LAS MICROONDAS COMO UNA ALTERNATIVA PARA EL SECADO ...

Suplemento de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales 2009; S1 (1): 427-432LAS MICROONDAS COMO UNA ALTERNATIVA PARA EL SECADO DE MATERIALESCERÁMICOS TRADICIONALESCarolina Cárdenas 1 , Ramiro Restrepo 1 , Jorge García-Sucerquia 1 , Jairo Marin 1 , Claudia García 1*Este artículo forma parte del “Volumen Suplemento” S1 de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales(RLMM). Los suplementos de la RLMM son números especiales de la revista dedicados a publicar memorias decongresos. Este suplemento constituye las memorias del congreso “X Iberoamericano de Metalurgia y Materiales (XIBEROMET)” celebrado en Cartagena, Colombia, del 13 al 17 de Octubre de 2008.La selección y arbitraje de los trabajos que aparecen en este suplemento fue responsabilidad del ComitéOrganizador del X IBEROMET, quien nombró una comisión ad-hoc para este fin (véase editorial de estesuplemento).La RLMM no sometió estos artículos al proceso regular de arbitraje que utiliza la revista para los números regularesde la misma.Se recomendó el uso de las “Instrucciones para Autores” establecidas por la RLMM para la elaboración de losartículos. No obstante, la revisión principal del formato de los artículos que aparecen en este suplemento fueresponsabilidad del Comité Organizador del X IBEROMET.0255-6952 ©2009 Universidad Simón Bolívar (Venezuela) 425

Suplemento de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales 2009; S1 (1): 427-432LAS MICROONDAS COMO UNA ALTERNATIVA PARA EL SECADO DE MATERIALESCERÁMICOS TRADICIONALESCarolina Cárdenas 1 , Ramiro Restrepo 1 , Jorge García-Sucerquia 1 , Jairo Marin 1 , Claudia García 1*Universidad Nacional de Colombia. Medellín, Colombia.1 : Escuela de Física, Grupo de Cerámicos y Vítreos* E-mail: cpgarcia@unalmed.edu.coTrabajos presentados en el X CONGRESO IBEROAMERICANO DE METALURGIA Y MATERIALES IBEROMETCartagena de Indias (Colombia), 13 al 17 de Octubre de 2008Selección de trabajos a cargo de los organizadores del eventoPublicado On-Line el 20-Jul-2009Disponible en: www.polimeros.labb.usb.ve/RLMM/home.htmlResumenEn el presente trabajo, se lleva a cabo un análisis comparativo de las ventajas y desventajas que se presentan alutilizar microondas para secar un material cerámico tradicional conformado por extrusión, en comparación con el secadoconvencional. La caracterización del proceso de secado de las piezas se obtiene a partir de las curvas de Bigot, las cualesse realizan para los dos métodos. Las muestras secas y cocidas a 1000°C se sometieron a pruebas que valoran suspropiedades mecánicas. El estudio de las propiedades mecánicas se evalúa por medio de pruebas de esfuerzo-deformación.Palabras Claves: Cerámica tradicional, Secado convencional, Secado por microondas.AbstractIn this work a comparative analysis is carried out in order to analyze the advantages and disadvantages that arise asthe microwave and conventional process are used in order to dry a traditional ceramic which is formed by extrusion. Thecharacterization of the drying process the ceramic pieces is obtained from Bigot curves which are performed by using theboth drying methods of ceramic materials. Samples dried and fired at 1000°C were underwent tests in order to determinetheir mechanical properties. The study of the mechanical properties is evaluated by means of the compression testKeywords: Traditional ceramics, Conventional drying, Microwave drying.1. INTRODUCCIONEl secado es una de las operaciones másimportantes en el proceso de producción decerámica tradicional, tanto desde el punto de vistade la calidad del producto final como en el aspectoeconómico, debido al consumo energéticoinvolucrado para llevarlo a cabo [1]. En losprocesos convencionales de secado, no es posibleacelerar el proceso de secado, debido a que laremoción muy rápida del agua de amasado puededar lugar a una inversión del gradiente de humedady a la aparición de defectos asociados con perfilesno uniformes de humedad, tales comocontracciones diferenciales [2]. El proceso desecado convencional tiene muchas limitacionesdebidas al tiempo requerido, al alto costo de laenergía, a los grandes requerimientos de espacio, ala baja eficiencia en la producción y a la utilizaciónde gran cantidad de mano de obra. Todos estosfactores incrementan los costos de producción, locual no favorece la economía de mercado de lasempresas de cerámica tradicional. Adicionalmente,una amenaza más para las industrias que utilizan elsecado convencional, la constituye la poluciónambiental generada por los combustibles fósilesque se utilizan para la cocción de los productos,cuyo calor residual es comúnmente usado para elsecado [2]. Por lo anterior, es necesario desarrollarun método de secado más rápido, eficiente yamigable con el medio ambiente que reemplace latecnología existente, de tal forma que haga a lasempresas más competitivas.En la actualidad, el secado de materiales medianteel uso de microondas, se ha convertido en uno delos métodos más llamativos y exitosos debido a laspotenciales ventajas asociadas con la razón costobeneficioque se pueden lograr [3]. Las microondasson ondas electromagnéticas con frecuencias0255-6952 ©2009 Universidad Simón Bolívar (Venezuela) 427

Cárdenas et al.localizadas en la región del espectro en la bandacomprendida entre los 300 MHz y los 300GHz,siendo la frecuencia comercial más comúnmenteusada la de 2.45GHz cuya longitud de ondacorrespondiente es de 122.4mm. Las microondas segeneran por medio de un magnetrón, el cual esbásicamente un tubo alimentado por un circuitoelectrónico capaz de transformar la energíaeléctrica de frecuencia industrial en energíaelectromagnética. El uso de las microondas enmateriales constituidos por moléculas polares comoel agua, permiten que la radiación electromagnéticapenetre los cuerpos, generando un calentamientocasi instantáneo de las piezas según sea su tamaño,pero sin importar su morfología; ello contrasta conel calentamiento convencional, en el que el calor setransporta de la superficie al interior a unavelocidad de 10 a 20 veces más lenta [1]. En losúltimos años, las microondas han ganadoimportancia en el procesamiento y sinterización demateriales cerámicos, debido a su rápidocalentamiento, lo cual favorece la cinética de lasreacciones [4]. En el presente trabajo, se comparanlas ventajas y desventajas de la utilización de lasmicroondas en los procesos de secado de piezas demateriales arcillosos producidas por extrusión. Losresultados indican que la utilización de lasmicroondas reduce los tiempos de secado a un 33% y que la resistencia mecánica a la compresión delas muestras secadas por microondas es equivalentea la de las muestras secadas convencionalmente.1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL1.1 MaterialesLa materia prima empleada fue una arcilla rojasuministrada por la ladrillera Alfarera PuebloViejo, de Amagá, municipio de Antioquia. Laarcilla se secó a temperatura ambiente y se disgregócon un molino manual para luego continuar con elprocesamiento de la pasta cerámica en la extrusora.La caracterización mineralógica de la pasta serealizó mediante un DRX con un equipo RigakuMiniflex. Se empleó una lámpara de cobre y unrango de medición de muestras entre 3 y 60° conuna velocidad de escaneo de 2° por minuto.1.2 Fabricación de las probetasLas probetas se conformaron por extrusión,utilizando una extrusora de laboratorio, con unaboquilla en forma de paralelepípedo de 36 mm x 26mm, cortando el material extruido cada 10 cm. Seutilizaron 4 Kg de pasta por cada 10 probetas,cantidad mínima necesaria para llenar la cámara dela extrusora. La pasta se amasó y homogeneizó conun 22% de humedad. Luego de la extrusión, lasprobetas se pesaron con una balanza digitalNavigator Ohaus con un error de 0,01gr y semidieron todas sus dimensiones con un calibradorMitutoyo con un error de 0,01mm. La pastacerámica fue extruida dos veces antes de pasar a laetapa de secado. Finalmente, se obtuvieron 60probetas.SecadoLa mitad de las probetas extruidas se sometió a unsecado convencional en una estufa eléctrica marcaBinder de 0.8 KW de potencia y cuya cavidadinterior tiene dimensiones de 40cm x 20cm x 25cm.Las probetas se secaron a una temperatura de100°C hasta alcanzar peso constante. Cada hora seregistraron las medidas de las dimensiones y lospesos de las probetas. La otra mitad de las probetasfue sometida a un secado por microondas en unhorno de uso doméstico LG Intelowave modeloMS-12427K, utilizando una potencia de 120W.Durante el secado, a intervalos de 10 minutos, seregistraron las medidas de las dimensiones y lospesos de las probetas hasta que alcanzaron pesoconstante. Inicialmente las dimensiones y el pesode las probetas en ambos tipos de secado semidieron cada 10 minutos pero, en el caso delsecado convencional, sólo se apreciaron cambiossignificativos cada hora.Luego del proceso de secado, 5 probetas secadasconvencionalmente y 5 secadas por microondas, sesometieron a la curva de cocción, con temperaturamáxima 1000°C, que se ilustra en la figura 1.Temperatura (°C)12001000800600400200Rampa de cocción00 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30Ti e m po(Hr)Figura 1. Curva de cocción seguida para las muestrassecadas tradicionalmente y vía microondas428 Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2009; S1 (1): 427-432

Las microondas como una alternativa para el secado de materiales cerámicos1.3 Curvas de BigotCon el propósito de determinar cuanuniformemente se llevó a cabo la fase de secado decada pieza cerámica, vía microondas y víatradicional, y a la vez contrastar la influencia decada método en esta fase, se construyeron lascurvas de Bigot [5, 6] para cada uno de los métodosempleados.Los promedios de los valores del porcentaje dehumedad en las probetas, (ecuación 1), y elporcentaje de contracción volumétrica, (ecuación2), se calcularon para las respectivas probetascorrespondientes a ambos tipos de secado.mi mf% Humedad = − x100(1)msiendo:m i : masa inicialm f : masa finaliLa contracción volumétrica porcentual se define como:Vi −Vf% ContracciónVol = x100(2)Visiendo: V i : volumen inicialV f : volumen final1.4 Ensayo de Resistencia MecánicaTanto las probetas secadas, como las cocidas a1000°C, se sometieron a un ensayo de resistencia ala compresión empleando un tensómetro tipo WMonsanto. La resistencia de las probetas fueevaluada mediante la ecuación (3), donde la fuerza,F, está dada en [Kg-F] y el área transversal, A, en[cm 2 ].Fσ =(3)A2. RESULTADOS Y DISCUSIÓN2.1 Caracterización de la muestraEn la Fig.2 se presenta el difractograma de rayos Xobtenido para la pasta cerámica. Se identificanclaramente las fases caolinita, cuarzo e illita, comocomponentes cristalinos de la muestra.Intensidad(cuentas/seg)500450400350300250200150100500IKKQIDRXQIQ: Cuarzo SiO2K: Caolinita Al2Si2O5(OH)4I: illita K0.88Al2[Al0.88Si3.12O10](OH)20 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 652θ(°)Figura 2. DRX de la pasta arcillosa utilizada para lapreparación de las probetas.2.2 Tiempo de SecadoEn la Fig. 3 se muestra la evolución de la variaciónporcentual de humedad con el tiempo, tanto paralas piezas secadas mediante microondas como paralas piezas secadas mediante la técnica tradicional.% HUMEDAD15105BABSECADOMICROONDASCC00 2 4 6 8 10TIEMPO DE SECADO (H)VELOCIDAD DE SECADO (% HUMEDAD/H)I1086420QSECADO MICROONDAS0 2 4 6 8 10TIEMPO (H)SECADOCONVENCIONALQSECADO CONVENCIONALFigura 3. Curvas de porcentajes de humedad en lasprobetas vs. tiempo de estadía en los respectivos hornos.Claramente se puede observar de las gráficas, queel porcentaje de humedad eliminado por unidad detiempo es fuertemente dependiente del sistema desecado que se utilice, encontrándose que elporcentaje de humedad disminuye desde un 17%,en t=0 horas hasta 0% en t=3 horas para el caso delsecado por microondas, y en 10 horas para elmétodo tradicional. De la gráfica, es posibleestablecer, sin importar el mecanismo utilizado, laexistencia de dos regiones bien definidas y coninterpretaciones diferentes. La primeracorresponde al tramo A-B, caracterizado por elvalor constante de la velocidad de secado y lasegunda corresponde al tramo B-C asociado con undecrecimiento de la velocidad de secado, ya que lapendiente en esta porción de la curva estáRev. LatinAm. Metal. Mater. 2009; S1 (1): 427-432 429

Cárdenas et al.disminuyendo (como puede observarse en lagráfica auxiliar). Cada uno de estos tramos describelas dos diferentes etapas en que puede dividirse lafase de secado, las cuales están asociadas con laeliminación de agua libre (tramo A-B) y del aguade poro (tramo B-C). El valor de la pendiente dela curva de secado por microondas entre A y B,PA→ B( MW) = 9.1[%Humedad/hora], con relaciónal valor de la pendiente obtenida por secadoconvencional PA→ B( C) = 2.4 [%Humedad/hora],demuestra que el rendimiento alcanzado durante lafase de secado usando microondas excede en casiun 65% al alcanzado por el método convencional.Estos resultados son una consecuencia del carácterdipolar de la molécula de agua que, la cual bajo lainfluencia de la onda electromagnética que segenera en el magnetrón, vibra energéticamente,produciendo un calentamiento uniforme de toda lapieza. De esta forma, se logra que se cree ungradiente de humedad casi constante desde elinterior hacia el exterior de la pieza, comoconsecuencia de la elevación de la presión de vaporal interior. En el caso del secado convencional,este proceso es mucho más lento debido a que laenergía térmica se propaga desde el exterior haciael interior, y sólo cuando se dan las condicionesapropiadas de presión y temperatura se inicia lamigración de humedad.Es importante resaltar que la segunda etapa desecado (tramo B-C) se inicia para un porcentaje dehumedad ligeramente mayor en el caso de lasmicroondas, debido a que con este método laspartículas arcillosas pueden llegar a entrar encontacto más rápidamente. Nótese que a partir delpunto B las pendientes de las curvas decrecenlentamente con el tiempo, debido a que laeficiencia del secado en esta fase es mucho menorporque los diferentes capilares están cada vez máscerrados. A pesar de este hecho, se puede observarel predominio de la eficiencia en la técnica conMW, donde la ejecución de esta fase sólo toma 2horas, mientras que por secado convencional seinvierte el 60% del tiempo total que corresponde a6 horas, siendo esta fase la más costosa de las dospor ser más prolongada, pues a pesar de que lavelocidad de secado puede incrementarse en elhorno, es necesario tener en cuenta que un procesomuy rápido de esta segunda fase puede conducir aun secado diferencial, donde la pieza quede seca ensu exterior pero con un alto contenido de humedaden su interior, lo que será evidenciado más tardedurante la fase de cocción a través de la apariciónde diversos defectos. En la tabla 1 se muestra unarelación comparativa de la potencia invertida parasecar una probeta por cada uno de los dos métodosque se han venido estudiando. Como se puedeobservar al secar una muestra por medio demicroondas, se gasta tan sólo el 9% de la energíaque se emplearía secando la misma probeta por lavía convencional, lo cual constiuye un ahorroeconómico significativo, además de los grandesbeneficios que se obtendrían por la baja emisión dematerial contaminante a la atmósfera.Tabla 1. Potencia invertida en el secado de una probetapara ambos tipos de mecanismosTipo de SecadoTiempoinvertido enel secadero[horas]KW-h por probetaMicroondas 3 0.072Tradicional 10 0.82.3 Curvas de BigotEn la Fig. 5 se muestran las curvas de Bigotrealizadas para el secado convencional y pormicroondas. En primer lugar, llama la atención quea pesar que las curvas de Bigot guardan estrecharelación con la granulometría de la arcilla [6], eneste trabajo se demuestra que tienen una profundadependencia con el mecanismo de secado, pues apesar que se trabajó con la misma pasta cerámica,la relación de la contracción versus la variaciónporcentual de la pérdida de humedad siguetrayectorias diferentes si se secan las piezas deforma convencional o utilizando microondas.D00 4 8 12 16% CONTRACCION430 Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2009; S1 (1): 427-432% HUMEDAD1612C84CBSECADO MICROONDASBSECADO CONVENCIONALFigura 5. Curvas de Bigot para la arcilla secadaconvencionalmente y para la arcilla secada pormicroondas.A

Las microondas como una alternativa para el secado de materiales cerámicosA partir de estas curvas, independientemente de latécnica empleada, se puede observar claramente lasdos etapas en que se divide la fase de secado ydonde cada una de ellas presenta propiedadesdiferentes. En la primera fase, tramo A-B, se puedeobservar un mayor cambio volumétrico por cada1% de humedad removida para el caso del secadopor microondas, lo cual quiere decir que paraeliminar un mismo porcentaje de humedad, hay unamayor contracción si se utilizan las microondas,que el secado convencional.El punto B, o punto crítico, el cual describe el finalde la primera fase, da información acerca delmomento en que las partículas arcillosas empiezana entrar en contacto. Constituye el punto a partir delcual se da eliminación de la humedad remanentecon una menor o casi ninguna contracción, en elcaso en que las todas las partículas arcillosas entranen contacto simultáneamente. Este punto sealcanza primero en el secado convencional,correspondiendo a una contracción en la pieza del12% mientras que en la pieza secada pormicroondas, la contracción en el punto B es del13.4%. Esto significa que cuando en el secadoconvencional se están empezando a cerrar loscapilares que facilitan el flujo de humedad desde elinterior hacia el exterior, en el proceso pormicroondas aún permanecen abiertos, lo quefacilita la eliminación del agua de poro, siendo estauna de las razones para que se obtenga una mayorvelocidad de secado mediante esta técnica. Estaventaja es significativa, ya que la eliminación delagua se realiza con menor grado de contracción y,por lo tanto, con menores posibilidades de defectos.Además, en la curva correspondiente al secadoconvencional, se puede observar que a partir delpunto B, a pesar que la contracción disminuye,nunca llega a ser cero, mientras que en el secadopor microondas, cuando la muestra alcanza 6% dehumedad relativa, la contracción se hace cero. Estoimplica que, secando por la vía convencional, estapasta manifiesta problemas muy difíciles desolventar, dado que la contracción se prolongadurante toda la fase de secado. Nótese que estadificultad también puede inferirse a partir delnotable alejamiento que sufre la curva por secadoconvencional (tramo A-B-D) de la curva de secadoideal (tramo A-B-C-D), situación que no ocurre alsecar por microondas, donde las curvas de secadoideal y experimental están más cerca la una de laotra. Al parecer, existe una profunda diferenciaproveniente del cambio de fuente de energía en elproceso de secado, ya que la misma arcilla cambiasu comportamiento en el proceso; en esta forma, unmaterial difícil de secar como el usado en este caso(deducido de la curva de Bigot obtenida por elproceso convencional), se logra secar encondiciones de mayor variación de tamaño porcada 1% de agua removida y en una tercera partedel tiempo, sin que por ello se presenten defectosde la pieza tales como estallidos o pandeos.2.4 Propiedades MecánicasLa tabla 2 resume los resultados de la resistencia ala compresión de las probetas tanto secas comoquemadas una vez tratadas con los diferentesmecanismos de secado.Tabla 2.Resistencia a la compresión en [Kg-F / cm 2 ].enprobetas secadas por microondas y convencionalmenteTipo de SecadoSecadoConvencionalSecado pormicroondasResistencia a lacompresión en secoResistencia a lacompresión luegode quema21,72 ± 3,12 77,79 ± 8,2619,62 ± 3,69 76,75 ± 8,41Al analizar los resultados podemos deducir que elmecanismo de secado no altera la resistencia a lacompresión de las piezas, así como la observaciónde las probetas tampoco evidencia defectos talescomo alabeo o estallado de las mismas. Estoimplica que al usar el secado por microondas,logrado en tiempos substancialmente menores, y apesar que en esta técnica el porcentaje decontracción es mayor para eliminar una unidad dehumedad relativa, las piezas no sufren defectos quese reflejen en sus propiedades mecánicas.3. CONCLUSIONES• El tiempo involucrado en el proceso de secadopor microondas, en ensayos de laboratorio, fueun 33% del empleado en el secadoconvencional. A nivel industrial, estopresentaría consecuencias importantes de tipoeconómico y de producción.• El método de secado varía la forma de la curvade Bigot de una arcilla, en tal forma que hacepensar que un material difícil de secar por elproceso convencional, puede secarse sinmayores contratiempos al usar microondasRev. LatinAm. Metal. Mater. 2009; S1 (1): 427-432 431

Cárdenas et al.como fuente de energía.• La resistencia a la compresión de las muestrassometidas al secado por microondas y al secadoconvencional no presentan diferenciassignificativas; esto implicaría que se puedenfabricar cerámicas tradicionales de forma máseficiente y con similares propiedadesmecánicas, mediante el uso de secado pormicroondas.Una conclusión similar a la anterior se desprendede los resultados de resistencia a la compresiónobtenidos en las probetas quemadas.4. AGRADECIMIENTOSEste trabajo se financió parcialmente con elproyecto DIME código 20101006956, del 2008.Los autores expresan su agradecimiento alLaboratorio de caracterización de materiales, de laFacultad de Minas de la Universidad Nacional sedeMedellín, por la colaboración prestada con losensayos mecánicos.5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS[1].Berteli, M.N. and Jr., A.M., Evaluation of shortcut pasta air dehydration assisted bymicrowaves as compared to the conventionaldrying process, Journal of Food Engineering,68: p. 175-183, (2005).[2].Hemanthakumariw, P.N. and Satapathy, L.N.,A Comparison of the Effects of MicrowaveVersus Conventional Drying on the MechanicalProperties Distribution of Dried GreenPorcelains, International Journal of AppliedCeramic Technology, 5(1): p. 94-100, (2008).[3].Clark, D.E., Folz, D.C., Folgar, C.E., and MorsiMahmoud, M.M. 2004.[4].Satapathy, L.N., Ramesh, P.D., Agrawal, D.,and Roy, R., Microwave synthesis of phasepure,fine silicon carbide powder, MaterialsResearch Bulletin, 40: p. 1871-1882, (2005).[5].Tari, G. and Ferreira, J.M.F., Curve di Bigot:Un metodo practico ed efficaci dicaratterizzazione di composti crudi attenuti percologgio, Ceramagia, 27: p. 363-368, (1997).[6].Fernández, M. Fabricación y control de calidadde los materiales de arcilla cocida. in SeminarioInternacional Fabricación y Control de calidadde los materiales de arcilla cocida 1990.Medellín, Colombia: LUNSA.432 Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2009; S1 (1): 427-432