uso de la automatización para el acabado de aisladores

uso de la automatización para el acabado de aisladores

USO DE LA AUTOMATIZACIÓN PARA EL ACABADO DE
AISLADORES ELECTRICOS DE CERÁMICA TIPO 53-3
FABRICADOS CON MATERIAS PRIMAS NACIONALES
P. Flor, J. Tapia
Laboratorio y Planta Piloto de Cerámica del Departamento de Materiales.
Escuela Politécnica Nacional. Quito. Ecuador.
RESUMEN: El presente trabajo tuvo por objeto elaborar aisladores tipo 53-3 con
materia prima nacional a nivel de Planta Piloto, utilizando la automatización en el
torneado. Se partió del estudio de las materias primas nacionales realizando análisis
físicos, químicos y mineralógicos para luego ser sometidas a procesos de molienda y
purificación, para obtener materias primas finamente molidas y con bajo contenido de
hierro en su composición. Se elaboró la pasta cerámica y se realizaron pruebas físicas,
eléctricas y mecánicas a la misma, para determinar que la pasta cumpla con las
especificaciones de una porcelana eléctrica. La pasta fue amasada y madurada para pasar
al proceso de extrusado obteniendo barras cilíndricas, las mismas que fueron torneadas en
un torno automático para formar los aisladores en estudio. Los aisladores formados
fueron esmaltados y luego, sometidos al proceso de cocción en donde se definen las
características finales del aislador. A los aisladores acabados se les realizaron pruebas
electro-mecánicas bajo la norma ANSI C29.1, pruebas que determinan la calidad del
aislador obtenido. Finalmente se realizó un estudio económico para determinar el costo
de hacer un aislador en la Planta Piloto de Cerámica con los equipos y maquinaria
existentes en la misma.
ABSTRACT: This study aimed to develop 53-3 insulators in Pilot Plant, using
automation in turning. We started the study of domestic raw materials by physical,
chemical and mineralogical and then be subjected to grinding and purification processes
to obtain finely ground raw materials and low iron in their composition. The ceramic
paste was developed and tested physical, electrical and mechanical to it, to determine the
dough meets the specifications of electrical porcelain. The paste was batch of mortar and
ready to move the process of obtaining extruded cylindrical bars, they were turning on an
automatic machine to form insulators under study. The insulators were formed and then
subjected to the cooking processes which obtain the final characteristics of the insulator.
To finished insulators were tested under the electro-mechanical ANSI C29.1, for
determine the quality of the insulator obtained. Finally, an economic study was conducted
to determine the cost of doing an insulator in the Pilot Plant of Ceramic.
1.
INTRODUCCIÓN
El presente estudio es la parte final del Proyecto PIC-098 y constituye la continuación del
proyecto P-BID-088 que intenta culminar la elaboración de un bien comercial, como es el aislador
tipo 53-3 de gran utilidad para las Empresas Eléctricas del País.
La demanda de aisladores eléctricos de cerámica, es y será considerable en los próximos años,
tomando en cuenta que en el Ecuador estos bienes se importan en un 100%.
Información del Banco Central del Ecuador revela que en el año 2007 se importaron 492,96
toneladas de aisladores eléctricos a un costo FOB fue de 1 029 400,00 dólares, para el año 2009
estas cifras se duplicaron a 919,46 toneladas cuyo costo FOB ascendió a 1 702 450,00 dólares.
(Banco Central del Ecuador, 2010)
Este estudio podría significar la base para el diseño de una planta industrial que satisfaga la
demanda actual de aisladores eléctricos, incentivando además el desarrollo de la industria
electrocerámica y minera del País, aprovechando las materias primas propias de nuestro territorio y
buscando la utilidad para las empresas eléctricas del Ecuador, evitando la importación de estos
bienes y consecuentemente la salida de divisas del País.
2. METODOLOGÍA
2.1 Tratamiento de materias primas
Para la formación de aisladores de media y baja tensión, se emplearon materias primas
nacionales, que existen en el País, como se muestra es la Tabla 1.
Tabla 1. Número de minas por tipo de material en el Ecuador*
*
Tipo de Material
# de Minas
Arcilla y Caolín
39
Sílice
19
Feldespato
14
*DINAMI, 2005
En la Investigación que nos ocupa, las materias primas utilizadas fueron Arcilla Plan Milagro
proveniente de la provincia de Morona Santiago, feldespato La Ercilia proveniente de la provincia
del Bolívar y cuarzo Misahuallí proveniente de la provincia del Napo.
Para ser utilizadas en la fabricación de aisladores eléctricos de cerámica, las materias primas
deben cumplir con ciertas propiedades y requisitos, tales como: el tamaño de partículas, que no
puede ser superior a la malla # 325 ASTM; y no deben contener sobre 0,5% de hierro en su
composición.
Para lograr estas características, las materias primas nacionales mencionadas fueron sometidas a
los procesos de tamizado y eliminación de hierro, que se describen en las siguientes secciones 2.1.3
y 2.1.4 respectivamente.
En la figura 1. se muestra el mapa del Ecuador con la ubicación de las minas.
Figura 1. Mapa con la ubicación de las minas de feldespato, arcilla y sílice en el Ecuador
(DINAMI, 2005)
2.1.1
Toma de muestras y análisis de las materias primas
Para realizar un muestreo de las materias primas, estas fueron reducidas a un tamaño de partícula
menor a malla #10 ASTM, luego fueron homogenizadas para tomar una muestra representativa de
1kg de cada materia prima para su respectiva caracterización.
A cada una de las materias primas se realizaron análisis químicos y mineralógicos usando 50g de
muestra tomados de cada kg, pulverizados previamente hasta malla # 325ASTM.
Los análisis químicos fueron realizados por el Laboratorio de Tecnología Cerámica de la
Escuela Politécnica Nacional y por el Centro de Servicios y Análisis de Minerales Metálicos y No
Metálicos CESEMIN de la Universidad de Cuenca. En este análisis se determinó el porcentaje de
óxidos presentes en cada materia prima.
La tabla 2 muestra los resultados del análisis químico.
Tabla 2. Porcentaje de óxidos en las materias primas nacionales.
Óxidos
Arcilla
Plan
Milagro
Feldespato
La Ercilia
Cuarzo
Misahuallí
% SiO2
70,56
75,91
97,52
% Al2O3
19,49
15,33
0,02
% Fe2O3
1,53
0,68
0,26
% CaO
0,31
0,54
0
% MgO
0,27
0,22
0
% Na2O
0,26
6,54
1,59
% K 2O
2,3
0
0,36
% P.F.
5,31
0,79
0
De los análisis químicos se puede ver que las materias primas tienen un porcentaje considerable
de hierro en especial la arcilla, con un 1,53% de Fe2O3, siendo necesario purificar las materias
primas por separación magnética para reducir el porcentaje de hierro. Debiendo llegar a un máximo
de 0,5% en peso de Fe2O3 para ser apto para fabricar porcelana eléctrica (Blanca Avilés.2000 p,99)
y (Xavier Navarro, 2001, p, 130)
Los análisis mineralógicos fueron realizados por el Departamento de Metalurgia Extractiva
DEMEX de la Escuela Politécnica Nacional. En estos análisis se determinó los minerales presentes
en cada materia prima.
Tabla 3. Análisis mineralógico de las materias primas
Material
Fórmula
Cuarzo
Misahuallí
Arcilla Plan
Milagro
Feldespato La
Ercilia
% Cuarzo
SiO2
100,0
53,0
29,0
% Grupo
Plagioclasas
Na0.685Ca0.374Al1.46Si2.54 O8
---
23,0
65,0
(Albita,
% Spinel
MgAl2O4
---
---
---
% Moscovita
KAl2(AlSi3O10)(OH)2
---
20,0
---
% Caolinita
Al2(Si2O5)(OH)4
---
4,0
2,0
% Enstatita
MgSiO3
---
---
4,0
Este análisis permite ratificar los minerales presentes en cada material y con ello poder formular
la pasta cerámica de los aisladores como se describe en la sección 2.2.
2.1.2
Molienda
En este proceso las materias primas fueron reducidas a tamaño de partícula igual a malla #325 en
un molino de bolas cuya cámara y bolas son de alúmina para evitar una contaminación.
Se realizaron pruebas de molienda para determinar un tiempo de molienda óptimo para cada
materia prima como muestra la tabla 4.
Tabla 4. Tiempos de molienda óptimos para las materias primas
Materias primas
Tiempo de molienda
óptimo (h)
Arcilla
0,68
Feldespato
3,34
cuarzo
13,07
El tiempo de molienda óptimo es el tiempo de molienda en el cual el 20% del material molido
queda retenido en el tamiz malla #325 ASTM; luego de este tiempo el consumo de energía es
innecesario, siendo más rentable recircular el porcentaje retenido.
2.1.3
Tamizado y secado
El tamizado se lo realizó en húmedo inmediatamente después de la molienda, a través de un tamiz
de malla #325 ASTM.
Para el secado del feldespato y el cuarzo se dejaron reposar por 24 horas para que sedimenten, se
decantó el exceso de agua y se secaron en la estufa a 110o C por 5 horas para eliminar toda la
humedad.
La arcilla por ser más fina y liviana fue filtrarla en un filtro prensa para suspensiones arcillosas.
La arcilla entró al filtro prensa con un porcentaje de humedad entre el 70 y 75 % y salió con un
porcentaje de humedad entre el 20 y 25%.
Luego se secó en la estufa a 50º C por 24 horas.
En el secado las materias primas se compactaron nuevamente por lo que fue necesario
pulverizarlas en seco en el molino de bolas durante 30 min.
2.1.4
Eliminación del hierro por separación magnética
Para eliminar el hierro presente en la composición de las materias primas, se utilizó un separador
magnético, las condiciones de operación fueron:
Tamaño de partícula:
< 45micrones
Velocidad del Tambor: 180 rpm
Campo Magnético:
16 kGauss
Luego de la eliminación del hierro por separación magnética se realizó un nuevo análisis químico
para determinar la nueva concentración de hierro presente en las materias primas.
La tabla 5 muestra los resultados de los análisis de concentración de hierro de la materia prima
antes y después de pasarla por el separador magnético.
Tabla 5. Porcentaje de Fe2O3 en las materias primas antes y después de pasar por el separador magnético
Materia
prima
% de Fe2O3
antes del
separador
magnético
% de Fe2O3
después del
separador
magnético
Arcilla
1,53
0,93
Feldespato
0,68
0,41
cuarzo
0,26
0,20
Como las tres materias primas deben ser mezcladas para formar la pasta, el promedio de Fe2O3
luego de la separación magnética será de 0,51% que se halla muy cerca del valor máximo aceptado
de Fe2O3 para aisladores de cerámica
2.2 Formulación de la pasta para aisladores eléctricos
Para la formulación de la pasta cerámica se partió del diagrama triaxial para pastas cerámicas
mostrado en la figura 2 donde se determinó el porcentaje de arcilla feldespato y sílice (componente
puro del cuarzo) correspondiente a la zona de porcelana eléctrica.
Figura 2.Diagrama triaxial para porcelanas
La tabla 6 muestra la composición de una porcelana eléctrica.
Tabla 6. Pasta cerámica correspondiente a la zona de porcelana eléctrica
Material
Porcentaje
Arcilla
35
Cuarzo
35
Feldespato
30
La cantidad de arcilla, feldespato y cuarzo presentes en cada una de las materias primas se
muestra en la tabla 7.
Tabla 7. Porcentaje de arcilla, feldespato y cuarzo en cada materia prima.
Arcilla
Feldespato
Cuarzo
Plan
Milagro
La Ercilia
Misahuallí
% de
Arcilla
48,62
7,37
0.23
% de
Cuarzo
47,76
48,39
92.27
% de
Feldespato
3,62
44,24
7.49
Material
Barona, 2008
Utilizando los datos de las Tablas 6 y 7 se formulan tres ecuaciones con tres incógnitas, sistema
que al resolverlo establece los porcentajes que se requieren de cada materia prima para formular la
pasta y que se encuentran en la Tabla 8.
Tabla 8. Porcentajes de las materias primas para la pasta cerámica
Materia prima
Porcentaje
calculado
Porcentaje
en base 100
Arcilla Plan
Milagro
61,85
47,72
Cuarzo Misahuallí
-29,62
0,00
Feldespato La
Ercilia
67,77
52,28
El valor negativo del cuarzo indica que en la arcilla y feldespato hay una cantidad alta de cuarzo
por lo que no es necesario agregar cuarzo a la pasta.
2.3 Elaboración de los aisladores cerámicos por torneado.
Para el formado de los aisladores primero se procedió a amasar la pasta al 22,5% de humedad,
humedad a la cual la pasta tiene un comportamiento plástico ideal para el amasado y la extrusión.
Una vez amasada, la pasta se dejó 24 horas en una bolsa plástica bien cerrada para su maduración,
con el fin de lograr uniformidad en la humedad.
Después la pasta pasó al proceso de extrusión con el cual se logra extraer todo el aire ocluido en
la masa y compactarla, obteniendo barras cilíndricas de 9 cm de diámetro por 12 cm de longitud,
como se aprecia en la figura 3.
Luego de la obtención de las barras en el extrusor, éstas fueron sometidas a un proceso de secado
a temperatura ambiente durante 48 h, tiempo en el cual la barra alcanza la humedad óptima para el
formado del orificio central y el torneado, como se observa en la Tabla 9.
Figura 3. Barras obtenidas por extrusión
Tabla 9. Porcentaje de humedad de las barras extrusadas secadas a la intemperie y su comportamiento en el
torno.
Tiempo de
secado (h)
Humedad de la
barra despues del
secado (%)
Comportamiento de la barra en el
torneado
12
17,41
Muy húmeda
24
14,24
Muy húmeda
36
11,84
Húmeda
48
10,27
Excelente para el torneado
60
9,24
Seca
Varios artículos de sección transversal circular, como es el caso de los aisladores utilizan como
proceso de formado de la pieza, el torneado, que toma la barra en estado de dureza cuero o dureza
de queso, es decir con 10% a 16% de humedad y se los da forma en los tornos hasta adquirir su
estructura final.
El torno es una máquina de tracción humana o eléctrica, consistente en una superficie redonda y
plana solidaria a un eje vertical que se lo hace girar a una velocidad regulable entre 30 y 120 r.p.m.
aproximadamente, como se aprecia en la figura 4.
Figuras 4 barra colocada en el portamateriales del torno
La pieza a tornear se monta generalmente sobre un husillo horizontal aunque los aisladores
grandes tienen que trabajarse sobre una rueda horizontal que gire alrededor de un eje vertical.
Las herramientas de corte, cuchillas para nuestro caso que tienen en su filo el diseño y forma del
aislador a fabricar van acercándose horizontalmente sobre la barra que gira y la va desbastando
hasta dar la forma final del aislador, como se puede apreciar en la figura 5.
Figuras 5 Aislador terminado de tornear
Para nuestra investigación, se utiliza una torno automático obteniéndose en los resultados, mejor
calidad de terminado y tiempos iguales para cada aislador formado, eliminándose también
fracturas en el cilindro cerámico por falla de adiestramiento del operador, en un proceso manual,
siendo la única desventaja, el posible costo elevado del adiestramiento del personal (Predrahíta
2001)
En la Tabla 10, se mencionan las condiciones óptimas del trabajo para el torneado del aislador
cerámico.
Tabla 10. Condiciones de trabajo óptimas para el torneado
Parámetro
Velocidad de posición de
la cuchilla
Valor
Frontal
8
Lateral
6
Frontal
50
Lateral
160
Velocidad de trabajo
350o
Ángulo de la cuchilla
NOTA: Los valores de velocidad son propios del programa y no tienen ninguna unidad
El orificio central de las barras fue realizado en el taladro del Laboratorio de Mecánica de la
Escuela Politécnica Nacional, en dos fases, primero se realizó un orificio de 0.8cm de diámetro
usando una broca para acero pequeña con el fin de reducir los esfuerzos en la barra, después se usó
una broca para acero de 2.0 cm de diámetro para completar el orificio deseado.
Una vez realizado el orificio en las barras, se inició el formado de los aisladores en el torno
automático de la Planta Piloto de Cerámica de la Escuela Politécnica Nacional
Para iniciar el torneado, la barra fue colocada en el porta materiales del torno y se torneó en modo
automático, en el cual la entrada y salida de la cuchilla fueron programadas, para formar el
aislador de las dimensiones deseadas.
2.4 Ciclo de secado para los aisladores formados
Una vez torneado el aislador, fue sometido a un proceso de secado para eliminar toda el agua
restante. Este proceso debe ser estrictamente controlado para lograr eliminar toda el agua y evitar
fracturas en las piezas.
Se usó un primer ciclo de secado presentado en la tabla 11.
Tabla 11. Ciclo de secado Nº1 para aisladores
Rango de temperatura
Tiempo
(ºC)
(h : min)
De 20 a 110
4 : 00
De 110 a 110
8 : 00
Con este ciclo se ensayaron 3 aisladores para realizar el gráfico del peso de la muestra en función
del tiempo como se muestra en la figura 6, donde se puede apreciar que los aisladores secados con
el primer ciclo no eliminan toda el agua.
Figura 6. Peso de los aisladores en función del tiempo de secado, ciclo Nº1
Por la conclusión anterior se usó un nuevo ciclo de secado presentado en la tabla 12.
Tabla 12. Ciclo de secado Nº2 para aisladores
Rango de temperatura
Tiempo
(ºC)
(h : min)
De 20 a 110
5 : 00
De 110 a 110
10 : 00
De 110 a 20
5 : 00
Con este nuevo ciclo se ensayaron nuevamente tres aisladores y se realizó el gráfico del peso de
la muestra en función del tiempo como muestra la figura 7, donde se observó que toda el agua fue
eliminada, además los aisladores no sufrieron ninguna fractura.
Figura 7. Peso de los aisladores en función del tiempo de secado, ciclo No2.
Los ciclos de secado No. 1 y No. 2 referidos anteriormente fueron aplicados en una estufa
programable como se aprecia en la Figura 8.
Figura 8.: Distribución de los aisladores en la estufa
2.5 Ciclo de cocción para los aisladores formados
Para determinar el ciclo de cocción, se propuso dos ciclos y se ensayaron tres aisladores por ciclo,
los aisladores fueron inspeccionados visualmente para observar fracturas y daños en la superficie,
de esta manera se determinó el mejor ciclo de cocción.
Se partió del ciclo propuesto en la tabla 13.
Tabla 13. Ciclo de cocción para aisladores
Rango de temperatura
Tiempo
(ºC)
(h : min)
De 20 a 550
3 : 42
De 550 a 600
0 : 27
De 600 a 850
1 : 45
De 850 a 1160
3 : 43
De 1160 a 1160
1 : 00
De 1160 a 20
18 : 00
(Garzón, 2001)
Se realizó un ensayo con 3 aisladores, los cuales fueron cocidos con el ciclo propuesto, los
aisladores presentaron fracturas considerables transversales y longitudinales en los tres aisladores.
Conocedores de que a ciertas temperaturas se producen diferentes expansiones cúbicas por el
cuarzo presente, en especial entre: 220°C. y 250°C., se da el cambio de Cristobalita α a Cristobalita
β con una expansión cúbica de 5,6; entre 550°C. a 600°C. el cuarzo pasa de α a β con una
expansión cúbica de 2,4; entre 800°C. a 850°C. el cuarzo pasa de cuarzo β a Tridimita β2 con una
expansión 12,7 y que el tiempo de enfriamiento de 1160°C a 20°C. al ser más largo evita tensiones
en la pieza, se propuso un incremento de tiempos en cada intervalo.
Por lo anterior se propuso un nuevo ciclo de cocción aumentando los tiempos en cada rango de
temperatura, el nuevo ciclo se muestra en la tabla 14.
Tabla 14. Nuevo ciclo de cocción para los aisladores formados
Rango de temperatura
Tiempo
(ºC)
(h : min)
De 20 a 550
4 : 42
De 550 a 600
0 : 57
De 600 a 850
2 : 45
De 850 a 1160
4 : 43
De 1160 a 1160
1 : 00
De 1160 a 20
20 : 00
Los aisladores sometidos a este nuevo ciclo de cocción no presentaron ningún daño en el cuerpo
cerámico.
2.6 Pruebas de aplicación del esmalte en los aisladores formados
El esmalte que se usó, fue desarrollado y formulado por el Centro de Servicios y Análisis de
Minerales Metálicos y No Metálicos, CESEMIN de la Universidad de Cuenca, etapa que formó
parte del Proyecto PIC-098.
La tabla 15 presenta las materias primas y el porcentaje de cada una de ellas para la formulación
del esmalte.
Tabla 15. Formulación del esmalte para los aisladores
Materia prima
Porcentaje
Frita
82,0
Caolín
8.2
Opacificante
9,8
Una vez dosificados los componentes del esmalte se homogenizó y se determinó la densidad
óptima para el esmaltado añadiendo agua poco a poco y agitando hasta obtener una consistencia
cremosa correspondiente a una densidad de 1.65 g/cm3.
2.6.1
Aplicación del esmalte
Se realizaron pruebas de esmaltado tanto en aisladores cocidos como en aisladores crudos
2.6.1.1 Para los aisladores cocidos
Tanto por inmersión como por aspersión no se obtuvieron buenos resultados en el esmaltado,
debido a que el aislador cocido tiene una absorción de agua muy baja, el esmalte no se adhiere a la
superficie sino más bien se corre o chorrea. Los aisladores esmaltados fueron cocidos con el ciclo
de cocción Nº 2 y se observó que la capa e esmalte es muy fina y en algunas partes del cuerpo
cerámico no tenía esmalte.
2.6.1.2 Para los aisladores crudos
Por el método por inmersión, el aislador se introdujo y se retiró lo más pronto posible de la
solución de esmalte, los resultados obtenidos no fueron satisfactorios, ya que el cuerpo cerámico
absorbe el agua del esmalte muy rápido formándose una capa muy gruesa de esmalte, además se
produjo un chorreado del esmalte obteniéndose una superficie no uniforme.
Con el método por aspersión, se obtuvieron mejores resultados, ya que con la pistola atomizadora
o soplete, se puede controlar la capa de esmalte que se impregna en el aislador. Además con el
soplete se pueden esmaltar más fácilmente los pliegues del aislador.
Los aisladores esmaltados fueron cocidos con el ciclo de cocción Nº 2 y se observó que la capa de
esmalte tenía un espesor adecuado y uniforme con un buen brillo como se observa en la figura 9.
Figura 9. Aislador totalmente acabado
3. RESULTADOS
3.1 Pruebas de la pasta formada
3.1.1
Pruebas físicas
Las pruebas físicas que se realizaron fueron: absorción de agua y porosidad según las normas
ASTM correspondientes para cada prueba. Estas pruebas se las realizó en el Laboratorio de
Tecnología Cerámica de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Escuela Politécnica Nacional.
La tabla 16 presenta la absorción de agua promedio de la pasta cocida a dos temperaturas de
sinterización.
Tabla 16. Porcentaje de absorción de agua promedio de la pasta cocida a 1 150 ºC y a 1160 ºC
Temperatura de
sinterización
(oC)
Porcentaje de Absorción
de agua
1 150
2,5328
1 160
0,0307
De los resultados se puede observar que la temperatura de sinterización óptima es de 1 160 ºC,
ya que de acuerdo a bibliografía que se presenta en la Tabla 17, el porcentaje de absorción de agua
para aisladores cerámicos de baja tensión debe ser menor al 2,0%.
La figura 10 muestra la probeta después del ensayo y como se puede observar, la muestra no
presenta penetración del indicador en su cuerpo cerámico, mostrando de esta manera que la pasta
para aisladores cumple con el requisito de cero porosidad..
Figura 10. Prueba de porosidad
3.1.2
Pruebas eléctricas
Las pruebas eléctricas que se realizaron fueron: la Rigidez Dieléctrica y la Resistividad
Volumétrica, debido a que estas propiedades son primordiales a cumplir en la industria
electrocerámica.
Las pruebas eléctricas se realizaron en el Laboratorio de Alto Voltaje perteneciente al
Departamento de Energía Eléctrica de la Escuela Politécnica Nacional, y sus resultados se presentan
en la Tabla 17.
3.1.3
Pruebas mecánicas
Las propiedades mecánicas a las que se les da importancia para la porcelana eléctrica son:
Resistencia a la Tensión, Resistencia a la Flexión y Resistencia a la Compresión.
Las pruebas Mecánicas se las realizó en el Laboratorio de Ensayo de Materiales y Mecánica de
Suelos de la Facultad de Ingeniería Civil de la Escuela Politécnica Nacional.
Para las tres pruebas se usaron probetas cilíndricas de 12,50 cm de largo por 2,50 cm de diámetro
de acuerdo con la norma ASTM C674-88 para la resistencia a la tensión y a la flexión y con la
norma ASTM C 773-88 para la resistencia a la compresión.
La resistencia a la tensión se determina por el módulo de ruptura de la probeta, mientras que para
le resistencia a la flexión se determina por el módulo de elasticidad.
En la tabla 17 se muestran los resultados promedio de las pruebas realizadas a la pasta
comparadas con datos bibliográficos.
Tabla 17. Comparación de los resultados promedio obtenidos de las pruebas de la pasta con datos
bibliográficos
Propiedades
Valor
obtenido
Valores de
bibliografía
Absorción de
agua (%)
0,0307
0.2 – 2.0*
Porosidad
Nula
Nula*
Rigidez
dieléctrica
(kV/mm)
5,72
> 5***
Resistividad
volumétrica A
1000 V (Ω.cm)
2,3441E+10
1,8-18E+10*
Módulo de
ruptura (MPa)
132,4188
>50**
Módulo de
elasticidad
(MPa)
10 339,6518
>60000**
Resistencia a la
compresión
(MPa)
631,295
>206,90*
*Singer y Singer, 1976
**Cano, 2005 boletín 41
***Cano, 2005 boletín 40
A excepción del módulo de elasticidad que está por debajo del valor correspondiente a porcelana
eléctrica, la pasta cumple con las propiedades para la fabricación de aisladores eléctricos de baja
tensión.
3.2 Pruebas electro-mecánicas de los aisladores formados
Las pruebas electro-mecánicas de los aisladores acabados se realizaron bajo la norma ANSI
C29.1 y C29.3. De acuerdo con la norma, para aisladores tipo rollo o carrete al cual pertenece el
aislador tipo 53-3, las pruebas realizadas fueron: ensayo de tensión de flameo en seco a baja
frecuencia, ensayo de tensión de flameo en húmedo a baja frecuencia y ensayo de resistencia
mecánica transversal.
La tabla 18 muestra los resultados obtenidos de los ensayos electro-mecánicos realizados a los
aisladores terminados.
Tabla 18.: Valores obtenidos en el laboratorio y valor nominal de los ensayos electro-mecanicos de los
aisladores
Valor
obtenido
Valor
nominal*
Tensión de
flameo en seco
(kV)
27,04
25
Tensión de
flameo en
húmedo
horizontal (kV)
22,61
15
Tensión de
flameo en
húmedo vertical
(kV)
19,78
12
Resistencia
mecánica
transversal (N)
21 300
17 800
*Norma ANSI C29.3
El valor obtenido del ensayo de tensión de flameo en seco debe ser igual o superior al 95% del
valor nominal para que constituya cumplimiento de la norma.
El valor obtenido del ensayo de tensión de flameo en húmedo tanto en montaje vertical como
horizontal debe ser igual o superior al 90% del valor nominal para que constituya cumplimiento de
la norma.
El valor obtenido del ensayo de resistencia mecánica transversal debe ser igual o superior al 85%
del valor nominal para que constituya cumplimiento de la norma.
Como se puede observar de los resultados, los aisladores si cumplen con la norma.
3.3 Análisis económico de la fabricación de aisladores eléctricos tipo 53-3 a escala piloto
El Análisis Económico se lo realiza para una producción piloto mensual de aisladores. La
cantidad de materia prima mensual necesaria para abastecer la capacidad del torno es de 343,04 kg,
3.3.1
Costos de materia prima
La tabla 19 muestra el costo total de la materia prima utilizada para una producción mensual de
aisladores.
Tabla 19. Costo de la materia prima para la producción mensual aisladores
Materia
prima
Cantidad
requerida
(kg)
Costo de
materia
prima
(USD/ kg)
Costo de
materia
prima
total
(USD)
Arcilla
163,70
0,19
31,10
Feldespato
179,34
0,32
57,39
Esmalte
21,85
0,50
10,92
Total
3.3.2
99,41
Costo de servicios básicos
3.3.2.1. Costos de Energía Eléctrica
Se lo determina en base al consumo mensual de Kw:h, de los equipos usados en la elaboración de
los aisladores, que se muestran en la Tabla 20.
Como el precio de la energía eléctrica es de US$/Kwh 0,08, el costo total de la energía será US$
571,33
3.3.2.2 Costo del agua
Este se lo calcula, considerando el consumo de agua mensual requerido en cada proceso, como se
detalla en la Tabla 21.
Tabla 20. Consumo de la energía eléctrica de los equipos utilizados
Maquinarias y Equipos
Potencia (kW)
Tiempo de operación
(h)
kW.h
Molino de mandíbulas
2,22
1,79
3,97
2,22
1,52
3,37
0,19
121,9
23,16
3,7
1,15
4,26
3,1
133,2
412,92
8,5
5,03
42,76
Extrusor
1,59
2,79
4,44
Torno automático
0,24
160,3
38,47
0,74
53,35
39,48
27
243,29
6 568,83
Molino de cono
Motor para molino de bolas
Compresor 5Hp
Estufa
Separador magnético
Compresor 1Hp
Horno
7 141,66
Total
Tabla 21. Consumo mensual de agua en cada proceso
PROCESO
Cantidad de
agua requerida
(l/kg)
Materia
prima (kg)
Cantidad de
agua requerida
(l)
1,2
163,7
196,44
0,6
179,34
107,60
1,8
163,7
294,66
0,51
179,34
91,46
0,29
343,04
99,48
0,57
21,85
12,45
MOLINO DE BOLAS
Arcilla
Feldespato
TAMIZADO
Arcilla
Feldespato
AMASADO
ESMALTADO
LAVADO
Total
1 000,00
1 802,10
Si se conoce que el costo por m3 de agua es de US$0,33, el costo total mensual del uso de agua
será US$7,00
El costo total de servicios básicos se presenta en la tabla 22.
Tabla 22. Costo total de servicios Básicos
Servicios básicos
Costo (USD)
Energía eléctrica
571,33
Agua
7,00
Total
578,33
El costo del consumo de agua en la producción de aisladores es de 7,00 USD y es relativamente
baja en relación al costo de la energía eléctrica que es de 571,33 USD.
3.3.3
Costo de mano de obra
Para la producción de aisladores en la Planta Piloto de Cerámica se requiere de dos personas que
pueden ser: un Ayudante Supervisor y un Trabajador.
La tabla 23 muestra el costo de mano de obra.
Tabla 23. Costo de mano de obra
Mano de Obra
Costo (USD)
Ayudante Supervisor
350,00
Trabajador
240,00
Total
590,00
El motivo de la presente investigación, es la producción de aisladores eléctricos de cerámica en la
Planta Piloto de Cerámica, que se halla dentro de los predios de la Escuela Politécnica Nacional de
Quito, por ello, es que dentro del costo de mano de obra no se incluyen las cargas sociales del
personal, al ser empleados de la Institución, y además ésta correrá con el costo de la capacitación de
dicho personal.
3.3.4
Costo total de producción
La tabla 24 muestra el costo total de producción mensual de los aisladores.
3.3.5
Costo unitario de producción
La tabla 25 muestra el costo unitario de producción de aisladores. La capacidad de producción
máxima en la Planta Piloto trabajando 8 horas diarias es de 640 aisladores al mes con un costo
total de producción de 1 267,74 USD.
Tabla 24. Costo total de producción
Parámetros de
Producción
Gastos (USD)
Materia prima
99,41
Servicios básicos
578,33
Mano de obra
590,00
Total
1 267,74
Tabla 25. Costo unitario de la producción de aisladores
Producción unidades
640
Costo total de producción
(USD)
1 267,74
Costo por unidad (USD)
1,98
De este análisis se determinó que el costo para producir un aislador tipo 53-3 en la Planta Piloto
de Cerámica es de 1,98 USD, la Empresa Eléctrica Quito compra un aislador importado a 0,59 USD
(EEQ, 2010), el mercado local ofrece un aislador a 0,78 USD, lo que demuestra que aún no es
rentable fabricar este tipo de aisladores a nivel de Planta Piloto.
El trabajo aquí presentado, constituía la etapa final del Proyecto P-BID-088 (Senacyt 2003), cuyo
objetivo principal era demostrar que dentro de una institución universitaria, en este caso la Escuela
Politécnica Nacional es posible producir aisladores eléctricos de cerámica tipo carrete No. 53-3 con
materia prima nacional, y supera dicho objetivo queriendo demostrar las bondades de pasar a un
formado de este bien de manera automatizada y llegar a la fabricación completa y de calidad, de
aisladores eléctricos de cerámica.
4. CONCLUSIONES
1. Por el alto contenido de óxido de silicio en la arcilla y feldespato, no fue necesario agregar
cuarzo a la pasta, esto deberá verificarse con cada lote de materia prima que llegue a la Planta
Piloto.
2. A excepción del módulo de elasticidad, la pasta cumple con las propiedades de una porcelana
eléctrica.
3. Los análisis químicos y mineralógicos de las materias primas fueron la clave para obtener una
pasta cerámica de excelentes propiedades.
4. La determinación de la humedad óptima de las barras ayudó en gran medida a la formación de
los aisladores en el torno automático y se ha demostrado que el tiempo al ambiente que debe
conservarse a la barra es de 48h.
5. La automatización del torno mecánico contribuyó a reproducir los aisladores de similares
características en todo el lote.
6. La automatización del torneado disminuyó el tiempo de elaboración de un aislador de 45
minutos que se demoraba manualmente, a 15 minutos actualmente.
7. Los aisladores elaborados en la Planta Piloto de Cerámica cumplieron satisfactoriamente con la
Norma ANSI C29.3.
8. El esmalte usado en el acabado final del aislador proporcionó una superficie homogénea y
aceptable de los aisladores.
9. Aumentar el tiempo de secado de los aisladores aseguró la pérdida total del agua y mejoró la
cocción de los mismos.
10. El proceso de separación del hierro por separación magnética resulta efectivo en especial para
arcilla y feldespato.
11. Los diferentes ensayos realizados muestran que el porcentaje de humedad óptimo de la pasta en
el amasado es del 22,5%.
12. Se ha demostrado que es recomendable esmaltar el aislador en crudo y lograr con ello una sola
cocción y reducción de costos de energía.
13. El estudio económico preliminar revela que aún no es rentable fabricar aisladores tipo 53-3 a
nivel de Planta Piloto, pues el costo unitario es alto en relación al precio al que adquiere la
Empresa Eléctrica Quito.
14. Últimos trabajos realizados con el fin de disminuir el costo unitario, se han centrado en
optimizar el uso del espacio del horno, cuya incidencia en el costo es del 90%, y se ha logrado
llegar a un costo de US$ 1,05/aislador. Con las últimas investigaciones de campo en Ambato e
Ibarra se detectó que el último precio de importación de aisladores cerámicos tipo carrete No.
53-2, el año pasado fue de US$0,80/u, con lo cual el precio de nuestro producto para venta
local, puede ser atractivo (EMELNORTE 2011)
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[18]Singer, F. y Singer, S., 1976, ”Cerámica Industrial”, Volumen II, Principios Generales de la
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[19]Singer, F. y Singer S., 1976, ”Cerámica Industrial”, Volumen III, Principios Generales de la
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