     
     ·	aparcamiento local de pallets incompletos debido a finalización de la producción, con el fin de efectuar grupos con el contenido de varios pallets en uno solo antes del embalaje final;
     
     ·	impresión de la tarjeta del pallet que detalla los datos de identificación del producto, con la aplicación del código de barras especial para el marcado electrónico del pallet de producto indispensable para las fases sucesivas de control y gestión automática del almacén de producto acabado;
     
     ·	recogida de pallets llenos al final de la máquina del embalaje para crear una especie de pre-almacenaje de estos, también a diversos niveles, lo que puede permitir el almacenado local de uno ó más turnos de trabajo ó bien puede agrupar los pallets en pilas de dos del mismo producto con el fin de reducir los recorridos de los carros de horquillas hacia la dirección del almacén donde queda el producto acabado;
      
     ·	entrega automática del producto acabado en la zona de prealmacenado, en conexión directa con el sistema informativo de la gestión central.
     
     Pasamos ahora a analizar las fases del proceso relativas al almacén del producto acabado.
     
     El almacén de los establecimientos que producen azulejos, generalmente está compuesto por:
     
     ·	una gran área, en muchas ocasiones, incluso al aire libre, destinada a los pallets cubiertos de celofán, en la que los pallets se apilan en varios niveles directamente uno sobre otro;
     
     ·	una zona de dimensiones inferiores que en la mayor parte de los casos resulta cubierta y en la que los pallets que no están completos, los pallets de piezas especiales, y los pallets de los azulejos decorados van depositándose en estantes multiplanos;
     
     ·	una zona típicamente cubierta en la que se efectúa el "picking" (recogida) de los productos para la composición del pedido del cliente y se prepara la carga.
     
     El almacén tiene una importancia cada vez mayor y un gran significado en lo que se refiere a gastos de gestión y a nivel de servicio al mercado, además ha alcanzado niveles de flujos de producción y de cantidades de producto en stock tan elevados que resultan difícilmente controlables por medio de los métodos tradicionales y normales.
     
     En caso de que el almacén alcance una dimensión apreciable, será seguramente beneficioso:
     
     ·	informatizar en tiempo real la gestión del almacén;
     
     ·	automación progresiva de todos los ciclos que se pueden automatizar;
     
     ·	asistencia informática de todas las fases que continuaban siendo controladas manualmente.
     
     Con este objeto han sido aplicados y realizados una serie de productos que se integran con el sistema computerizado de gestión y que son:
     
     ·	terminales de radio-frecuencia, que van instaladas a bordo de los carros manuales a horquilla y de los carros trilaterales utilizados para el "picking" manual, y que son aptos para el traslado informatizado en tiempo real de las operaciones que deben efectuar los operadores con el fin de agilizar el trabajo, reducir los errores y aumentar la productividad individual;
     
     ·	lectores de códigos de barras para conectarlos en los terminales al borde de los carros manuales para poder efectuar la lectura de los códigos de barras presentes en el producto y para obtener la conformidad y puesta al día, en tiempo real, de la situación del almacén;
     
     ·	sistemas de estanterías standard con una altura considerable, para depositar los pallets que no están completos y los pallets de piezas especiales y decoradas en áreas inferiores a las que ya han sido ocupadas con anterioridad;
      
     • transelevadores automáticos para el desplazamiento y almacenamiento automático de los pallets de producto adecuados para alinear los pallets en zonas especiales de picking en el suelo ó bien para acoger a bordo al operador en una cabina especial que le permite el picking directo en el carril
     
     ·	sistemas de transportadores y encanaladores para la alineación automática de pallets a las posiciones de picking que permiten al operador un trabajo más fácil trabajando en una zona fija en el suelo, con el consiguiente aumento de la productividad individual;
     
     ·	dispositivos auxiliares en las zonas de picking como son las plataformas eleva-doras y manipuladores compensados;
     
     ·	dispositivos auxiliares adecuados para facilitar las operaciones de carga en contenedores
     
     Todo esto, auxiliado por una serie de módulos software integrados en el sistema computerizado con las siguientes funciones:
     
     ·	interactuación con el sistema de gestión central para la introducción de los pedidos de preparación de las cargas;
     
     ·	interactuación con el sistema de gestión central sobre la ejecución de los pedidos
     
     ·	interactuación con el sistema de gestión central de la situación del almacén;
     
     ·	gestión dinámica de las ubicaciones del almacén de apilado en el suelo
     
     ·	gestión dinámica de las ubicaciones del almacén intensivo en estanterías;
     
     ·	gestión de la red en frecuencia radio;
     
     ·	gestión de medios y desplazamientos
     
     ·	fichaje y gestión de picking
     
     ·	gestión de los automatismos y lógicas de recogida;
     
     ·	optimación de los recorridos de los vehículos
     
     ·	fichaje de los recursos de almacén
     
     ·	gestión de los inventarios
     
     El sistema está realizado por medio de la aplicación de una red de ordenadores, cada uno de los cuales con funciones específicas integradas y conectadas por un par de "server in mirroring" que garantizan la continuidad funcional de la instalación, incluso en caso de avería de uno de ellos.
     
     La interactuación y la conexión con el sistema operativo central puede realizarse de varias formas, desde la más simple y tradicional, pero lenta, canalización de terminales, hasta la más flexible, moderna y veloz red de diálogo.
     
LAS NORMAS NACIONALES, EUROPEAS E INTERNACIONALES PARA LA PROTECCIÓN DEL MEDIO AMBIENTE Y SUS EFECTOS SOBRE LA INDUSTRIA CERÁMICA EUROPEA
     
     Dr. Ing. Reiner Probst
     Alemania
     
INTRODUCCIÓN
     
     A principios de la década de los 90, los expertos de protección del medio ambiente empezaron a comentar lo que se podía hacer para proteger el medio ambiente en todo el mundo. El motivo de ello estaba fundamentado en el incremento de la población mundial, los agujeros de la capa de ozono en los Polos Norte y Sur, el efecto invernadero, etc.
     
     La Organización Internacional de Normalización y las organizaciones nacionales asociadas en todo el mundo empezaron a trabajar en este sentido, elaborando la serie de normas ISO 14000. En la fecha actual, este trabajo ha finalizado sólo en parte, y quedan muchos problemas por solucionar durante los próximos años, p. ej. el análisis del inventario del ciclo de vida, evaluación del impacto del ciclo de vida e interpretación del ciclo de vida. Existe el riesgo que sólo los ecologistas y representantes de las industrias más contaminantes elaboren estas Normas y sus valores límites, que tendrán una gran influencia en los mercados de todo el mundo en un futuro.
     
     El objetivo de este estudio es dar a conocer las novedades en el campo de la normalización y destacar lo que parece importante para las Industrias Cerámicas Europeas, con el fin de buscar soluciones inteligentes a estos problemas.
     
     La Federación Europea de Fabricantes de Baldosas Cerámicas da el ejemplo con su propuesta de Requisitos Medioambientales.
     
     Se hace una propuesta de los cambios a realizar en tecnología.
     
NORMAS EUROPEAS E INTERNACIONALES PARA LA PROTECCIÓN DEL MEDIO AMBIENTE
     La interrelación de la serie de normas ISO 1400 aparece en la Fig. 1 Los títulos de estas normas se presentan en la tabla 1.
     
      Figura 1. Interrelación de la serie de normas 1S0 14000.
      
     Todos conocemos la norma ISO 14001. Especificación de Sistemas de Gestión Medioambiental con instrucciones para su utilización. La serie de normas ISO 14040, está parcialmente terminada y tendrá una influencia a corto plazo sobre la producción, transporte y uso de los productos cerámicos. Actualmente los políticos dicen que sus gobiernos no emplearán los resultados de las LCAs (Evaluaciones del Ciclo De Vida) para la selección de productos, pero existen varias declaraciones de las organizaciones de protección de los consumidores que dicen lo contrario. Parece claro que dentro de unos años las LCAs influirán en los mercados y las economías, y sus efectos perdurarán durante mucho tiempo.
     
     En la tabla 2 se presentan varios detalles de los datos que se requieren para describir y calcular un proceso unitario.
     
EN ISO 14 001
Sistemas de Gestión del Medio Ambiente.
— Especificación con instrucciones de uso.
ISO 14 004
Sistemas de Gestión del Medio Ambiente.

— Directrices generales sobre principios, sistemas y técnicas de apoyo.
EN ISO 14 010
Directrices sobre auditorías medioambientales.
— Principios generales.
EN ISO 14 011
Directrices sobre auditorías medioambientales.

— Procedimientos de auditoría - Auditoría de sistemas de gestión medioambientales.
EN 1SO 14 012
Directrices sobre auditorías medioambientales.
— Criterios de calificación para auditores medioambientales.
EN ISO 14 020
Etiquetas y declaraciones medioambientales.
— Principios básicos.
EN 1SO 14 024
Etiquetas y declaraciones medioambientales.

— Etiquetas medioambientales Tipo I - Principios directrices y procedimientos.
EN ISO 14 040
Gestión medioambiental.
— Evaluación del ciclo de vida - Principios y Marco.
EN ISO 14 040-1
Gestión medioambiental.
— Evaluación del ciclo de vida - Principios y Marco. Explicaciones.
EN 1SO 14 041
Gestión medioambiental.

— Evaluación del ciclo de vida - Definición del objetivo y alcance con análisis del inventario.
EN ISO 14 042
Gestión medioambiental.


— Evaluación del ciclo de vida - Evaluación del impacto del ciclo de vida.
EN ISO 14 043
Gestión medioambiental.


— Evaluación del ciclo de vida - interpretación del ciclo de vida.
EN ISO 14 050
Gestión medioambiental.
— Vocabulario.

ISO
DIS
CD
EN
Organización	Internacional de (Suiza).
Borrador de Norma Internacional.
Borrador de la Comisión.
Norma Europea.
Normalización. Ginebra
     
Tabla 1. Normas Europeas e Internacionales para la Protección del Medio Ambiente.

Ejemplo de una Hoja de Datos del Proceso Unitario
Operador:
Fecha de terminación:
Identificación del Proceso Unitario:
Situación en que se realiza el informe:
Período de tiempo: Año
Mes de Inicio:
Mes Final
Descripción del Proceso Unitario: (Adicionar las hojas que sean necesarias)
Entrada de materiales
Unidadesentos de muestreo
Cantidad
Descripción de los procedimientos de muestreo	procedimientos de muestreo
Origen
Consumo de agua
Unidades 
Cantidad


p. ej. agua de superficie, agua potable.
Entrada de energía
Unidades
Cantidad
Descripción de los procedimientos de muestreo
Origen
p ej. fuel-oil semipesado, fuel-oil ligero, queroseno, gasolina, gas natural, propano, carbón, biomasa, electridad de red
Salida de materiales (including products)

Unidades
Cantidad
Descripción de los procedimientos de muestreo
Origen
Los datos de esta hoja de datos se refieren a todas las salidas y entradas sin asignar durante el período de tiempo especificado.

Tabla 2. Ejemplo de la Hoja de Datos de un Proceso Unitario, según el Anexo Informativo A de la norma ISOIDIS 14 041.

Hoja de Colección de Datos para el Análisis del Inventario del Ciclo de Vida.
Identificación del Proceso unitario:
Situación en que se realiza el informe:
Emisiones al aire
Unidades
Cantidad
Descripción de los procedimientos de muestreo (Adicionar las hojas necesarias)








p. ej. Cloro (Cl2), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono, (CO2). Polvo / partículas sólidas, flúor (F2), ácidos sulfhídrico (H2S), sulfúrico (H2SO4), clorhídrico (HCl) y fluorhídrico (HF), mercurio (Hg), hidrocarburos, amoníaco, óxidos de nitrógeno, compuestos orgánicos , otros metales, plomo, óxidos de azufre. (* Incluir los compuestos presentes en la categoría de datos).
Vertidos sobre aguas
Unidades
Cantidad
Descripción de los procedimientos de muestreo (Adicionar las hojas necesarias)








p. ej. DBO, DQO, ácidos, cloruros, cianuros, detergentes, aceites, compuestos orgánicos disueltos , fluoruros, hierro, mercurio, hidrocarburos, sodio, amonio, nitratos, compuestos organo-clorados, otros metales, otros componentes nitrogenados, fenoles, fosfatos, sulfatos, sólidos en suspensión, (* Incluir los compuestos presentes en la categoría de datos).
Vertidos sobre suelos
Unidades
Cantidad
Descripción de los procedimientos de muestreo (Adicionar las hojas necesarias)








p. ej. Residuos minerales, residuos industriales, residuos municipales, residuos tóxicos *. (* Incluir los compuestos presentes en la categoría de datos).
Otras emisiones
Unidades
Cantidad
Descripción de los procedimientos de muestreo (Adicionar las hojas necesarias)








p. ej. emisión de ruido, vibraciones, olores, calor residual.
Describir todo tipo de cálculos, toma de datos, muestreo, variaciones de la descripción de las funciones del proceso unitario. (Adicionar las hojas necesarias).

Tabla 2. Ejemplo de la Hoja de Datos de un Proceso Unitario, según el Anexo Informativo A de la norma ISO/DIS 14 041.

EL MEDIO AMBIENTE MUNDIAL

Se debe observar todos los procesos productivos y de consumo del punto de vista de sus interrelaciones recíprocas y con el medio ambiente global. La resolución de los problemas de contaminación se centra no sólo en las pequeñas parcelas o ecosistemas como el vertido de aguas residuales sobre ríos, las emisiones al aire de polvo o flúor, el vertido de residuos en suelos, etc., que suelen ser el objeto de estudio. En la figura 2 se presenta un esquema de lo que ocurre en la ecoesfera global.

Procesos de producción
Productos
Procesos de consumo
Emisiones: sustancias peligrosas, ruido
Suelos, aguas, aire, plantas, animales
Ecoesfera, hombre
Eliminación: agua, materias primas

Figura 2. Sistema medioambiental del mundo.

RECOMENDACIÓN DE LA FEDERACIÓN EUROPEA DE FABRICANTES DE BALDOSAS CERÁMICAS RESPECTO A LOS REQUISITOS MEDIOAMBIENTALES

Un grupo de expertos de Francia, Alemania, Gran Bretaña, Grecia, Italia, Holanda y España empezaron en 1994 a elaborar una serie de recomendaciones para una producción sostenible de baldosas cerámicas.

El objetivo principal era ayudar al 80% de los fabricantes europeos de baldosas cerámicas a reducir su contaminación ambiental mediante medidas y acuerdos voluntarios, en vez de únicamente el 15% o el 20%, empleando p. ej. la etiqueta "verde" o "ecológica" de la Directiva de la Comunidad Europea que fue publicada en marzo de 1992.

El trabajo empezó buscando las normas adecuadas para medir las emisiones a la atmósfera, al agua, los consumos específicos de energía y agua y los índices de reciclado. Se acordó dentro del grupo emplear una colección de normas inglesas, alemanas, francesas y, cuando existían, normas europeas. Los detalles de estas normas como su nacionalidad y las especificaciones que presentan se dan en la tabla de recomendaciones. Los títulos completos se presentan en la bibliografía.

Se tomó como base para el cálculo del consumo específico de energía, el consumo total de energía primaria para la producción de las baldosas cerámicas en GJ dividido por la producción total en toneladas facturadas durante el período de un año.

Se tomó como base para el cálculo del consumo específico de agua el consumo total en un año de agua primaria (no reciclada) dividido por la producción total en m' a facturar durante el período de un año.

Se tomó como base para el cálculo del posible reciclado de agua el porcentaje (%) de agua residual que se regenera y se aprovecha de nuevo en la fabricación de las baldosas cerámicas. Para el reciclado de residuos cerámicos se tomó el porcentaje (%) de residuos que se aprovecha de nuevo en la propia fabricación de las baldosas cerámicas o bien es reutilizado por un tercero. También se tomó como base de cálculo el período de un año.

Los detalles de estas recomendaciones se dan en la tabla 3. Los requisitos mínimos presentados en esta tabla 3 pueden ser en algunos casos menos estrictos que los legales vigentes en algunos de los países miembros de la Unión Europea. La mayoría de los requisitos recomendados son más exigentes que los legales vigentes en muchos de los países miembros y en algunos casos no existe ningún requisito legal.

La Federación Europea de Fabricantes de Baldosas Cerámicas (CET) reconoce la importancia del cuidado del medio ambiente e intensifica sus esfuerzos para estimular a los fabricantes miembros de sus asociaciones nacionales a adoptar medidas tendentes a implantar nuevas tecnologías y procesos, que puedan mejorar el comportamiento con relación al medio ambiente.
Para conseguir este propósito, la CET recomienda a los fabricantes de baldosas cerámicas europeas ajustarse por lo menos a los siguientes requisitos medioambientales antes del año 2000, los cuales estarán sujetos a revisiones periódicas:

Requerimientos a cumplir en el año 2000
Métodos de ensayo
1. Emisiones al aire:


Polvo/partículas sólidas (Molturación. Conformación)
s 100 mg / m3

Atomización
<_ 75 mg/ m'
BS 3405
Esmaltado
Hornos
Flúor de hornos
s 20 mg/ m3
s 25 mg / m3
<_ 10 mg HF / m3 como FX
Guía V DI 2286
2. Vertidos a cauces de aguas:


PH
5.5 - 9.5
NFT 90-008
Sólidos en suspensión
<_ 100 mg/1
Pr. EN 870
DQO
<_ 150 mg/1
BS 6068 sección 2.31

Tabla 3. Recomendaciones CET sobre requisitos medioambientales.


Requerimientos a cumplir en el año 2000
Métodos de ensayo
Boro


DIN 38406 parte 22
Plomo


Cadmio


Cinc


3. Consumo específico de energía:
< 12 GJ/t. Consumo total de (fuel-oil, gas, electricidad) para la producción de las baldosas cerámicas en GJ, dividido por la producción total en toneladas a facturar durante el período de un año.
4. Consumo específico de agua:
<_ 30 1 de agua primaria no reciclada en l / m2 durante el período de un año.
5. Flujo de reciclado:
Agua: > 50% para el período de un año. Residuos / restos cerámicos : > 50% en peso (polvo, fangos en crudo y cocido, baldosas rotas, etc. (incluidos el reciclado de restos en otros materiales de construcción) durante el período de un año.
Nota: Los requisitos legales en algunos de los países miembros de la Unión Europea pueden ser más estrictos que los recomendados en esta tabla 3.)
La CET también recomienda a los fabricantes de baldosas cerámicas que hagan uso de los sistemas de gestión medioambientales (EMAS), en cuanto que son sistemas ampliamente reconocidos, para mejorar su comportamiento respecto al medio ambiente.

Tabla 3. Recomendaciones CET sobre requisitos medioambientales.

TECNOLOGÍAS DE PRODUCCIÓN INTEGRADAS PARA REDUCIR LA CONTAMINACIÓN
La mejor forma de reducir la contaminación es el uso de las tecnologías "limpias" o "menos contaminantes". Para llevar a cabo un cambio de la tecnología se recomienda seguir las siguientes directrices:
1. Tecnologías de esmaltado sin agua.
2. Esmaltes sin plomo con mejores propiedades.
3. Uso de filtros laminares sinterizados para la depuración del aire procedente de las cabinas de esmaltado. De esta forma las pérdidas de esmalte pueden ser recicladas totalmente en forma de esmalte.
4. Localizar e instalar tecnologías de filtración para separar los residuos de esmalte presentes en el agua de limpieza en las líneas de esmaltado cerca del sitio donde se originaron, de forma que el esmalte puede ser reciclado totalmente como esmalte.
5. Mejora de las tecnologías para reducir el consumo de energía en hornos, secaderos, molinos, etc.
6. Búsqueda de nuevas aplicaciones para la cogeneración de energía. 
7. Mejora de la calidad y las propiedades de los productos cocidos finales dispuestos para la venta, para obtener productos más delgados para ahorrar materias primas y energía.

PASTAS DE GRES PORCELÁNICO DECORADAS CON SALES SOLUBLES. INDICACIONES PARA OPTIMIZAR LA COMPOSICIÓN 

A. Bresciani, A. Brusa, M. Federici*
Sacmi Imola - R&D Centre
Italia

INTRODUCCIÓN

El trabajo realizado tenía los siguientes objetivos:
1.	definir una metodología para verificar la aptitud de las diferentes pastas de gres porcelánico para la decoración con soluciones cromóforas;
2.	evaluar, de forma preliminar, la influencia de los diferentes parámetros químicos, físicos, mineralógicos y ópticos que distinguen las pastas en las características estéticas y técnicas de los productos acabados;
3.	analizar los resultados de la experimentación para determinar las correlaciones existentes entre los parámetros tecnológicos de las pastas y las prestaciones de éstas últimas en la aplicación de soluciones cromóforas.

La determinación de las condiciones ideales de moldeado, secado, decoración y cocción está fuera de los objetivos indicados; estas condiciones, recabadas de la práctica industrial común, se han mantenido iguales en el curso de la experimentación.

El estudio ha sido guiado por lo menos por tres criterios:

* la atención a la realidad productiva: se ha intentado identificar una metodología de estudio lo más sencilla y concreta posible que reprodujera las condiciones que se encuentran en producción;
* la conciencia que la elaboración de un modelo de previsión puede comportar, para los procesos cerámicos, una simplificación del conjunto de las variables en juego y por lo tanto este modelo, por cuanto objetivo y experimental, puede asumir solamente un valor indicativo;
* el esmero en realizar un trabajo útil para todos los que se ocupan del tema, evitando proponer una fórmula única de pasta prescindiendo de los vínculos que unen cada productor al abastecimiento de las materias primas y poniendo en cambio el énfasis en la determinación de los principios y de los mecanismos generales del proceso para guiar la puesta a punto de la pasta e identificar las intervenciones más adaptas para solucionar los problemas específicos.

La actividad ha sido organizada en las fases siguientes:

1) Definición del contexto de estudio.
2. Pruebas experimentales en escala semi-industrial.
6. Análisis de los resultados experimentales.
7. Observaciones generales.

1. DEFINICIÓN DEL CONTEXTO DE ESTUDIO

Las prestaciones de las pastas han sido puestas en relación con tres características fundamentales:

1.1. PERMEABILIDAD A LAS SOLUCIONES CROMÓFORAS

Es una propiedad de los semi-elaborados por decorar, fundamental para que las soluciones colorantes penetren en la masa a una profundidad suficiente que permita la exportación de algunos décimos de mm de superficie cuando se pulimentan los productos acabados sin comprometer la decoración misma y depende:

* del origen mineralógico de la pasta (cuya relación con la permeabilidad constituye el objetivo del estudio experimental) y de su fineza granulométrica;
* de algunas variables tecnológicas de proceso (presión de moldeo, humedad de los polvos, temperatura de la pieza por decorar,...) mantenidas constantes en el curso de la experimentación;
* de las características del medio fluido y del sal colorante diluido (origen química del ión cromóforo y de su complejante, densidad, viscosidad y pH del medio,...).

Desde el punto de vista industrial es importante que la absorción de la solución por parte de la pieza sea:

* suficientemente profundo para que permita la exportación de 0.6 ± 0.9 mm. de espesor durante el pulimentado;
* homogéneo para evitar una variación cromática excesiva y de decoración del producto acabado que supondría la proliferación de tonos comerciales.

La profundidad de penetración está muy relacionada con la pasta, mientras que la homogeneidad depende de la gestión correcta del proceso y de decisiones de la planta y tecnológicas relativas, en particular, a las fases de prensado, secado, decoración y almacenado-estabilización de las piezas decoradas.

Ya que no es posible eliminar una pequeña variación de densidad en el semi-elaborado crudo, que comporta una des-homogeneidad mínima de coloración en la sección de la pieza, la profundidad de penetración es un parámetro importante para juzgar la idoneidad de una pasta para ser pulida sin comprometer la calidad cromática y la integridad de las decoraciones (ej. serigrafía).

1.2. EFECTO DEL BAÑADO EN LAS CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS Y SUPERFICIALES

La aplicación de agua pulverizada en cantidad controlada en las piezas secadas facilita la absorción de las soluciones aplicadas sucesivamente, pero puede determinar una caducidad mas o menos marcada de las propiedades mecánicas y de la integridad de superficie de los semi-elaborados que se repercute en la productividad de la línea de decoración.
1.3. DESARROLLO DEL COLOR EN COCIDO (EN EL MATERIAL EN ESTADO NATURAL O PULIDO)

El rendimiento cromático del producto acabado está muy influenciado por las reacciones de formación de la matriz vidriosa y de los cristales nuevos en el curso de la cocción, por lo tanto por la combinación correcta entre las propiedades químicas de la pasta y las del ion cromóforo (ej. cristalización de aluminado de cobalto por reacción entre alúmina libre y el cobalto aplicado en solución).

Ya que los objetivos de la experimentación sobrentienden la versatilidad de las pastas en la aplicación de sales diferentes, se ha buscado una condición lo más general posible, utilizando iones sin selectividad química acentuada de afinidad hacia componentes de la pasta específicos.

Se ha considerado, por lo tanto, oportuno empezar por una pasta base blanca, realizando en ésta variaciones de composición simples para poner en resalto el comporta-miento de cada uno de los componentes.

Las pastas, los semi-elaborados y los productos acabados están caracterizados según el esquema siguiente:

A. CARACTERIZACIÓN DE LAS PASTAS.
al. Análisis Química en Óxidos;
       a2. Análisis Mineralógico;
       a3. Capacidad de intercambio fónico de las arcillas (C.E.C. Cation Exchange Capacity);
       a4. Contenido de carbonio orgánico;
       a5. Residuo por encima de 63 µm;
       a6. Residuo por encima de 45 µm.
       
       B. CARACTERIZACIÓN DEL POLVO.
       b1. Humedad;
       b2. Clasificación granulométrica en los tamices.
       
       C. CARACTERIZACIÓN DEL PRENSADO (piezas formato 320 x 320 x 9 mm).
       c1. M.O.R. (Módulo de resistencia a la flexión) del prensado;
       c2. Expansión de prensado.
       
       D. CARACTERIZACIÓN DEL SECADO (secado hasta 0.5 % de humedad).
       d1. M.O.R. (Módulo de resistencia a la flexión) del secado;
       d2. Relación (M.O.R. secado / M.O.R. prensado);
       d3. Contracción de secado;
       d4. Densidad aparente (al mercurio).
       
       E. CARACTERIZACIÓN DE LOS SEMI-ELABORADOS DESPUÉS DE LA APLICACIÓN DE AGUA Y SOLUCIONES CROMÓFORAS
e1. Prueba de aplicación de las soluciones salinas después del bañado de las piezas calientes (50:55°C): profundidad de penetración de la solución y tiempo de secado de la superficie (aplicación de 10 g de agua con aerógrafo - 120 segundos - aplicación de la solución colorante mediante cabina con disco doble - medida del tiempo de secado). Soluciones utilizadas: al Cromo y al Hierro;
e2. Prueba de bañado con evaluación de la reducción de resistencia mecánica (aplicación de 30 g de agua con aerógrafo - 120 segundos - medida del módulo de resistencia a la flexión).
       
       F. CARACTERIZACIÓN DEL COLOR DEL COCIDO (superficie basta y pulida).
       f1 Índices colorimétricos (L,a,b) de la pasta cocida, coloreada y no coloreada, natural y pulida:
       L = índice de blanco
       a = +a rojo; -a verde
       b = +b amarillo; -b azul
       NOTA. La comparación se ha realizado entre materiales con el mismo grado de gresificación.
       
2) PRUEBAS EXPERIMENTALES EN ESCALA SEMI-INDUSTRIAL

A. CARACTERIZACIÓN DE LAS PASTAS
Han sido formuladas y preparadas 9 pastas, dos de las cuales opacificadas con silicato de circonio y alúmina; las características químicas, mineralógicas y granulométricas están indicadas en la tabla siguiente:

B. CARACTERIZACIÓN DEL POLVO
Como se puede observar en la tabla, los polvos se han preparado con valores de humedad lo más uniformes posible, alrededor del 5.5%.
La distribución granulométrica del polvo es también bastante uniforme:

C. CARACTERIZACIÓN DEL PRENSADO

D – E. CARACTERIZACIÓN DEL SECADO Y DE LOS SEMI-ELABORADOS DESPUÉS DE LA APLICACIÓN DE AGUA Y SOLUCIONES CROMÓFORAS

F. CARACTERIZACIÓN DEL COCIDO Y DE SU COLOR (Superficie natural o pulida).
Cada una de las pastas se ha cocido en un horno de rodillos a una temperatura máxima de gresificación, determinada con pruebas preliminares realizadas a temperaturas diferentes en muestras idénticas a las utilizadas en la experimentación.

Las piezas coloreadas han sido cocidas después de 24 h. de la aplicación de las sales.

La profundidad de penetración de la solución colorante ha sido determinada al microscopio, como media en varios puntos en la sección del azulejo.

Los parámetros colorimétricos de las diferentes pastas cocidas, en el estado natural y pulido, se han obtenido como media de varias medidas en las superficies de las piezas, sea la coloreadas que las no coloreadas con la solución de sal de cromo, realizadas con iluminación D65/2° con luz especular.

3. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS EXPERIMENTALES 

3.1. PERMEABILIDAD A LAS SOLUCIONES COLORANTES

Parámetros medidos: profundidad de penetración de la solución colorante de cromo en la sección de la pieza cocida (mm).
El valor ha sido detectado como media de varias medidas realizadas en la imagen de la sección engrandecida (30x) con el microscopio óptico.

Parámetros considerados:
Las características que más influyen la absorción se encuentran en la tabla expuesta a continuación.

Comentario de los resultados
1) La profundidad de penetración media es de 1.78 mm, suficiente para permitir el pulido; la homogeneidad de la coloración no está garantizada si el pulido es muy profundo.
2) La pasta de referencia (I 6023, Estándar) presenta una permeabilidad elevada, decididamente superior a la media y representa un ejemplo de pasta formulada correctamente.
3) Respecto a la pasta de referencia y a los valores medios totales, la pasta I 6024, enriquecida con arcilla montmorillonitica, manifiesta una permeabilidad modesta (1.63 mm.). Este hecho tiene que relacionarse con la gran plasticidad de este tipo de arcilla, que favorece la densificación del material en prensado (como confirman los valores muy altos de densidad aparente en seco y la relación de los módulos de resistencia a la flexión en seco y en verde), reduciendo la porosidad de la pieza y con las características mineralógicas de la montmorillonita, es decir su tendencia a absorber agua interlaminar hichando y obstruyendo los capilares donde tendría que penetrar la solución colorante.
4) Respecto a la pasta de referencia y a los valores medios totales, la pasta I 6025, enriquecida con caolín, tiene una permeabilidad decididamente alta (2.03 mm). Esto está principalmente ligado al hecho que el caolín puede impedir, debido a su escasa interacción superficial con el agua, el movimiento recíproco de las partículas y por lo tanto limita la compactación durante el prensado, que lleva a valores limitados de densidad aparente de los semi-elaborados.
5) No obstante la absorción sea bastante rápida, como demuestran los tiempos de secado muy breves, las pastas enriquecidas con arena cuarzosa (1 6026-8) presentan en cambio una profundidad de penetración bastante reducida, independientemente del residuo de molienda. Esto hace pensar a un fenómeno de interacción de tipo químico entre el soluto y el cuarzo, cuyos mecanismos deben ser verificados y aclarados.
Desde el punto de vista físico se puede observar que cuando la granulometría del cuarzo es gruesa (molienda breve) la matriz arcillosa presenta pocas discontinuidades y la capilaridad es limitada, por lo tanto la masa es poco permeable; viceversa, cuando la molienda es muy larga, la finura granulométrica de las partículas arcillosas, que favorece la formación de una masa con capilares de sección limitada, está equilibrada por la existencia de un retículo de partículas de cuarzo homogéneamente dispersas, que promueve la discontinuidad de la matriz arcillosa. Estos efectos tienden a equilibrarse recíprocamente cuando cambia el grado de molienda.
6) Respecto a las dos pastas blancas (I 6030-1) se observa que el blanco de la alúmina (1 6031) manifiesta una permeabilidad más marcada, no imputable a su peso diferente específico (aprox. 4 g/cc para la alúmina y 4.5:4.6 g/cc para el silicato di circonio) y por lo tanto al volumen diferente ocupado por las partículas, sino debido al hecho que, para mantener un cierto equilibrio químico en la pasta, el aumento de alúmina ha sido equilibrado reduciendo el contenido de caolinita en favor de minerales complementarios no arcillosos (albita).
7) El contenido de carbono orgánico en las diferentes pastas oscila en un intervalo muy reducido; esto es debido al uso de materias primas seleccionadas, uso ya consolidado en Europa. Por lo tanto es difícil establecer el peso de este parámetro sobre la permeabilidad, pero sin duda en presencia de arcillas con alto con-tenido de sustancias orgánicas (relativamente comunes en otras áreas geográficas), el comportamiento hidrófobo de estas últimas puede obstaculizar la absorción de soluciones de agua.

3.2. EFECTOS DEL BAÑADO
Parámetros medidos:
–	módulo de resistencia a la flexión de los semi-elaborados crudos (formato 320x320x9 mm, peso aprox. 1700 g) humidificados en superficie, a temperatura de 50:55°C, mediante aplicación de 30 g de agua con aerógrafo, medido 120 s después de la aplicación;
–	observación de la calidad del degrado superficial producido por el bañado. En ninguna de las pastas en examen se ha observado un degrado significativo de la superficie después de su humidificación.

Parámetros considerados:
Los parámetros que juegan un papel en la caducidad de las propiedades mecánicas después de la humidificación están expuestos en la tabla siguiente:

Comentario de los resultados
1)	Casi todas las pastas pierden casi un 30% de la resistencia mecánica después del bañado.
2)	En el caso de la pasta I 6024 se observa fácilmente el efecto de tenacidad de un 2% de montmorillonita presente entre los componentes que lleva a valores muy altos de resistencia de los semi-elaborados.

3.3. DESARROLLO DEL COLOR EN COCIDO
Parámetros medidos:
–	índices colorimétricos L, a, b de las piezas cocidas y su cambio respecto a la referencia, correspondiente a la pasta estándar I 6023 no pulida;
–	índices colorimétricos L, a, b de las piezas cocidas y pulidas (profundidad media de pulido 0.6 mm) y su cambio respecto a la referencia, correspondiente a la pasta estándar I 6023 no pulida.

Parámetros considerados:
En la tabla siguiente están expuestos los índices colorimétricos de las pastas cocidas y no pulidas, no coloreadas y coloreadas con sal al cromo, junto con sus composiciones químicas (AE representa el cambio respecto a la pasta de referencia I 6023, ?E' representa el cambio respecto a la pasta en examen no coloreada):

Comentario de los resultados
1)	Todas las pastas son blancas, como muestran los valores del índice L.
2)	Como ya se sabe, el efecto blanqueador del silicato de circonio micronizado es, a igualdad de cantidad introducida en la pasta (6% en peso seco), superior al de la alúmina (el blanco al circonio presenta L = 85.2 contra L = 82.8 del blanco de la alúmina).
3)	Como se observa en las variaciones ?E' respecto al no coloreado, muy altas para las pastas con alto contenido de caolín y blanqueados con silicato de circonio y alúmina, el efecto coloreado está exaltado por las pastas blancas. De la misma manera se observa una reducción del efecto colorante con la sustitución del feldespato sódico con el potásico (?E'=33.9 para la pasta estándar, ?E'=31.5 para la pasta que contiene el feldespato potásico).
4)	Comparando los índices a* y b* en las diferentes pastas coloreadas, se observa que el color verde de la pasta con alto contenido de caolín es particularmente pronunciado (ver valor a*), mientras que el circonio tiende más al amarillo (ver valor b*).

En la tabla siguiente se encuentran los índices colorimétricos de las pastas cocidas pulidas, comparados con los de las pastas no pulidas (?E’’representa la variación respecto a la pasta en examen no coloreada pulida):
Se puede observar que el pulido produce un pequeño aumento del índice L.

Además de la comparación de los valores de ?E' permite notar que la pasta con alto contenido de caolín mantiene sus propiedades de exaltación del efecto cromóforo, mientras que las pastas blanqueadas con circonio y alúmina pierden mucho en este sentido respecto a las otras pastas pulidas.

4. OBSERVACIONES GENERALES

En resumen se puede afirmar que:

1. La pasta de referencia (1 6023) se presenta, en su conjunto, como la más equilibrada sea respecto a las características mecánicas que a la permeabilidad. En efecto:

* con las presiones de moldeo industriales (400 kgf / cm2), se presenta decididamente tenaz sea en verde (8.1 kgf / cm2) que en seco(25.4 k kgf / cm2) y también después del bañado (16.2 kgf / cm2), por lo tanto limita al mínimo la posibilidad de ruptura y de tensado de los semi-elaborados durante las fases de decoración, movimiento y almacenado antes de la cocción;
* la permeabilidad es muy satisfactoria (penetración media 1.97 mm), muy cercana a la da la pasta con alto contenido de caolín (2.03 mm);
* lo mismo vale para el tiempo de secado de la superficie (70 s), que es más que aceptable;
* con los residuos de molienda industrialmente adoptados (0.7% en 63µm; 4.5% en 45 µm) el grado de gresificación a la temperatura máxima de cocción de 1210°C está en línea con los estándar de calidad más altos (M.O.R. 430 kgf / cm2-, absorción de agua 0.01%) y asegura buenas propiedades mecánicas y de higiene de la superficie;
* no obstante el grado de blanco sea inferior al de las pastas con alto contenido de caolín y de cuarzo, el valor del índice L está cerca de la media de las pastas no opacificadas, igual que la propiedad de colorear la pasta (como demuestran los valores de DE de las pastas coloreadas respecto a las no coloreadas, sea en las superficies en estado natural sea en las pulidas). Las pastas con alto contenido de caolín (I 6025) y de cuarzo (1 6026-8), aun con propiedades cromáticas mejores, presentan otras limitaciones: la pasta I 6025 no es muy tenaz en crudo, mientras que las pastas I 6026-8 tienen una profundidad de penetración inferior a la media y esto podría ser un problema sobre todo en el caso de decoraciones serigráficas en superficies por pulir.

2. De las dos pastas opacificadas, el blanco de circonio (1 6030) parece que ofrezca prestaciones más interesantes respecto a las de la pasta de alúmina (I 6031). En efecto:

* es mucho más blanco, como demuestran los valores del índice L en la superficie natural (85.2 para I 6030, 82.8 para I 6031) y en la pulida (85.1 para 1 6030, 83.0 para 1 6031) y también se colorea más fácilmente (?E' = 37.7 contra 35.5 en la superficie basta, ?E" = 21.2 contra 19.7 en la superficie pulida);
* presenta una resistencia mecánica más que satisfactoria en verde (7.6 kgf / cm2), sea en seco (26.5 kgf / cm2), que después del bañado (17.8 kgf / cm2, muy superior al de la pasta I 6031 (respectivamente 6.7, 21.4, 13.4 kgf / cm2  en verde, en seco y después del bañado);
* el tiempo de secado es breve (75 s), aunque si es superior al de la pasta I 6031 (60 s);
* con residuos de molienda cercanos a los industriales (0.4% en 63µm; 2.5% en 45 µm) el grado de gresificación en la temperatura máxima de cocción de 1210°C está en línea con los estándar de calidad más altos (M.O.R. 440 kgf / cm2, absorción de agua insignificante) y asegura buenas propiedades mecánicas y de higiene de la superficie;
* la única desventaja que la pasta I 6030 presenta, respecto a I 6031, es la profundidad reducida de penetración (1.72 mm contra 1.90 mm), que tiene que ser considerada caso por caso junto con otros factores.

NOTAS
Respecto a los mecanismos que rigen la absorción de las soluciones y la deposición de los iones cromóforos en el interior de la masa, se pueden identificar en línea general los siguientes procesos elementales:
* transporte de materia de la superficie hacia el interior de la masa por acción capilar;
* absorción superficial y eventual absorción interlaminar de moléculas de agua por parte de los componentes arcillosos hasta la saturación de superficies y/o de los espacios entre las láminas arcillosas, con hinchado mas o menos marcado de la matriz plástica, consiguiente restricción de la sección de los capilares y aumento de la resistencia al transporte del líquido;
* eventual interacción de tipo electrostático y/o químico de la parte catiónica o aniónica del soluto con uniones no saturadas presentes en el borde del grano cristalino;
* precipitación de las sales metálicas cromóforas por sobresaturación de la solución consiguiente a la evaporación del disolvente acuoso;
* precipitación indeseada de sales e hidrógenos metálicos poco solubles que se han formado por reacciones de intercambio a partir de los solutos en condiciones particulares de pH (ej. precipitación de hidróxidos de hierro en ambiente básico, aun-que si lo es moderadamente).

TRANSPORTE DE MATERIA DEL LÍQUIDO
Respecto a la acción capilar, se puede volver a considerar la ecuación de Poiseuille, que describe el flujo laminar de un líquido en un lecho granular por efecto de un gradiente de presión:

donde: ?H = gradiente de presión (cm de columna de líquido);
       K2 = constante de Kozény (5 para las partículas esféricas);
       ? = viscosidad dinámica del líquido (poise);
       ? = densidad del líquido (g/ cm3);
       vf = velocidad de flujo (cm/s);
       ?t = densidad real de las partículas sólidas (g/ cm3);
       S = superficie especifica de las partículas (cm2/g);
       g = aceleración de gravedad = 980 cm/ s2;
       F = porosidad del medio (adimensional);
       d = profundidad del lecho granular (cm)

teniendo en cuenta del potencial de absorción debido a las fuerzas capilares:

donde: P = potencial de absorción (cm de columna de líquido);
X = factor de empaquetamiento (= 12.9 para empaquetamiento romboedrico; = 4.8 para empaquetamiento cúbico)
? = tensión superficial del fluido (dyna / cm);
r = radio medio de las partículas sólidas en cuyos intersticios se encuentran los capilares (cm);
? = densidad del líquido (g / cm3);
g = aceleración de gravedad = 980 cm/ s2

se obtiene, después de algún pasaje, la ecuación válida en condiciones de flujo estacionario: 

donde: k = factor de proporcionalidad que depende del empaquetamiento y de la forma de las partículas:

       Ps’ Pd = potencial de absorción en superficie y a profundidad d. Por lo tanto se observa que:
       
* vf aumenta con el cuadrado de r: partículas de granulometría más fina obstaculizan la permeabilidad;
* vf disminuye con líquidos más viscosos hacen más lento el proceso;
* vf aumenta con Ps - Pd: cuanto mas el potencial de absorción (P = (X ?) / (r ? g)) en superficie es superior al del interior, tanto más es facilitado el proceso. Esta condición se produce frecuentemente, si se considera que el densificación provocado por el prensado del polvo es mayor en superficie que en el interior, debido a una fracción de energía dispersa en roces en el interior de la masa (Xs > Xd) y que el polvo con granulometría más fina tiende a ser arrastrado hacia la superficie por el aire que sale de la pieza durante su compactación (rs < rd).

ABSORCIÓN SUPERFICIAL Y ABSORCIÓN INTERLAMINAR
Los mecanismos de absorción superficial y de absorción interlaminar por parte de minerales arcillosos son conocidos por la literatura y su tratamiento está fuera de los propósitos de este trabajo. Sin embargo, se considera útil subrayar que:

* la absorción está facilitada por la reactividad de la superficie, por lo tanto por su actividad iónica y por la concentración de los defectos, más pronunciados en el caso de silicatos con alto grado de sustitución de los iones silicio y aluminio en el retículo cristalino (estructuras tipo illita) y por la superficie específica del material, por lo tanto por su fineza granulométrica;
* la absorción interlaminar es una peculiaridad de los minerales arcillosos con estructura T-O-T (tetraédrica-octoédrica-tetraédrica) y está favorecida, también en este caso, por una alto grado de sustitución de los iones silicio y aluminio en el retículo (ej. montmorillonita).

INTERACCIONES DEL SOLUTO CON LOS MINERALES COMPLEMENTARIOS
En ciertas condiciones no se pueden excluir interacciones de tipo electrostático y / o químico de la parte catiónica o aniónica del soluto con uniones no saturadas o grupos particularmente reactivos (-OH, -O- Na+ , ...) presentes en el borde del grano en los cristales de sílice.

En particular, se ha demostrado que en los vidrios comunes, en los cuales no existe un retículo ordenado de la sílice, existen hasta 4.6 grupos silanos =Si-OH por nm2, también no asociados (según el pH) o con el átomo de hidrógeno sustituido por un catión metálico, que constituyen lugares de enganche para otros iones presentes en el ambiente.

ANÁLISIS CUANTITATIVO DE VARIABLES DE IMPRESIÓN SERIGRÁFICA QUE AFECTAN A CAMBIOS DE TONO EN PIEZAS SERIGRAFIADAS

Peris-Fajarnés G. (1), Alcañiz M. (2), Olivares M. (3), Lengua I. (4)

(1)Profesor Titular de Escuela Universitaria Interino
Departamento de Expresión Gráfica en la Ingeniería
Escuela Universitaria de Gandía
Universidad Politécnica de Valencia

(2)Profesor Titular de Universidad
Departamento de Expresión Gráfica en la Ingeniería
Universidad Politécnica de Valencia

(3)Becaria del Departamento de Expresión Gráfica en la Ingeniería
Escuela Universitaria de Gandía
Universidad Politécnica de Valencia

(4)Becario del Departamento de Expresión Gráfica en la Ingeniería
Escuela Universitaria de Gandía
Universidad Politécnica de Valencia

El desarrollo del presente estudio pretende evaluar cómo y cuánto una serie de parámetros productivos medibles cuantitativamente afectan a variaciones en el tono medio de las piezas. El sistema productivo de serigrafía industrial en el mundo de la cerámica genera una serie de variaciones en el tono de las piezas que repercute directamente en el coste y rendimiento de la empresa.

Tal y como ya se ha estudiado por otros autores el impacto de una mejora en la calidad productiva cerámica puede suponer un beneficio elevado a nivel de costes.

Las variaciones del tono de las piezas son causa de clasificación al final del proceso productivo. Suponen un aumento de los costes de almacén derivados de la existencia de categorías, y de igual modo generan los costes propios de la necesidad de dicho equipo de clasificación. Como consecuencia de los costes y complejidad productiva se va a utilizar la serie de experiencias basadas en un diseño balanceado, recomendado por algunos autores.

Algunos autores han abierto la puerta para comenzar a investigar en este campo, los estudios de Corma y las orientaciones de otros investigadores son un punto de partida para la realización del presente trabajo.

1. OBJETIVOS
Se pretende estudiar la variación del tono producida por la tensión de la pantalla, el fuera de contacto, la viscosidad de la tinta y cíngulo de la espátula de impresión. Se define un análisis balanceado con las variables anteriores, estudiándolas con un mínimo de tres niveles cada una de ellas.

Se pretenderá obtener diseños balanceados con una serie de puntos que nos permitan en primer lugar:

a) Confirmar la existencia de una relación entre la variable y el tono (mediante análisis de Varianza preliminares) y, una vez confirmada la existencia de relaciones entre las variables.
b) Estudiar el modelo de regresión posible.


2. MATERIAL Y MÉTODOS

2.1. EXPERIENCIAS REALIZADAS

2.1.1. EFECTO DE LA TENSIÓN, FUERA DE CONTACTO Y DE LA VISCOSIDAD

Por cada combinación de parámetros se imprimieron cuatro piezas. Se desecharon sistemáticamente las dos primeras y se retuvieron las dos últimas piezas impresas. La espátula escogida para las pruebas se afiló antes de realizarlas. La presión de la espátula no se midió, escogiéndose siempre la mínima presión de espátula necesaria para la obtención de la impresión. La velocidad de impresión se mantuvo constante. Todas las piezas fueron impresas a la misma temperatura sin hacer uso del compenser. Los ensayos se realizaron con un cabezal de Impresión de Nasseti modelo Serimeck TOP 101. Una vez obtenida toda la serie las piezas se cocieron conjuntamente para evitar posibles problemas de cambio de tono provocados por el horno.

El diseño de la imagen se realizó mediante tramado Error Difusion y según la metodología patentada.

Los ensayos realizados fueron el resultado de cruzar todas las posibilidades de las siguientes combinaciones:
* Tensión de pantallas. Tres valores de tensión en pantallas. La tensión se midió con un tensiómetro de sensibilidad 0,1 N/ cm. La tensión se midió en las dos direcciones paralelas al borde del marco siendo en todos los casos las diferencias menores de 0,5 N/ cm. entre las dos direcciones. Las pantallas de serigrafía se prepararon con una antelación superior en todos los casos a 48 horas antes de realizar la experiencia. Las tres tensiones estudiadas fueron de 16, 20 y 25 N / cm.
* Fuera de contacto. Con ayuda de una cuña graduada se midió el valor del fuera de contacto en los cuatro extremos de la pantalla de serigrafía. Se midieron dos series, cuatro de ellas con el mismo nivel en las cuatro esquinas, y seis de ellas resultado de combinar un fuera de contacto diferente entre la parte inicial y la final en dirección del recorrido de la espátula de impresión. El valor inferior se escogió siempre en la parte final del recorrido de la impresión. Los datos se midieron en milímetros. Fueron los siguientes: a) Al mismo nivel: 4, 5, 7 y 9 milímetros; b) Con diferencias al inicio y final del recorrido de la impresión: 4-6, 4-8, 4-9, 6-8, 6-10 y 8-10 mm.
* Viscosidad. La viscosidad se midió con un viscosímetro Copa Ford (DIN 53.211) que consiste en un vaso de una capacidad determinada con el fondo en forma de embudo y una abertura en su parte inferior. Se midieron los valores a una temperatura de 20 grados centígrados. Es precisamente el tiempo que tarda el vaso en vaciarse el indicador del valor de viscosidad de la tinta. Los valores analiza-dos en la experiencia fueron de 1,5, 2,5 y 3 minutos.

2.1.2. EFECTO DEL ÁNGULO DE LA ESPÁTULA

Objetivo: Se pretendió decidir el ángulo óptimo de trabajo de la espátula, y si dicho óptimo está afectado o no por el desgaste.

Se define un ensayo balanceado realizando la serie correspondiente a combinar los siguientes parámetros:

* Ángulo de la espátula. El ángulo se midió por las dos partes de la espátula con ayuda de un semicírculo graduado. El semicírculo se apoyó sobre la pantalla de serigrafía leyéndose el ángulo que formaba con esta la arista de la espátula por la cara de impresión. Los ángulos se midieron en grados sexagesimales y correspondieron a los siguientes valores: 30, 40, 50, 60, 70 y 80 grados.
* Se escogieron dos espátulas del mismo material, una de ellas usada durante una jornada de producción y otra recién afilada. Los datos se codificaron como A (espátula afilada) y G (espátula Gastada).

2.1.3. EFECTO DE LA VISCOSIDAD

Objetivo: Definir cómo varía el tono en función de la viscosidad.

Con los parámetros analizados de los dos ensayos anteriores, se define una experiencia en la que se variará la viscosidad manteniendo constante el ángulo de la espátula (60 grados), la tensión de pantalla (25N/cm.), y el fuera de contacto (5 mm.). Se desarrolla un total de 6 muestras.

2.2. RESULTADOS OBTENIDOS

De 90 muestras correspondientes a todas las combinaciones posibles de los datos anteriores (apartado 2.1.1.), se obtuvieron un total de 85 muestras, perdiéndose cinco de ellas por rotura de las piezas.

De la segunda experiencia específica del ángulo (apartado 2.1.2.) se obtuvieron las 12 muestras previstas en la experiencia.

De la tercera serie correspondiente a la viscosidad de la tinta (apartado 2.1.3.) se obtuvieron las seis muestras previstas en la experiencia.

Se leyeron los datos correspondientes al valor del color mediante un colorímetro Minolta modelo CR300. Se utilizó una de las lecturas de color posibles recomendadas por la CIE (Comisión Internacional de la Iluminación) conocida como CIELAB o CIE 1976 L* a* b*, donde L representa la Luminosidad (variando desde cero para un color negro hasta 100 para el blanco), a representa los colores verde y rojo (verde con negativos y rojo con positivos), y b representa los colores azules y amarillos (azules los negativos y amarillos los positivos). Dado que la tinta es negra, el valor que se va a considerar para todas la experiencias es el valor de L.
Dicho valor se leyó en ocho puntos diferentes de cada pieza, dos puntos por cada esquina de la pieza correspondientes a dos niveles de gris que se imprimen en las cuatro esquinas de la pieza.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1 ESTUDIO GENERAL

Estudio mediante Análisis de la varianza de los principales factores que afectan a la variabilidad del tono entre piezas.

Análisis de Varianza para MEDO - Suma de Cuadrados
Origen
Suma de cuadrados 
Df
Media Cuad
F-Ratio
P-Valor
PRINCIPALES EFECTOS



A:FCA
B:TINT
C:TP
RESIDUAL





TOTAL (CORRECTED)
260,286
260,286
84


Todos los F-ratios se basan en el error medio cuadrado residual

Tabla 1. Análisis de Varianza. Efecto sobre variaciones porcentuales de tonalidad media de la pieza debidas al Fuera de Contacto, a la Viscosidad de la Tinta y a la Tensión de la Pantalla de serigrafía. Tal y como se observa, al analizar los tres factores de una manera conjunta podemos decir que las variaciones obtenidas en la experiencia producidas por los tres factores analizados son estadísticamente significativas.

El análisis de varianza indica los parámetros que afecta al valor del tono medio de las piezas (variable denominada MEDO). Aquellos parámetros cuyo valor de P es inferior a 0,05 se consideran significativos.
Por tanto, se deduce de los datos de la tabla 1, que la variación del valor de L representada por la variable MEDO, está influida, entre otros factores, por la viscosidad de la tinta, por la tensión de la pantalla y por el "fuera de contacto". Dichos factores de variación tienen una incidencia estadísticamente significativa.
Un cambio de pantalla puede producir alteraciones en, al menos, tres factores. Primero al ser una pantalla diferente la tensión puede variar, segundo al colocar la pantalla podemos modificar el fuera de contacto y tercero por modificaciones en la presión de impresión de la espátula. La probabilidad que un cambio de pantalla afecte a la viscosidad es poco consistente. Otros factores de variación no estudiados en el modelo son los propios en el proceso de elaboración de las pantallas tales como la variación del grosor de la emulsión o el proceso de insolación. Dichas variables se mantuvieron constantes en nuestra experiencia.
Si se representan las variables definidas en el modelo anterior puede obtenerse una estimación de las posibles correlaciones lineales entre las variaciones del tono y de los parámetros de impresión.

Si se representan los datos del valor medio de L en función del "fuera de contacto" y la tensión, mediante la identificación de los puntos de viscosidad diferente, se observa que la dispersión del tono es menor con una viscosidad alta que con viscosidades bajas.
Ello justifica realizar un análisis de regresión multivariante para ver cómo cambia el tono de las piezas con una viscosidad alta.

Figura 1. Valor medio de la variable MEDO (Media de valor de L de las piezas) en función de la tensión de la pantalla (TP) y del valor de fuera de contacto (FCA). Los valores se representan indicando la viscosidad de la tinta.

El integrar el valor del "fuera de contacto" conjuntamente con el valor de la tensión de la pantalla en una misma ecuación permite analizar en un modelo conjunto el efecto de ambas variables.
En los gráficos de las figuras 2 y 3 puede observarse cómo las diferencias que existen por viscosidad guardan el mismo orden en casi todos los casos, pero se hacen mayores con tensiones más altas. Se observa como su influencia en la variación de las tonalidades para tensiones bajas es mucho menor que la de las variaciones producidas por el "fuera de contacto". En cambio para tensiones superiores a 16N/cm las diferencias son del, mismo orden.
De lo anterior se infiere la conveniencia de abordar el estudio de las relaciones cuantitativas entre el valor medio de L y el resto de parámetros. Se abordará un estudio de cómo afecta cada parámetro al valor de L (Variable MEDO) y posteriormente se tratará de establecer una ecuación de regresión general con todos los parámetros.
Se aborda el estudio de la variación de la tonalidad en función del "fuera de con-tacto" mediante un análisis de regresión. Se estudia la variación producida en el tono de la pieza manteniendo constantes la tensión de la pantalla y la viscosidad de la tinta, obteniéndose una recta de regresión con un R cuadrado del 96,4% (es decir, para las condiciones de la experiencia el modelo justifica más del 90 % de la variabilidad). (Tabla 2 y Figura 4).

Figura 2. Representación del valor medio de L para una tensión de pantalla de 16N/cm (arriba izquierda), con 20 N/cm (arriba derecha) y con tensión de 25 N/cm (inferior). Se observa como para una viscosidad de 1,5 minutos la tendencia cambia de sentido para las tensiones de pantalla.

Figura 3. Se representa como varía el valor medio de L en función de los tres valores de viscosidad de tinta estudiadas y se represente para una tensión de pantalla de 16/cm (arriba izquierda) y de 25 N/cm (abajo en el centro). Se observa como se producen diferencias entre los agrupamientos para cada tinta y tensión, apareciendo una ligera tendencia.

El coeficiente de la ecuación es de -0,88, lo que indica que a mayor "fuera de contacto", menor resulta el valor de L, es decir mayor proximidad al negro. El paso de tinta o la impresión resultante producen una imagen más oscura con fueras de contacto mayores.
Un incremento en el fuera de contacto produce un descenso del valor de Len la impresión, lo que significa que la impresión se oscurece. Ello puede ser debido a dos factores, bien que se deposita más tinta o bien que la tinta depositada se encharca. Estos datos concuerdan con los obtenidos por otros, que indican que un incremento del fuera de contacto supone un incremento en la ganancia de punto, un oscurecimiento de la imagen y, en definitiva, una perdida de gama de tonalidades posibles.

Además los datos concuerdan con la teoría de otros autores quienes recomiendan una reducción del valor del "fuera de contacto" para conseguir una mejor calidad de impresión. El factor "fuera de contacto" depende de la tensión de la pantalla; una tensión demasiado baja impide utilizar un "fuera de contacto" demasiado pequeño, y una tensión alta obliga a utilizar fuerzas de contacto menores para obligar a reducir los esfuerzos de la pantalla de serigrafía.

La influencia del "fuera de contacto" en el tono medio entre piezas es notable. Según los datos obtenidos en la tabla 2, cada milímetro de incremento en el valor del "fuera de contacto" (FCA) produce un -0,85% de variación en el tono de las piezas con respecto al total que corresponde a 0,81 en el valor de L (CIE). Dicho de otra forma, una diferencia de 5,9 milímetros en el fuera de contacto garantiza un cambio de 5 puntos del valor de L con una probabilidad de un 96,4% (siempre que se mantengan las condiciones de la experiencia, tensión de pantalla de 20 N /cm. Y viscosidad de 2,5 minutos).

Tabla 2. Modelo de regresión lineal entre MEDO y FCA. El modelo de regresión lineal se ajusta con un R-cuadrado a un 96 y tiene un índice estadísticamente significativo. El estudio se ha realizado para "fueras de contacto" variables pero iguales en las cuatro esquinas, una tensión de pantalla de 20N/cm y una viscosidad de tinta de 2,5 minutos.

El valor MEDO es una medida de las variaciones de tonalidad totales. Las variaciones debidas al "fuera de contacto" pueden llegar a ser un 50% de las totales.

Tal como se ha comentado, los cambios en el "fuera de contacto" no suelen realizarse de una forma independiente; son consecuencia de una serie de interrelaciones con otros parámetros. La variación que produce el cambio del valor de "fuera de contacto" viene asociada, en la mayoría de las ocasiones a dos factores, la dureza de la espátula y la tensión de la pantalla.

Una espátula muy blanda obliga a aplicar, o una mayor presión de espátula o una reducción en el "fuera de contacto". Y una menor tensión de la pantalla suele obligar a subir la pantalla y a incrementar el valor del "fuera de contacto".

Centrando el problema en la situación concreta del experimento resulta que para una tensión determinada de pantalla y con una espátula concreta, un cambio de fuera de contacto produce una alteración en la tonalidad que responde a una recta de regresión lineal. El cambio de fuera de contacto se realiza a la vez que se reajusta la presión de la espátula.

Figura 4. Representación de MEDO para los valores observados y predichos en el modelo. Corresponde con la tabla 2. entre el valor medio de L para el tono de gris de referencia tomado en cada pieza y el 'fuera de contacto" en milímetros. Los datos han sido tomados para un valor constante de Viscosidad y Tensión de pantalla. Al aumentar el "fuera de contacto" el valor de L decrece siendo el tono de la pieza más oscuro.

Un aumento de la presión de la espátula hace que la superficie de contacto entre la pantalla y la pieza sea mayor, esto justifica un oscurecimiento de la imagen problemas de encharcamiento. Y por otra parte, dicho aumento produce que el ángulo de contacto de la espátula y el tejido sea menor. Los ensayos se realizaron con un ángulo constante de 60 grados. Como se indicará posteriormente para los valores del ángulo que estamos trabajando la relación entre el ángulo y el tono es lineal y positiva, ello significa que un ángulo menor modifica el valor de L también en sentido decreciente, es decir hacia tonos más oscuros.

Figura 5. Representación del esfuerzo de la espátula en función del valor de fuera de contacto.

Una experiencia realizada por Mark A. Cougray muestra las diferencias de tensión producidas por la presión de la espátula, que tiene que soportar una pantalla de tensión estática o nominal de 22 N/ cm. El estudio muestra las diferencias entre dos "fueras de contacto" diferentes, estando las muestras leídas a diferentes distancias del marco de la pantalla de serigrafía (Figura 6).

Como puede observarse, el "fuera de contacto" es un factor que afecta en cualquier caso a variaciones de la tonalidad. Se estudiará cómo afecta dicho valor en tres pasos, primero junto con la tensión de la pantalla, segundo con la viscosidad de la tinta y finalmente se incluirán los parámetros en un modelo de regresión más general.

Figura 6. Diferencias de tensión producidas por la presión de la espátula, que tiene que soportar una pantalla de tensión estática o nominal de 22 N/cm.

Figura 7. Modelo de regresión entre la variación de la viscosidad de la tinta y el fuera de contacto. El análisis se ha realizado manteniendo constante la tensión de la pantalla a 20 N/cm.

R-Cuadrado = 71,4579 percent
R-Cuadrado (ajustado por d.f.) = 68,7396 percent Standard Error de Est. = ,989002
Error Absoluto Medio = ,722162
Durbin-Watson estadístico = 1,59241
MEDO = 60,5937 - 0,559145*FCA - 0,270225*TP (FCA=FCB)&(TINT>=2,5)

Como puede verse (Figura 7) existe un modelo que justifica el 95 % de la variación de L producida por variaciones en el "fuera de contacto" y en la viscosidad de la tinta. El modelo es válido para una tensión de 20 N/cm, su significación es de un 80% con una tensión de pantalla de 25 N/cm. y su ecuación de regresión varía ligeramente. (MEDO = 60,1371 - 0,712133*FCA - 1,95527*TINT).

Tabla 3. El estudio de regresión entre el valor medio del tono de la pieza (MEDO) con el fuera de contacto y la tensión de la pantalla justifica el 68% de las variación de tonalidad. El estudio se realiza con los valores de viscosidad igual o superior a 2,5 minutos.

El análisis de correlación múltiple entre las variaciones de L, producidas por variación del "fuera de contacto" y de la tensión de la espátula, justifican el 68% de las variaciones de L (Tabla 3). El modelo es válido para valores de viscosidad superiores a 2,5 minutos. Incluyendo en el modelo la viscosidad de 1,5 minutos, la significación del modelo baja a un 40 %, si bien la ecuación lineal de regresión es muy parecida.

R-Cuadrado = 65,8032 percent
R-Cuadrado (ajustado por d.f.) = 61,3907 percent Standard Error de Est. = 1,18512
Error Absoluto Medio = ,884081
Durbin-Watson Estadístico = 1,33931

MEDO = 54,5969 - 0,552349*FCA + 0,196747*TP + 2,01567*TINT - 0,161491*TINT*TP

Tabla 4. El modelo de regresión deducido es un modelo lineal. Podemos decir que tenemos un 61% de las variaciones incluidas en el modelo, en él se observa cómo afecta cada factor al valor Inedia de L. Un aumento en el valor de la viscosidad (medida en minutos) supone un aclarado en el tono impreso; un aumento en la tensión aclara la pieza y un aumento del 'fuera de contacto" la oscurece.

Figura 8. En ella se representa la desviación entre la ecuación de regresión múltiple indicada en la tabla 7.4. entre los datos predichos (recta) y los obtenidos (los puntos).

La tabla 4 cuantifica las variaciones producidas por cambios en la tensión o en la viscosidad de la tinta. El modelo ha sido calculado para un "fuera de contacto" medio de siete milímetros. En dicha tabla puede verse como el "fuera de contacto" y la tensión de la pantalla de serigrafía producen ambos un cambio en la tonalidad de la pieza en la misma dirección. Un aumento del "fuera de contacto" hace así mismo decrecer el tono medio, y un aumento en la tensión de la pantalla hace también decrecer el tono medio.

El rango de variación del fuera de contacto puede oscilar en el campo de la serigrafía cerámica entre 4 y 10 milímetros aproximadamente, y las tensiones de las pantallas varían entre 8 N/cm y como máximo 20 N/cm.
Si realizamos un cruce de las dos variables obtenemos una serie de combinaciones que nos permiten estudiar las variaciones del tono. Planteando una serie de combinaciones posibles se obtienen los datos de la tabla siguiente:
Como puede verse, el hecho de combinar ambos valores según la tabla anterior provoca diferencias de tono de 1,4 puntos de L en sentido negativo.
Es un factor a considerar que el objetivo teórico es obtener diferencias que tiendan a aumentar el valor de L, ya que ello supone un menor depósito de tinta o un menor encharcamiento de ésta, y, en definitiva, una reducción en la ganancia de punto.
Si cruzamos los datos puede analizarse la sensibilidad o el incremento de L que es producido por este motivo. Si suponemos por ejemplo que estamos imprimiendo con una pantalla de 16 N/ cm., un "fuera de contacto" de 6 mm. y la pantalla se rompe y es sustituida por una de 12 N/ cm., sobre la que se aplica un fuera de contacto de 8 mm. se prevé un cambio de L de 0,45 puntos. Si el "fuera de contacto" no se corrige y se mantiene en 6, el cambio en L es de 0,65.

3.2. ESTUDIO DE LA VISCOSIDAD

Coeficiente de Correlación = -,98661 R-Cuadrado = 97,3399 percent Standard Error de Est. = ,53185

MEDO = 60,7 - 2,97857*TINT (FCA=FCB)& ( FCA=4 ) & ( TP=16 )

Tabla 5. Estudio de regresión entre el valor de L de un punto de la pieza y la viscosidad se ajusta a un 75% de la variación de una forma lineal. Cada unidad de viscosidad afecta en 2,98 puntos en el valor de L del tono final obtenido. El estudio se realiza para una tensión de pantalla de 16N/cm. y un fuera de contacto de 4 milímetros.

MEDO = 60,7 - 2,97857*TINT
MEDO = 56,2225 - 1,08714*TINT
R-squared = 97,3399 percent
R-squared = 99,9315 percent (FCA=4)&(TP=16)(TP=20)&(FCA=5)

Existe una gran variabilidad entre modelos de regresión producidos por cambios en la tensión de pantalla. Una tensión de pantalla baja exalta más las diferencias de tono producidas por las variaciones de la viscosidad.

Es decir, aparece una correlación entre la viscosidad de la tinta y la tensión de la pantalla. Dicha correlación se incluirá en el modelo final de regresión lineal.

El modelo de regresión entre las variaciones porcentuales del tono de las piezas es un modelo lineal; un aumento en la viscosidad afecta negativamente en dicho porcentaje, es decir reduce el valor de L y aumenta su proximidad al negro.

Un incremento en el valor de la viscosidad supone un descenso en el valor de L, es decir el tono impreso es más oscuro. Ello ocurre en el tramo de estudio realizado para una pantalla concreta.

El ensayo realizado con una serie para una viscosidad creciente manteniendo constan-te la pantalla con una tensión de 20N/ cm. y el fuera de contacto de 5 mm. muestra la existencia de una correlación lineal clara entre el tono impreso y la viscosidad de la tinta (Figura 9).

Figura 9. Análisis de correlación lineal entre la viscosidad y la variación de tonalidad impresa.
Se observa como un aumento de la viscosidad produce un oscurecimiento de la imagen.

3.3. ESTUDIO DEL ÁNGULO

Coeficiente de Correlación = ,936516
R-Cuadrado = 87,7063 percent
Standard Error of Est. = 1,32919

MEDO = 40,9308 + 0,169736*ANGULO

Tabla 6. Se obtiene el modelo de regresión entre el valor medio del tono obtenido en función del ángulo, para espátulas afiladas. Un ángulo mayor supone un incremento de 0.16 por grado en el valor de L, es decir la pieza se aclara a medida que aumento el ángulo de ataque.

El modelo lineal presentado tiene un valor de probabilidad alto, no obstante, se observa en los puntos una posible curva ajustable a una ecuación de segundo grado. Pasamos a representar dicho estudio en la tabla siguiente (Tabla 7).

R-Cuadrado = 97,9265 percent
R-Cuadrado (Ajustado por d.f.) = 96,5441 percent
Standard Error de Est. = ,630334
Error absoluto Medio = ,359833
Durbin-Watson Estadístico = 2,97173

MEDO = 30,0878 + ,606102*ANGULO-,00396696*ANGUL0^2

Tabla 7. Análisis polinórnico de regresión entre MEDO y ángulo. En las figuras 10 y 11 ya puede verse cómo es posible adaptar a la relación entre tonalidad media y ángulo a una curva. Tal como se observa dicho ajuste es mucho más preciso, llegando a justificar el 96% de la variación en el tono. MEDO es el valor medio de cuatro puntos correspondientes a la trama oscura situada en las cuatro esquinas de la pieza.

Figura 11. De los datos de la tabla 7 se obtiene la curva de regresión entre el valor medio del tono y el cíngulo de la espátula.

La espátula que se utiliza para la experiencia es una espátula afilada con una arista a 90 grados. Un ángulo menor aumenta la superficie de contacto, presiona más la tinta y produce que pase una mayor cantidad; o bien, al aumentar la superficie de contacto entre el tejido y la superficie a serigrafiar el punto se encharca más.

Tal como se ve en la tabla 7, existe una relación exponencial entre la tonalidad media de las piezas cerámicas y el ángulo de la espátula, siempre que ésta esté afilada. Dicha relación es inexistente en el caso de que la espátula esté gastada. Ello puede deberse a que un perfil gastado de una espátula puede estar más o menos redondeado de tal forma que el ángulo de ataque permanece constante, tal y como puede verse en la figura 12.

A partir de la siguiente ecuación, calculando su derivada e igualándola a cero se obtiene el punto máximo de la curva. Es precisamente dicho punto óptimo ya que es donde las variaciones del ángulo afectan en menor medida a la tonalidad de la pieza.

Figura 12. El ángulo de una espátula redondeada permanece constante frente al ángulo de ataque de una espátula afilada.

MEDO = 30,0878 + ,606102*ANGULO-,00396696*ANGULOA2
0 = 0,606102-2*0,00396696*ANGULO
Angulo = 76,4 °

Un cambio en el valor del ángulo alrededor de este valor (entre 71,4 y 81,4) produce un cambio en L de 0,00049488, frente a por ejemplo un cambio entre 50 y 60 grados en el ángulo que produce un cambio en L de -1,697364.
Hasta este momento, el presente estudio ha revisado las variaciones del tono medio de las piezas cerámicas serigrafiadas. Es importante completar el estudio con un análisis de la variabilidad interna de la tonalidad de las piezas, es decir los cambios de tono dentro de una misma pieza. Se resume un estudio de dicha varibilidad realizado en esta línea.

Análisis conjunto de los efectos de cada variable. Importancia relativa


FACTOR POR UNIDAD DE DEIFERENCIA DE L
FLUCTUACIÓN DE LA VARIABLE Y DIFERENCIAS DE TONO DE LA ECUACIÓN GENERAL
FLUCTUACIÓN DE LA VARIABLE Y DIFERENCIAS DE TONO DE LA ECUACIÓN PARTICULAR
MARGEN ÓPTIMO
FCA
0,27
(3-10 mm)
0,6
minimo 4


0,9-2,7


FCB
0,21
(3-10)
0,2
minimo


0,6-2,1

4
FCB-FCA
0,23
(1-5 mm.)
1,2
Máximo 9


0,2-1,2


VISCOSIDAD
0,57 por cada Minuto.
(1,5 y 3,5 min.)
3,1
Minimo 1,5


0,85-2


TENSIÓN DE PANTALLA
0,0756557 POR
(10-25 N/cm)
1,2
21,2 N/cm.

CADA N/cm.
0,7-1,9


ÁNGULO
0,0530814 por Grado.
(40-80 grados)
2
59,6°


2-4



Las diferencias de tono en una misma pieza son evidentemente pequeñas. Puede obtenerse como conclusión del presente estudio, la necesidad de reducir el valor del fuera de contacto, la necesidad de tender a utilizar tensiones de pantalla altas tal y como recomiendan algunos autores y la necesidad de limitar fluctuaciones debidas a la fluidez de la tinta, cuyos valores deben estar entre uno y dos minutos.

4. CONCLUSIONES

Se obtiene como conclusión las ecuaciones siguientes, con su grado de significación. Las ecuaciones son válidas todas ellas, siendo necesario indicar que en las que aparece un sólo parámetro han sido tomadas manteniendo constante el resto.

El efecto sobre el tono de referencia se ajusta a modelos lineales en el tramo de variación de los parámetros usados en la experiencia.

Ello no quiere decir que los modelos sean lineales y por tanto que sea imposible la obtención de puntos óptimos, sino que entre los valores de uso más frecuente a nivel industrial, las variaciones que repercuten sobre el tono son lineales.

La cuantía de dichas variaciones para cada factor puede ser deducida de la tabla, y en todos los casos la influencia de cada factor es significativa.

Existe no obstante un porcentaje de variación productivo no descrito en el modelo, y que no puede ser evaluado ni con los datos ni con la experiencia realizada, pero las ecuaciones presentadas llegan a justificar el 99% de la variabilidad, lo que indica que se ha localizado una importante fuente de variación del tono obtenido por la impresión serigráfica.
Como conclusiones podemos indicar tanto las fórmulas anteriores as como las siguientes consideraciones:
* El "fuera de contacto" es el parámetro más relevante en la variación del tono de las piezas. Un incremento de dicho valor produce un decremento del valor de L.
* El efecto de un incremento del "fuera de contacto" suele estar motivado por una menor tensión en la pantalla de serigrafía. Dichos valores compensan las variaciones en el tono.
* El aumento de la viscosidad produce un descenso del valor de L.
* Existe un valor de ángulo de la espátula cercano al cual las variaciones producidas por este sobre el tono son mínimas. Dicho valor es de 76,4°.
* Existe una relación entre la tensión de la pantalla y la viscosidad de la tinta que afectan a las variaciones del tono impreso.
