Il ciclo produttivo dell’industria ceramica
In questo articolo esploreremo il ciclo produttivo dell’industria ceramica. Questo settore è composto da imprese industriali attive nella produzione di
- piastrelle;
- lastre;
- ceramica sanitaria;
- materiali refrattari e ceramica tecnica;
- laterizi;
- porcellana e stoviglieria.
Nel nostro Paese, il ciclo produttivo dell’industria ceramica coinvolge circa 280 aziende, che danno lavoro a più di 27.500 persone e sviluppano un fatturato annuo di 6,5 miliardi di euro (dati 2019).
L’industria ceramica italiana rappresenta un’eccellenza agli occhi del mondo. Nel 2020 il settore ha patito un semestre in perdita, per poi recuperare nella seconda metà dell’anno, dando prospettive più che positive per il 2021. Grazie alla capacità di innovazione tecnologica e di evoluzione dei prodotti, l’industria ceramica italiana è in grado di soddisfare un mercato sempre più esigente.
La sfida principale per il settore è però quella della sostenibilità, vale a dire la riduzione dell’impatto ambientale del ciclo produttivo dell’industria ceramica. Nell’ultima parte di questo articolo vedremo cosa l’industria ceramica fa per rientrare in un modello di economia circolare.
Preparazione materie prime
La preparazione delle materie prime rappresenta l’inizio del ciclo produttivo dell’industria ceramica, e punta a ottenere un impasto più omogeneo possibile, con una distribuzione granulometrica e una forma dei grani appropriata e funzionale al prodotto finale.
La parola “ceramica” deriva dal greco antico κέραμος, kéramos, che significa “argilla”, “terra da vasaio”. Si tratta di un materiale inorganico, non metallico, che si presenta molto duttile allo stato naturale e diventa rigido dopo la fase di cottura.
Di norma, la ceramica è composta da diversi materiali: principalmente argille, ma anche feldspati (di sodio, di potassio o entrambi), sabbia silicea, ossidi di ferro, allumina e quarzo. Prima che possano essere lavorate, è necessario ricorrere a una preparazione delle materie prime. Le fasi di questo processo possono essere diverse, a seconda del risultato a cui si mira e del tipo di produzione (artigianale o industriale) che si andrà a eseguire.
Per quanto riguarda l’argilla, nella fase di preparazione delle materie prime in una produzione di tipo industriale, essa andrà prima di tutto selezionata in funzione della lavorazione che si vuole effettuare.
I tipi di argilla più comunemente usati sono
- argilla sabbiosa, caratterizzata da grana fine e alta plasticità;
- argille refrattarie, particolarmente resistenti al fuoco;
- caolino, di colore bianco, usato per la produzione di porcellane e caratterizzato da refrattarietà, bassa plasticità e scarso potere essiccante.
Una volta scelta la più adatta, l’argilla dovrà essere ripulita dalle impurità (fase di stagionatura), e poi sottoposta a lavatura, sciogliendola in acqua per disperdere i sali solubili. Un’ulteriore depurazione consente di eliminare le impurità residue e di affinare il composto, togliendo i granuli più grossolani.
Il passo successivo in questa fase di preparazione delle materie prime è quello della lavorazione vera e propria dell’argilla, che viene impastata per eliminare eventuali bolle d’aria e renderla compatta. Al composto si aggiunge talvolta una polvere ottenuta dalla macinazione di scarti di ceramica cotta in precedenza (chamotte), che serve a rendere il prodotto più resistente agli sbalzi di calore.
Questo procedimento di preparazione delle materie prime, all’interno del ciclo produttivo dell’industria ceramica, può variare a seconda del prodotto che si vuole ottenere, per esempio:
- ceramiche a pasta porosa (terrecotte, terraglie, maioliche)
- ceramiche a pasta compatta (grès, klinker,porcellanae).
Terrecotte
Ciò che differenzia le terrecotte dagli altri tipi di ceramica è la presenza di sali o ossidi di ferro: a loro si deve la colorazione dal giallo al rosso marrone che le terrecotte assumono dopo essere state sottoposte a cottura. Gli ossidi di ferro contribuiscono alla vetrificazione di questo tipo di ceramica, migliorandone la resistenza meccanica e riducendone la porosità.
La cottura si effettua a una temperatura di 980-990 gradi centigradi.
Le terrecotte sono particolarmente versatili, e possono essere utilizzate sia con un rivestimento superficiale sia senza rivestimento: nel primo caso soprattutto per la produzione di vasellame da cucina (piatti, tazze, pentole per cottura lenta, ecc.), nel secondo come materiale strutturale e ornamentale per vasi, brocche, laterizi e altro.
Sotto forma di laterizio, le terrecotte sono il materiale da costruzione più diffuso, Rispetto alle terrecotte vere e proprie, il laterizio si distingue per una depurazione delle argille meno accurata.
Grès Porcellanato
Il grès porcellanato è ottenuto tramite un processo di sinteraggio delle materie prime (argille ceramiche, feldspati, caolini e sabbia) che vengono prima macinate e trasformate in barbottina, poi atomizzate finemente, fino a ottenere una polvere granulometricamente uniforme e adatta a essere pressata.
Il grès infatti è utilizzato soprattutto per produrre piastrelle per i bagni e le cucine. La cottura avviene ad una temperatura tra i 1200 e i 1350 gradi centigradi, e i colori variano a seconda dei composti ferrosi presenti.
Si possono distinguere due tipologie di grès porcellanato:
- naturale, anche conosciuto come grès tecnico: ha un aspetto simile al marmo naturale e mantiene le caratteristiche tecniche del grès porcellanato;
- smaltato, ovvero colorato in impasto con l’aggiunta di argille caolinitiche, fondenti e materiali inerti.
Klinker
Il klinker (o clinker) è un materiale laterizio sottoposto a un particolare processo di stagionatura ed essiccazione che termina con una cottura a 1250 gradi centigradi per oltre 30 ore. Questa articolata procedura rende possibile la solidificazione dell’impasto e lo smaltimento dell’umidità, rendendo il klinker particolarmente resistente e idrorepellente.
Di aspetto simile al cotto, per le sue caratteristiche tecniche il klinker è uno dei supporti più utilizzati per pavimentazioni di esterni, rivestimenti di facciate, piscine e arredo urbano in generale. La sua versatilità lo sta portando ad affermarsi anche nell’architettura residenziale, come pavimentazione d’interni.
Porcellana
La porcellana è una ceramica vetrificata con un corpo bianco, a grana fine, solitamente translucido. È considerata la ceramica “nobile” per eccellenza: è stata inventata in Cina attorno all’VIII secolo, e il suo ingrediente principale è il caolino idrosilicato di alluminio, una particolare argilla bianca.
La cottura della porcellana può avvenire a diverse temperature comprese tra i 1200 e i 1400 gradi centigradi, a seconda che si voglia ottenere la porcellana tenera (1200 gradi), utilizzata prevalentemente per la realizzazione di figure, o la porcellana dura (dai 1280 gradi in su). La porcellana Bone China, creata in Gran Bretagna, è una porcellana dura a cui viene aggiunta una polvere di ossa calcinate.
La porcellana dura, che in Europa e poi nel mondo ha dato origine a diverse produzioni storiche (Meissen, Ginori, Capodimonte, Limoges, ecc.), può essere ricoperta di smalto colorato, composto solitamente da silicio, feldspati e alluminia. L’applicazione dello smalto avviene ad alta temperatura (800-1250 gradi centigradi).
Macinazione e atomizzazione
Il ciclo produttivo dell’industria ceramica prosegue con le fasi di macinazione e atomizzazione.
Scopo della macinazione / atomizzazione è ridurre le pezzature originali, ancora grossolane, in particelle di diametro e distribuzione granulometrica ideali per il prodotto finale che si vuole ottenere.
La macinazione può essere
- a secco;
- umida.
La macinazione a secco è usata generalmente quando le materie prime sono già molto omogenee dal punto di vista morfologico e della durezza, e il prodotto finale non richiede una qualità troppo elevata.
La macinazione per via umida, invece, è adatta per ridurre al massimo la granulometria delle miscele impiegate, e per renderle più omogenee possibile. Con questo procedimento, le miscele macinate vengono poi disperse in una soluzione di solidi in acqua (barbottina), che ha lo scopo di ridurre ulteriormente le particelle naturali.
La macinazione umida si utilizza anche quando le argille contengono impurità inquinanti, che devono essere eliminate dall’impasto: al procedimento si aggiunge, in questo caso, una setacciatura accurata della barbottina.
La fase di atomizzazione serve a ridurre la barbottina ceramica in una polvere che, per granulometria e umidità, sia adatta alla pressatura.
Il procedimento, che il ciclo produttivo dell’industria ceramica ha “ereditato” dall’industria farmaceutica e dall’industria alimentare, prevede l’utilizzo di grossi recipienti a torre (atomizzatori), nei quali viene iniettato ad alta pressione e nebulizzato verso l’alto un getto di barbottina. Questo viene investito da un flusso di aria calda prodotto da un generatore di calore: la barbottina si polverizza finemente, e le particelle si essiccano. La polvere cade verso la parte bassa dell’atomizzatore, viene raccolta e inviata alle vasche di stoccaggio per un periodo di riposo (almeno 24 ore).
Pressatura
La fase successiva del ciclo produttivo dell’industria ceramica è quella della pressatura.
Questo processo serve a modellare la materia prima, in polvere o granulare, fino a farle assumere una forma quasi definitiva e soprattutto una consistenza che le consenta di sopportare le successive fasi di lavorazione senza rompersi o deformarsi.
Le operazioni fondamentali di questo passaggio sono tre:
- formatura, durante la quale il semilavorato acquisisce una geometria ben definita;
- compattazione delle polveri, che conferisce al prodotto le sue caratteristiche meccaniche;
- addensamento delle polveri, per limitare i vuoti nel prodotto pressato.
A seconda della percentuale di acqua contenuta nella materia prima, la pressatura può condurre a diverse condizioni:
- stato plastico: la miscela contiene il 20-25% di acqua residua;
- stato semisecco: l’umidità residua nelle polveri è del 10-15%;
- stato secco: l’umidità delle polveri è compresa tra il 3% e il 7%.
Cottura
Il ciclo produttivo dell’industria ceramica prosegue con la cottura, preceduta da una fase di essiccazione, che è indispensabile per far perdere all’oggetto l’umidità residua e la plasticità, e quindi fissarlo nella sua forma definitiva.
La cottura avviene in appositi forni, che operano a temperature comprese tra 800 e 2000 gradi centigradi, e può durare anche molte ore. Alla fine del processo, che può prevedere anche due fasi, il prodotto avrà subito una riduzione di volume.
La temperatura di cottura è determinante per il risultato finale. Qualche esempio:
- le terrecotte si ottengono tra i 960 e i 1030 gradi centigradi;
- il grès tra i 1200 e i 1350 gradi;
- il klinker a 1250 gradi, con una cottura che può durare 30 ore;
- la porcellana tenera tra i 1200 e i 1300 gradi centigradi;
- la porcellana dura tra i 1300 e i 1400 gradi;
- la ceramica high tech si ottiene invece tra i 1400 e i 1700 gradi, e richiede l’aggiunta di sostanze come caolina e allumina.
Smaltatura
La smaltatura rappresenta l’ultima fase del ciclo produttivo della ceramica, e ha sia uno scopo estetico sia uno scopo pratico. La ceramica smaltata, infatti, è impermeabilizzata e ottimamente isolata dal punto di vista termico.
La smaltatura consiste nell’applicazione di vetrina (rivestimento vetroso trasparente, disponibile sotto forma di polvere o liquido) o di uno smalto coprente sulla ceramica, tra la prima e la seconda fase di cottura, oppure prima della cottura unica.
La composizione base degli smalti prevede la presenza di quattro elementi fondamentali:
- vetro (silicio, boro);
- fondenti alcalini (di solito sodio, potassio e litio);
- fondenti alcalino-terrosi (per esempio calcio, magnesio, bario, zinco);
- stabilizzante (allumina).
Per abbassare il punto di cottura, e di conseguenza ridurre tempi e costi di applicazione, il ciclo produttivo della ceramica ha previsto a lungo l’aggiunta di ossidi di piombo. A causa della loro tossicità, questi ultimi sono stati dichiarati fuori norma nella produzione di contenitori ceramici che possono essere impiegati per uso alimentare (indipendentemente dalla loro destinazione originale, per esempio arredo o decorazione).
La gamma di pompe centrifughe PEMO PUMPS della Perissinotto S.p.A. è in grado di supportare le imprese lungo tutto il ciclo produttivo dell’industria ceramica, fornendo soluzioni su misura specifiche e su misura per il trasporto di qualsiasi materiale abrasivo.
Industria ceramica ed economia circolare
Il ciclo produttivo dell’industria ceramica si presta particolarmente a essere inserito in un modello di economia circolare.
Quest’ultima rappresenta, ormai da anni, un punto di riferimento consolidato nelle politiche dell’Unione Europea e dei singoli Paesi, Italia compresa.
La definizione di economia circolare più comunemente citata è quella proposta dalla Ellen MacArthur Foundation: si tratta di “un’economia pensata per potersi rigenerare da sola”, ovvero un modello di produzione e consumo che punta a ridurre al minimo i rifiuti, estendendo il più possibile il ciclo di vita dei prodotti.
Il prodotto ceramico, per sua natura, è estremamente longevo. Caratterizzate da resistenza a condizioni atmosferiche estreme, agenti chimici, umidità, sbalzi di temperatura e raggi UV, le ceramiche sono un materiale con un ciclo di vita stimato in più di 50 anni, facilmente riciclabile in processi di riutilizzo degli scarti.
Il ciclo produttivo dell’industria ceramica, infatti, è in grado di utilizzare al proprio interno la maggior parte degli scarti e dei residui che vengono generati durante la produzione.
Piastrelle di scarto (crude o cotte), fango proveniente dalle linee di lavaggio o dalle fasi di levigatura e lucidatura, residui di macinazione e calce esausta sono alcuni dei materiali che possono rientrare nel ciclo produttivo dell’industria ceramica, in sostituzione delle materie prime. Ciò consente di evitare l’estrazione, il trasporto e l’utilizzo di migliaia di tonnellate di materie prime di origine naturale (sabbie, feldspati, alluminia, argille, ecc.), con il relativo impatto ambientale ed economico.
Stando a dati di settore, il ciclo produttivo dell’industria ceramica consente il riutilizzo del 99,5% degli scarti di produzione e depurazione, che vanno a coprire per l’8,5% il fabbisogno di materie prime. Soltanto in Italia, grazie a questa capacità del comparto, si evita l’estrazione in natura di oltre 600.000 tonnellate di argille, feldspati e altre materie prime.
Un’ulteriore riduzione delle materie prime prelevate in natura è dovuta all’inserimento, nel ciclo produttivo dell’industria ceramica, di residui provenienti da altri settori produttivi, come scarti di vetro, fanghi dell’industria tessile e altro.
Anche i consolidati processi di riutilizzo delle acque di scarto contribuiscono a inserire a pieno titolo questo settore industriale in un contesto di economia circolare. Durante il ciclo produttivo dell’industria ceramica, infatti, il consumo di acqua è un aspetto molto rilevante, soprattutto nelle fasi di macinazione delle materie prime, smaltatura e finitura delle piastrelle cotte. Grazie ai processi di riutilizzo attivati ormai da decenni nelle imprese ceramiche, la quasi totalità delle acque di scarto è riciclata durante il processo di macinazione.
Industria ceramica ed economia circolare sono un binomio che funziona anche in termini di riduzione del consumo di combustibili fossili e della produzione di gas a effetto serra: il riuso interno dei materiali, infatti, limita la movimentazione di automezzi pesanti adibiti al trasporto delle materie prime, e incide positivamente sulla gestione del ciclo dei rifiuti, e sulla quantità di questi ultimi.