INVESTIGACI~N ESTADÍSTICA Y OPTIMIZACIÓN DE COMPOSICIONES DE FRITA CON B203 PARA ESMALTES DE MONOPOROSA

Stoyan Djambazov & Dimitar Damgaliev

University of Chemical Technology and Metallurgy,

Blvd. K1. Ohridski 8, Sofia 1756, Bulgaria

La implantación de la tecnología de cocción rápida en hornos de rodillos de mono- canal ha creado cambios importantes en el ciclo de producción y equipamiento. Las ven- tajas de esta nueva tecnología son las siguientes: Ahorro energético, la posibilidad de modificación del formato de la pieza, producción automatizada, cocción rápida, utiliza- ción de materias primas más baratas y alta calidad de producción ''1. El desarrollo de la fabricación de revestimientos cerámicos y la variedad de modelos disponibles están estrechamente relacionados con el tipo, diseño y calidad de los esmaltes utilizados. Los esmaltes utilizados hoy en día son vidrios de múltiples componentes, de alta o baja fun- dencia, con una composición variada que suelen contener principalmente SiO, y B203. El B203 forma fácilmente un vidrio en el cual tres iones de oxígeno se coordinan con cada ion de boro. Estos grupos de tres esquinas forman una red espacial continua. En los esmaltes, B203 reduce la temperatura de reblandecimiento y de fusión, disminuye la ten- sión superficial y mejora sus propiedades mecánicas y térmicas [2f3". Por otra parte, B203 influye considerablemente en las características estéticas del recubrimiento, debido a los efectos ópticos especiales causados por su incorporación [41. Los esmaltes de loza fina se cuecen en el intervalo de temperaturas desde 900 hasta 1280°C. A continuación se añaden las capas de esmaltes brillantes que pueden ser matificadas con una o más fases cristali- nas. En los últimos años, ha habido un aumento del uso de los compuestos de circonio en los vidriados.

El objetivo del presente trabajo ha sido la investigación de la dependencia de las propiedades de la frita de cobertura blanca de borato sobre las cantidades de materias pri- mas requeridas para su producción mediante la utilización de un procedimiento experi- mental normalizado, y la obtención de la composición óptima de la frita. Sin embargo, para desarrollar este procedimiento es preciso conocer la zona de formación del esmalte.

[l] N. Tozz~, Smalti Ceramici Consideration Teoricke e Practicke (Gruppo Editionale Faenza Editrice, Faenza, 1992). [2] S. STEFANOV AND S. BATCHVAROV, Smalti Ceramici (Gruppo Editionale Faenza Editrice, Faenza, 1994). [3] R. SMITH, J. Non-Cryst. Solids 84 (1986), 421. [4] S. DJAMBAZOV, N. NEDELTCHEV, Y. DIMITRIEV, Y. IVANOVA AND A. YOLEVA, ln: Borates Glassses, Crystals and Melts, Eds A.C.

Wright, S.A. Feller and A.C. Hannon (Soc. Glass. Technol., Shefheld, 1997), pp. 1-7.

Pos - 55

2. EXPERIMENTAL

2.1. MATERIAS PRIMAS

Para llevar a cabo la presente investigación se emplearon las siguientes materias pri- mas para la preparación de los esmaltes:

(i) Productos técnicos con una pureza por encima del 98%: nitrato sódico, óxido de cinc, ácido bórico, bórax;

(ii) Materias primas naturales: feldespato, circón, caliza, caolín, dolomita y arena de cuarzo.

2.2. DISEÑO DEL PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

El diseño experimental se realizó con el método de McLean y Anderson [5]. Se variaron 6 componentes. La composición base de la frita se presenta en la tabla 1 en por- centajes en peso.

Tabla 1. Composición base de la pita.

l . 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

El porcentaje total de los componentes variables es constante al 34% y en la tabla se presenta su intervalo. Se ha establecido un procedimiento optimizado preciso y secuen- cial para las series de ensayos experimentales.

2.3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

2.3.1. Preparación de las probetas

Componentes variados y constantes Constante Constante 1 2 3 4 Constante 5 6 Constante

Materia prima Feldespato Acido bórico Bórax Caliza Circón Oxido de cinc Arena de cuarzo Nitrato sódico Caolín Dolomita Suma total

Se han realizado 30 ensayos experimentales bajo condiciones industriales para obte- ner 30 composiciones de frita para piezas de revestimiento de monoporosa. Para cada serie de ensayos se realizó la fusión de 5 kg de frita en un horno de gas a 1450°Cdurante 2 horas. Las fritas obtenidas fueron granuladas mediante enfriamiento rápido en agua fría. Después de la molturación en húmedo de las fritas conjuntamente con los aditivos

Porcentaje 25% 6% 5-20% 5-15% 8-15% O- 10% 30% 1-7% O-8% 5% 100%

[5] S. STOYANOV, Optimisation of technological objects (Technika, Sofia, 1983). [6] 1. WUCHKOV AND CH. YONCHEV, Design and experimental analysis of mixture properties investigations (Technika, Sofia, 1979).

en molinos rápidos de bolas, se obtuvieron las suspensiones acuosas de las barbotinas de esmalte. Se utilizó un caolín enriquecido para todos los esmaltes investigados en una can- tidad del 8% como aditivo de molienda. Los esmaltes han sido molturados hasta pasar por un tamiz de apertura de malla de 10.000. La aplicación del esmalte se realizó por pul- verización sobre piezas prensadas en crudo de 250 x 200 mm, con cocción a continuación de las piezas a 1050°Cen un horno de rodillos durante 62 min.

2.3.2. Determinación de las propiedades del esmalte

Se han investigado las siguientes propiedades de las fritas: viscosidad, coeficiente de dilatación térmica, temperatura de reblandecimiento y temperatura de transformación del vidrio. La comparación de la viscosidad de la frita en el intervalo de fusión se realizó a una temperatura de llOO°C mediante la medición de la longitud de flujo de la frita en ranuras cerámicas sin esmaltar con pendiente, con una longitud de 90 mm, 12mm de anchura y 4 mm de profundidad. Se realizó la determinación del coeficiente de dilatación térmica, temperatura de reblandecimiento y temperatura de transformación del vidrio, con un equipo Hench. Las propiedades del vidriado obtenido - brillo, flujo y cobertura - fueron determinadas por opinión experta mientras que la blancura del vidriado de las piezas cerámicas se midió con un aparato de Carl Zeiss- Jena. Se utilizó el MgO de alta pureza química como patrón.

2.3.3. Procesado de datos y construcción de los diaguamas de composición- propiedad

Los resultados experimentales fueron procesados mediante análisis de regresión. Se han utilizado modelos polinomios de segunda orden con un programa de ordenador de DESIGN EXPERT. Se utilizaron los modelos para realizar una optimización multicriterio en base a una función de deseabilidad. El coeficiente de deseabilidad generalizada es 0.6991. Sin embargo, la composición óptima es únicamente adecuada para la fábrica con- creta para la que se ha elaborado los modelos matemáticos y el diseño experimental. Para obtener los diagramas de composición-propiedad, se variaron los componentes de la composición de frita óptima, de forma que tres de estos mantienen sus valores óptimos mientras que los otros tres se modifican dentro de sus límites admisibles.

3. RESULTADOS

La composición de frita óptima en una zona de compromiso de formación del esmalte ha sido:

CALIZA 5.000 %

ÓXIDO DE CINC 3.373 % NITRATO SÓDICO 1.052 %

Se ha investigado la influencia de los componentes de las materias primas sobre la blancura de la superficie de vidriado con el modelo indicado anteriormente. Se han cons-

truido 20 diagramas de composición-propiedad. En las figuras 1-3 se presentan 3 diagra- mas como ejemplo, que muestran la influencia de bórax, circón y nitrato sódico sobre la blancura de los esmaltes para monoporosa.

Figura 1. Diagrama de composición-propiedad que Figura 2. Diagrama de composición-propiedad muestra la influencia de bórax en la blancura de que muestra la influencia de circón sobre la

los esmaltes para monoporosa (A - bórax, B - blancura de los esmaltes para monoporosa (A - caliza, D -óxido de cinc). bórax, B - óxido de cinc, D -nitrato sódico).

OESIGN-EXPERT Plol Response: Whi

DESIGN.EXPERT Plot

Actual conatants:

A partir de estas figuras, se puede observar que:

OESIGN-EXPERT Plot R-aponae: Whi

Uoeel: Qumaritb

Actual comnonents: 82.15 X1 - A Rorex XI - 0 Zinc oxide X3 - E Sodium nitrnte m-ga Actuu constants: 6 = 5.000 C - 1423 F r 2.157

DESIGN-EXPERT Plot

Model: Quadratic

Actual cornponmnts: X 1 - A X2 - D X f - E Actual 8 * 5.000 ~ 0 n 8 t ~ t 8 :

C - 1423 F - 2.157

1 )

La blancura aumenta con el aumen- to de la cantidad de bórax en la frita. El contenido de circón y el conteni- do de óxido de cinc influyen en gran medida sobre la blancura. Los valores máximos de blancura se obtienen con un contenido mínimo de caliza del 5%. La cantidad óptima de nitrato sódi- co en la frita es de 3-576. La presencia de caolín en la frita

Figura 3. Diagrama de composición-propiedad que tiene un efecto negativo sobre la muestra la influencia del nitrato sódico sobre la blancura del vidriado. blancura de los esmaltes para monoporosa (A -

circón, B -nitrato sódico, D - caolín).

DESIGN-EXPERT Plot Response: Whl

Model: Ouedratic

Actual cornponants: 82.04 X l = C Zircon X2 i E Sodium nitrate X3 = F Ksol in Actual constwts: A = 8.186 e = 5.000 O = 3.372

DESIGN-UPERT Plot Modsl:

RmPmn: whl

Quadratic Xl (16.4)

Actual components: X 1 i C

E:', Actual conatanto: A - 8.186 6 = 5.000 0 - 3.372

Se ha realizado una optimización multicriterio basada en una función de deseabi- lidad. Se ha desarrollado la composición óptima de la frita para esmaltes de monopo- rosa en una zona de compromiso de formación del esmalte. Se ha determinado la influencia de los componentes de las materias primas sobre las propiedades superficia- les del vidriado.