Densificación y flujo de lechos de partículas de cuarzo

Abstract

Los procesos de fabricación de materiales cerámicos siempre comprenden un conjunto de operaciones básicas que tratan con sólidos pulverulentos secos o prácticamente secos, como: transporte y almacenamiento, mezclado, molienda, granulación, prensado, secado, cocción, etc.., cuyo desarrollo depende considerablemente de la fluidez del polvo.<br/>El almacenamiento de sólidos pulverulentos en silos y tolvas y su posterior descarga, pese a su aparente simpleza, es una operación básica delicada que requiere un diseño adecuado de estos equipos para evitar problemas asociados a dicha operación (segregaciones, interrupciones de flujo, etc.), que afectan a las etapas posteriores del proceso y, muy probablemente, a la calidad del producto final. El diseño de silos y tolvas, así como la optimización de muchas de las operaciones básicas que manejan polvos, requiere una adecuada caracterización de su fluidez.<br/>La industria cerámica almacena y manipula, frecuentemente en seco y sin granular, polvos constituidos por partículas irregulares, cuyo tamaño medio suele variar de unas 20 µm a 500 µm. Para estos materiales, cuya fluidez es media o alta, la información que se dispone sobre dicha propiedad y sobre su relación con las características del polvo es escasa y bastante incompleta.<br/>En vista de ello se ha considerado conveniente profundizar en el conocimiento sobre la fluidez de polvos y su relación con las características de éstos. Para ello se ha estudiado la cinética de la densificación por "tapping" de un lecho de partículas obtenido por vertido del polvo en un recipiente, así como el flujo de un lecho de polvo sometido simultáneamente a esfuerzos normales y de cizalla, puesto que ambos procesos son los más adecuados para determinar la fluidez del material.<br/>Partiendo de un polvo comercial de cuarzo, que es uno de los minerales más utilizados en la industria cerámica, se han obtenido por tamizado ocho fracciones granulométricas monomodales estrechas, de diferente tamaño medio, asegurándose de que tanto la amplitud de la distribución granulométrica como la forma de las partículas fuera prácticamente independiente de su tamaño medio. También se han preparado tres series de mezclas binarias, modificando, dentro de cada serie, la proporción de los componentes y, entre series, la razón de tamaños medios de los mismos. Se han realizado experimentos de densificación, utilizando un equipo expresamente diseñado, con vistas a determinar la influencia del tamaño medio de partícula del polvo en las fracciones monomodales, de la composición de la mezcla, en el caso de mezclas binarias, y del procedimiento de llenado, sobre las compacidades inicial y final del lecho y sobre la cinética del proceso de densificación. Se ha propuesto un modelo cinético representativo del proceso y se han obtenido buenas relaciones entre los parámetros del modelo y las variables antes mencionadas.<br/>Se ha realizado un conjunto de experimentos en una célula rotacional de cizalla para determinar la influencia, sobre la curva de fluencia y sobre la compacidad del lecho de partículas, de las condiciones de consolidación, del tamaño medio de las partículas de las fracciones monomodales y de la composición de la mezcla, en el caso de mezclas binarias. Se ha propuesto una ecuación para describir la curva de fluencia del lecho de partículas y se han obtenido buenas relaciones entre los parámetros de la ecuación y las características del lecho de polvo.<br/>Se ha determinado, para cada polvo estudiado, la función de flujo del material y el ángulo efectivo de fricción interna, a partir de las correspondientes curvas de fluencia, y se han obtenido buenas relaciones entre estas propiedades del flujo y las características del polvo.<br/>Finalmente, se comparan los diferentes índices o parámetros de flujo obtenidos experimentalmente en este estudio.