MéTODO Y DISPOSITIVO DE CONTROL AUTOMáTICO DE LA DENSIDAD APARENTE DE PIEZAS CERáMICAS

OBJETO DE LA INVENCIóN

La presente invención, tal y como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un método y dispositivo de control automático de la densidad aparente de piezas cerámicas cuya finalidad consiste en mantener constante la densidad aparente de los soportes de las baldosas cerámicas conformadas industrialmente. La medida en continuo de la humedad y presión máxima de compactación de las baldosas cerámicas permite conocer su densidad aparente en seco, ya que las tres variables están relacionadas matemáticamente por un diagrama de compactación. A partir de esta relación se calcula la presión necesaria para mantener constante la densidad aparente en seco. Este valor se alimenta al sistema de control de la correspondiente prensa, modificando su funcionamiento en caso necesario.

ANTECENTES DE LA INVENCIóN Numerosos trabajos desarrollados por la Asociación de Investigación de las Industrias Cerámicas (AICE) concertada con la Universidad Jaume I para constituir el Instituto Mixto de Tecnología Cerámica (en adelante ITC) establecieron que la porosidad de los soportes cerámicos recién prensados es la variable que gobierna su comportamiento durante las etapas del proceso de fabricación (secado, decoración, cocción, etc.) . La variable macroscópica directamente relacionada con la porosidad de las piezas es la densidad aparente de la pieza seca o densidad aparente en seco. En distintas publicaciones del ITC se establece que, para un polvo dado, las variables industriales que determinan la densidad aparente en seco (D _ap ) de los soportes prensados son: el contenido en humedad del polvo

(H) y la presión máxima de prensado (P) , relacionadas mediante el diagrama de compactación:

D _ap = (m H + b ) log(P) + M H + B Ecuación 1

_ p _ donde m, b, M y B son parámetros empíricos relacionados con la naturaleza el polvo que se prensa.

Estos conocimientos dieron lugar a tesis doctorales, numerosas publicaciones en revistas científicas especializadas y diversas comunicaciones en Congresos, de los cuales se citan, al final de este apartado, los más relevantes (1 a 16) .

Puesta de manifiesto la extraordinaria importancia de la densidad aparente en el control del proceso de producción de baldosas cerámicas, en el ITC se desarrolló un método de medida de esta variable por inmersión de trozos de piezas en mercurio (17) , que fue patentado por el propio Instituto (P0531109) y cuyo uso se extendió rápidamente a todas las empresas fabricantes de baldosas cerámicas. Este procedimiento es la base del método actual de control de la operación de prensado en todas las plantas de fabricación de baldosas cerámicas (18) . El método consiste en el muestreo manual del flujo de baldosas por parte de un operador que tras su fragmentación, pesada, secado e inmersión en mercurio, determina la densidad aparente de la pieza. La utilización de este sistema ha permitido controlar, de manera discontinua, el proceso de producción de las baldosas cerámicas durante los últimos 20 años

Posteriormente se realizaron mejoras y adaptaciones al uso industrial de este procedimiento que dieron lugar a otras patentes (P92022102, ES2005099 , ES20099633 y ES2009165). Sin embargo, el método es destructivo y manual, adolece de la lentitud e imprecisión inherente a la actuación humana y puede resultar peligroso para la salud de los operarios que lo aplican, debido a la necesidad de utilizar mercurio para su realización.

Aunque ha habido intentos de mejorar el actual sistema de medida de la densidad aparente, sobre todo en seguridad, rapidez y fiabilidad ((19 y 20) y patentes P200202749, P9702478, EP0936457, CN2450661U) , los métodos existentes, incluso los que no emplean mercurio, siguen siendo

discontinuos, destructivos y lentos, por lo que no permiten el control automático de la operación de prensado.

La práctica industrial requiere de un método continuo, preciso, rápido y, a ser posible, no destructivo y seguro. En esta línea se conocen dos patentes (P9102499 y P9501767) . En ambos casos el método se basa en la utilización de los diagramas de compactación (Ecuación 1). En la primera patente se estima la distribución de la densidad aparente de la pieza a partir de la medida de la presión en el interior del alvéolo donde se realiza la compactación de la misma (21 y 22) . En el segundo caso, el sistema estima la densidad aparente de las piezas húmedas recién compactadas

(densidad aparente en verde) , a partir de la medida de la humedad sobre el polvo de prensas y de la presión máxima de compactación.

La densidad aparente de las piezas secas (densidad aparente en seco) depende, para un polvo determinado, de la humedad del polvo y de la presión máxima de prensado de acuerdo con los diagramas de compactación (Ecuación i). En la práctica industrial, la presión máxima de compactación puede mantenerse constante con relativa facilidad pero las variaciones de humedad del polvo de prensas son habituales y difíciles de evitar. Como resultado final se obtienen piezas con distinta densidad aparente en seco, que se comportan de manera distinta en el proceso de producción y, lo que es más importante, darán lugar a baldosas con tamaño final distinto.

Referencias más relevantes;

Tesis doctorales presentadas por personal de ITC

(1) Pastas cerámicas para pavimentos de monococción.

Influencia de las variables de prensado sobre las propiedades de las piezas en crudo y sobre su comportamiento durante el prensado y la cocción.

José Luis Amorós Albaro. Noviembre de 1987.

(2) Succión de líquidos en baldosas cerámicas porosas. Relación entre las características microestructurales de la pieza y el fenómeno de succión. Vicente Beltrán Porcar. Diciembre de 1988.

(3) Mecanismo de la formación y cinética de la oxidación del corazón negro durante la cocción de piezas cerámicas.

Francisco Negre Medall. Marzo de 1989 (4) Efecto de las condiciones de operación, en las distintas etapas del proceso, sobre las propiedades y características del pavimento de muy baja porosidad. Vicente Bagan Vargas. Julio de 1991

(5) Sinterización de piezas de pavimento gresificado. María José Orts Tari. Septiembre de 1991.

Publicaciones en revistas científicas especializadas de trabajos realizados en el ITC

(6) Variables en la compactación de soportes cerámicos de pavimento y revestimiento

Amorós, J.L.; Blasco, A.; Enrique, J.E.; Beltrán, V. ; Escardino, A.

(7) Estudio de la compactación de soportes cerámicos (bizcochos) de pavimento y revestimiento. II. Influencia de la presión y humedad de prensado.

Amorós J.L.; Beltrán, V.; Negre, F.; Escardino, A. Bol. Boc. Esp. Ceram. Vidr. 22 (1) , 8-18, 1983.

(8) Estudio de pastas de gres para pavimentos Escardino A.; Amorós, J.L. ; Enrique. J.E. Bol. Soc. Esp. Ceram. Vidr., 20 (1) , 17-24, 1981

(9) Acuerdo esmalte-soporte (I) Causas y factores de los que depende

Amorós, J.L.; Negre, F.; Belda, A.; Sánchez, E. Técnica Cerámica, 178, 582-292, 1989. (10) El diagrama de gresificación en la fabricación de

pavimentos de gres

Escardino, A.; Amorós, J.L. ; Enrique, J.E. Ceram. Información, 84_, 211-220, 1981.

(11) Pastas de gres de monococcion. Influencia de las variables del proceso en la calidad del producto acabado

Amorós, J.L.; Blasco, A.; Beltrán, V.; Negre, F.;

Arrebola,C.

Técnica Cerámica, 120, 1368-1384, 1984

(12) La operación de prensado en la fabricación de pavimentos por monococcion. I. Influencia del polvo de prensas sobre las propiedades de las piezas en crudo Amorós, J.L.; Bagan, V.; Orts, M.J.; Escardino, A. Bol. Soc. Esp. Ceram. Vidr. , 27 (5) , 273-282, 1988.

(13) La operación de prensado en la fabricación de pavimentos por monococcion. II. Influencia de la naturaleza del polvo de prensas sobre las propiedades de las piezas de cocido

Amorós, J.L.; Moreno, A.; Orts, M.J.; Escardino, A.

Bol. Soc. Esp. Ceram. Vidr., 29 (3) , 1990. (14) Liquid Suction by Porous Ceramic

Beltrán, V.; Escardino, A.; FeIíu, C; Rodrigo, M ^a . D. Br. Ceram. Trans. J., 87, 64-69, 1988.

Comunicaciones a Congresos de trabajos realizados en el ITC (15) Relación entre las variables de prensado y la velocidad de secado de la pieza moldeada

Amorós, J.L.; Escardino, A.; Gallego, A.; Vaello, A..

XXVII Reunión anual de la Sociedad Española de Cerámica y

Vidrio Mérida (España) 24 - 27 Mayo 1987 (16) Cinética de la oxidación de la materia orgánica en productos cerámicos prensados Beltrán, V.; Escardino, A.; Amorós, J.L.

Actas del I Congreso Iberoamericano de Cerámica, Vidrio y Refractarios (S.E.C.V.), VoI. I, 317-326 (1983)

Otras publicaciones

(17) Técnicas experimentales de control de la compactación de pavimentos y revestimientos cerámicos

Amorós, J.L.; Beltrán, V.; Blasco, A.; Felíu, C; Sancho- Tello, M.

Técnica Cerámica 116m 1234-1246, 1983.

(18) Control de la compactación durante el proceso de fabricación de pavimentos y revestimientos cerámicos Amorós, J.L.; Escardino, A.; Beltrán, V.; Enrique, J.E. Técnica Cerámica, 118, 1307-1314, 1983.

(19) Procedure for measuring the bulk density of ceramic materials without using mercury

Agramunt, J.V. ; Almela, V.; Cantavella, V.; Enrique, J.E.; Felíu, C. Tile Brick Int., 11 (4) , 245-250.

(20) Alternatives to immersion in mercury for determining tile bulk density

Enrique, J.E.; García, J.; Amorós, J.L.; Beltrán, V. Interceram, 47 (1) , 12-17, 1998. (21) Experimental study of the determination of dry compaction of ware shaped by unidirectional pressing, in continuos operation and in true time. Blasco, A. ;Llorens, D.;Mallol, G.;Monfort, E. Tile Sc Brick International, 8(6) , 424-438, 1992. (22) Studio della dinámica del ciclo di pressatura e della sua influenza sulla compattazione di piastrelle di cerámica attraverso la sensorizzazione di una pressa industríale

F.Negre; G.Mallol; M.Monzó; E.Monfort; J.Sánchez; J.Portóles Cerámica informazione, 348, 145-154, 1995

DESCRIPCIóN DE LA INVENCIóN

Para lograr los objetivos y evitar los inconvenientes indicados en apartados anteriores, se ha llevado a cabo, la invención descrita que consiste en un método y dispositivo de control automático de la densidad aparente de piezas

cerámicas que permite mantener constante la densidad aparente en seco de los soportes de las baldosas cerámicas conformados industrialmente, estando relacionadas matemáticamente las tres variables de humedad, presión máxima de compactación y densidad aparente en seco de dichos soportes mediante diagramas de compactación.

Novedosamente, según la invención, el método consiste en efectuar una medida sin contacto y en continuo de la humedad de las piezas compactadas (ya prensadas) , o del polvo de prensas utilizado en su fabricación, y a partir de ella modificar o no, automáticamente, la presión de prensado de manera que se mantenga constante la densidad aparente en seco de los soportes cerámicos recién prensados; empleándose algoritmos que describen la interdependencia entre dichas tres variables.

El dispositivo cuenta con un sensor de medida, sin contacto, y en continuo, de la humedad a la que ha sido conformada la pieza cerámica en una prensa industrial; la medida del sensor se emplea como variable en un ordenador en el que se han programado las funciones de interdependencia entre la humedad que mide el sensor y la presión que debe aplicar la prensa para que la densidad aparente en seco de la baldosa permanezca constante; encontrándose conectado el ordenador a la prensa para controlar su presión; y disponiendo el ordenador de un terminal gráfico que permite la representación de la evolución de las variables de operación, diálogo de alarmas, introducción de consignas y establecimiento de comunicaciones con el correspondiente autómata de control de la prensa y con la red industrial de datos de la correspondiente planta de fabricación.

El Método y dispositivo descritos presentan las ventajas de que permiten mantener constante el valor de la densidad aparente en seco de las piezas de una forma continua (se analiza toda la producción) , no destructiva y segura (no utiliza mercurio) . Actualmente el método de control de la prensa es manual, discontinuo y destructivo,

empleándose necesariamente mercurio para la medida de la densidad aparente.

A continuación, para facilitar una mejor comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante de la misma, se acompaña una figura única en la que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la invención.

BREVE DESCRIPCIóN DE LA FIGURA

La figura 1 representa un dispositivo de control automático de la densidad aparente de piezas cerámicas realizado según la presente invención y que emplea el método de la misma.

DESCRIPCIóN DE UN EJEMPLO DE REALIZACIóN DE LA INVENCIóN

Seguidamente se realiza una descripción de la invención, haciendo referencia a la numeración adoptada en la figura.

Así, el sistema de este ejemplo permite, a partir de la medida sin contacto y en continuo de la humedad de piezas compactadas, modificar la presión de prensado para mantener constante la densidad aparente en seco de los soportes cerámicos recién prensados.

La figura 1 representa al dispositivo y método de este ejemplo, siendo los componentes esenciales de este dispositivo una prensa de conformado de baldosas cerámicas (1) , un sistema de transporte (2) , una baldosa cerámica (3) que se encuentra sobre el sistema (2) y que acaba de salir de la prensa (1) , un sensor de humedad (4) , un ordenador (5) , un terminal gráfico de operador para la visualización de las variables de operación (6) , y una conexión (7) de comunicación entre la prensa (1) y el ordenador (5) .

La prensa (1) es una prensa hidráulica de las utilizadas comúnmente en la industria cerámica. La presión máxima aplicada sobre el polvo o barro por esta prensa es el parámetro que se ajusta continuamente y de forma automática en la invención, a fin de mantener constante la compactación para contrarrestar las fluctuaciones de humedad del polvo de

prensa .

El sistema de transporte (2) consiste en un sistema de transporte de correas motorizadas y su función consiste en desplazar las baldosas conformadas desde la prensa (1) hacia una máquina de secado, siendo también convencional este sistema de transporte (2) .

La baldosa (3) es la baldosa cerámica recién prensada sobre la que se mide la humedad de forma continua. La medida de la humedad puede realizarse sobre el polvo de prensa (en distintos puntos previos al conformado) o sobre la pieza recién prensada (después del conformado) , siendo este segundo caso el del presente ejemplo.

La medida sobre el polvo de prensas puede llevarse a cabo cuando el polvo se introduce en la tolva de alimentación de la prensa o en la propia tolva de alimentación. En ambos casos, previos al conformado, existen inconvenientes importantes con respecto a la medida de la humedad sobre la pieza compactada:

- Si la medida se realiza en el punto de alimentación del polvo a la tolva, se produce un desfase temporal entre la medida de humedad y el momento en que el polvo es compactado. Este desfase depende del tamaño de la tolva y de los paros que se produzcan en la prensa, y puede ser de una duración que vaya desde unos pocos minutos hasta varias horas. Durante los períodos de paro la humedad del polvo disminuye y, en consecuencia, la humedad medida no se corresponde con la que tiene el polvo en el momento de su conformado.

- Si se mide la humedad cuando el polvo se encuentra en la tolva de alimentación, se reduce el desfase temporal entre la realización de la medida y el prensado del mismo con respecto al caso anterior, pero se requiere un sistema mecánico de muestreo del polvo desde la tolva y otro sistema mecánico de devolución, del mismo al tolvín de la prensa. Este conjunto de partes mecánicas complica el sistema de medida, ya que incorpora dispositivos adicionales,

necesarios y normalmente no disponibles (que hay que construir a medida) y, además, requiere de un mantenimiento continuado del mismo.

En el método descrito y probado industrialmente del presente ejemplo, la medida de la humedad se realiza directamente sobre la pieza recién compactada. Este hecho simplifica la propia medida de la humedad y, lo que es más importante, elimina las diferencias temporales entre la medida de la humedad del polvo y la aplicación de la presión sobre el mismo, aumentando la fiabilidad del sistema y convirtiéndolo en un sistema a tiempo real.

El sensor (4) de la figura 1 es un sensor de humedad, normalmente de tipo electro-óptico basado en la absorción de infrarrojos por parte del agua contenida en la matriz cerámica del polvo compactado en longitudes de ondas definidas. Para la implementación del sistema de control de este ejemplo son utilizables sensores de humedad basados en diferentes principios físicos tales como la absorción de ultrasonidos, la absorción-reflexión de microondas por radiofrencuencia, la modificación de la capacidad entre dos placas de un condensador eléctrico, la absorción de un haz de neutrones u otros métodos de medida sin contacto directo con la humedad. El fundamento de la invención, y del presente ejemplo no lo constituye el principio de medida de la humedad, sino la utilización de la propia medida de humedad como variable que permitirá, tras su procesado en una unidad de cálculo que contiene el correspondiente diagrama de compactación, modificar de forma automática la presión máxima de prensado para mantener constante la densidad aparente de la pieza.

El ordenador (5) es un ordenador en el que se han programado las funciones de interdependencia entre la humedad medida por el sensor (4) y la presión máxima que debe de ser ejercida por la prensa (1) a fin de mantener constante la densidad aparente en seco de las baldosas de forma independiente a las fluctuaciones de humedad del polvo

de prensas que forma la materia de las baldosas que se fabrican.

Con la referencia (6) de la figura 1 se esquematiza un terminal gráfico de operador en el que se representa la evolución de las diferentes variables de operación, el diálogo de alarmas y la introducción de las consignas que desean ser mantenidas constantes. A través de este terminal gráfico (6) se establecen las comunicaciones con el autómata de control de la prensa (1) y con la red industrial de datos de la planta de fabricación.

Con la referencia (7) de la figura 1 se representa la comunicación entre el ordenador (5) y la prensa (1) . A través de las líneas de esta comunicación (7) se produce el flujo de información necesario para materializar el control automático de la prensa (1) .

El método y dispositivo descrito en este ejemplo permite mantener constante la densidad aparente de la pieza seca o densidad aparente en seco, cuyo valor, directamente relacionado con su porosidad, condiciona su comportamiento durante el proceso productivo y define el tamaño final de las piezas.

Cualquier sistema basado en el control de la densidad aparente de la pieza húmeda (densidad aparente en verde) no permite alcanzar el objetivo final. Aún manteniendo constante la densidad aparente en verde de las piezas, si se modifica la humedad del polvo de prensas (situación muy habitual en la realidad industrial) , se producirán fluctuaciones en la densidad aparente en seco. Esta situación conducirá a diferencias en el comportamiento de las piezas durante su fabricación. La contracción de cocción de las mismas será distinta y, por tanto, su tamaño final, dando lugar a defectos en el producto acabado (comúnmente denominados "calibres") , aún manteniéndose constante la densidad aparente en verde. El método descrito en esta patente, ha demostrado su robustez en condiciones de trabajo continuo permitiendo

estrechar las fluctuaciones del tamaño final de las piezas y, en ocasiones, eliminarlas completamente, dando como resultado la obtención de piezas de tamaño (calibre) único y una considerable optimización del proceso de fabricación.