UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE FLUMINENSE DARCY RIBEIRO CENTRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA LABORATÓRIO DE MATERIAIS AVANÇADOS CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS
SECAGEM DE MATERIAIS CERÂMICOS
BÁRBARA FERREIRA DE OLIVEIRA MÁRCIA ALMEIDA SILVA MARIANA SOARES DE FREITAS
CAMPOS DOS GOYTACAZES - RJ JUNHO DE 2010
UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE FLUMINENSE DARCY RIBEIRO CENTRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA LABORATÓRIO DE MATERIAIS AVANÇADOS CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS
Bárbara Ferreira de Oliveira Márcia Almeida Silva Mariana Soares de Freitas
SECAGEM DE MATERIAIS CERÂMICOS
Trabalho apresentado à disciplina de Mate Ma teria riais is Ce Cerâ râmi mico coss II, II, mi minis nistr trad adaa pelo Profº. Dr. José Nilson França de Hola Ho land nda, a, no cu curs rsoo de Enge Engenh nhar aria ia Metalúrgica e de Materiais da Univ nivers ersidad idadee Esta Estadu dual al do Norte orte Flum Flumin ineens nsee Darcy rcy Ribe Ribeir iroo com omoo requ requis isito ito pa parc rcia iall pa para ra co conc nclu lusã sãoo e aprovação nessa disciplina.
Orientadora: Profº. Dr. José Nilson França de Holanda
CAMPOS DOS GOYTACAZES JUNHO de 2010
Sumário
1 Introdução ____________________ ___________________________________ ____________________________ __________________ _____ 1 2 Formas de interação da da umidade com o material ____________________ ______________________ 3 3 Mecanismo e cinética de secagem. secagem. Transferência de Massa Massa e Calor _____ 6 4 Contração___________________ Contração__________________________________ ____________________________ ____________________ _______ 10 4.1 Curvas de Bigot ____________________________ _________________________________________ __________________ _____ 10 5 Técnicas de Secagem ___________________________ _________________________________________ _________________ ___ 13 5.1 Secagem por atomização atomização – Spray Drying_________________ Drying_________________________ ________ 13 5.2 Secagem de umidade controlada___________________ controlada________________________________ _____________ 13 5.3 Secagem de microondas_ _________________________ _____________________________________ _____________ 14 5.4 Secagem de suspensões____ suspensões________________ ____________________________ _______________________ _______ 14 5.5 Secagem supercrítica e secagem por congelamento________________ congelamento________________ 15 6 Secadores_________________ Secadores_________________________________ ____________________________ _____________________ _________ 16 6.1 Secadores com circulação de ar ou de câmaras____________________ câmaras____________________16 16 6.2 Secadores de ar úmido_________________________ úmido________________________________________ ________________16 _16 6.3 Secadores Contínuos_______________________ Contínuos______________________________________ ___________________17 ____17 6.4 Secador túnel __________________________ _________________________________________ ______________________17 _______17 6.5 Secador Acelerado_____________________ Acelerado__________________________________ _______________________18 __________18 7 Defeitos de secagem_ __________________________ ________________________________________ __________________ ___ 19 7.1 Casos de secagens específicos_________________________________ específicos_________________________________ 20 7.1.1 Secagem de Placas__ _____________________________ ______________________________________ __________ 20 7.1.2 Secagem de Pratos, Pratos, Travessas, Tigelas e Peças Peças Assemelhadas Assemelhadas _____ 20
________________________________________ _______________ __ 21 7.1.3 Vasos e Esculturas ___________________________ 8 Otimização do processo de secagem _______________________________23 secagem _______________________________23 8.1 Aquecimento da peça __________________________ _________________________________________ _______________24 24 8.2 Eliminação de água de contração ou crítica_______________________26 crítica_______________________26 8.3 Eliminação de água de porosidade___________________________ porosidade______________________________ ___ 27 9 Conclusão ____________________________ _________________________________________ _________________________28 ____________28 Referências___________________ Referências__________________________________ ____________________________ ____________________29 _______29
Secagem dos materiais cerâmicos 1 Introdução O processo de construção de uma peça cerâmica se dá com a argila ainda úmida e é preciso que a peça seque antes de ir ao forno, para evitar que a mesma estoure durante a queima e também, para evitar danos às resistências elétricas, no caso de fornos elétricos. O objet bjetiv ivoo da sec ecaagem é o de elim liminar inar a águ gua, a, util utiliz izad adaa na etap etapaa de confor con forma mação ção,, nec necess essária ária para para a obt obtenç enção ão de um umaa ma massa ssa plá plásti stica, ca, co confe nferin rindo, do, assi as sim, m, um umaa ma maio iorr resi resist stên ênci ciaa me mecâ câni nica ca e um umaa um umid idad adee ad adeq equa uada da pa para ra as posteriores etapas do processamento. A eliminação de água ocorre por evaporação através do aporte de calor, efetuado mediante uma corrente de ar. A sec ecag agem em é um umaa et etap apaa ba bast stan ante te de deliliccad adaa e co comp mple lexa xa no proc proces esso so de fabricação de materiais cerâmicos. É comum nesta etapa ocorrerem defeitos de secagem nas peças e que são perceptíveis somente após queima. A compreensão doss me do meca cani nism smos os en envo volv lvid idos os na se seca cage gem m pe perm rmitite, e, po porr ex exem emplo plo,, um umaa me melh lhor or compreensão dos defeitos e da forma de como evitá-los. O parâmetro principal para se obter um ótimo processo de secagem é a taxa de seca se cage gem. m. O co cont ntro role le de dest stee pa parâ râme metr troo po pode de prev preven enir ir rach rachad adur uras as,, fissu fissura rass e deformações. O mecanismo de secagem é muito similar para os distintos corpos argilosos. Contudo, a uma determinada velocidade de secagem, os efeitos que são gerados sobre cada corpo, podem ser muito diferentes entre cada um deles, dependendo da sua nat nature ureza za quí químic micaa e crista cristalog lográf ráfica ica,, de su suaa granul granulome ometri triaa e de se seuu prévio prévio histórico antes de chegar à secadora.
As va varia riaçõ ções es ex exis iste tent ntes es du dura rant ntee a se seca cage gem m e qu quee sã sãoo su susc scet etív ívei eiss de se ser r observadas, ocorrem sobre os seguintes parâmetros: 1- Qua Quanti ntidad dadee de água água residu residual; al; 2- Dimensõe Dimensõess longitudina longitudinais, is, superficia superficiais is e de volume; volume; 3- Resist Resistênc ência ia a flex flexão; ão; 4- Plas Plastic ticid idad ade. e. Durante a eliminação da água observa-se que (Figura 1): - A pasta diminui de volume, proporcionalmente à água eliminada. - Começam a se formar poros e a pasta continua se contraindo. - O volume deixa de diminuir e os poros produzidos são proporcionais a água eliminada.
Figura 1: Variações no volume do material cerâmico em função da porcentagem de água presente durante o processo de secagem. [5]
Os efeitos da secagem são uma perda de volume e peso pela vaporização da água, cor mais clara e aquisição de rigidez e certa resistência r esistência mecânica nas peças. A umidade contida nos materiais pode ser eliminada por métodos mecânicos (sed (sedim imen enta taçã ção, o, filtr filtraç ação ão,, ce cent ntrif rifug ugaç ação ão). ). Isto Isto resu resulta lta em um proc proces esso so ma mais is econômico do que a secagem por meios térmicos para a eliminação de água.
Contud Con tudo, o, a elimin eliminaç ação ão ma mais is com comple pleta ta de um umida idade de é obt obtida ida por eva evapor poraçã açãoo e elim elimin inaç ação ão do doss vap apor ores es fo form rmad ados os,, ou se seja ja,, med edia iant ntee a se seca cage gem m térm térmic ica, a, empregando uma corrente gasosa ou sem a ajuda do gás para extrair o vapor. Na secagem, a água quase sempre é eliminada na forma de vapor com ar. A operação de secagem é uma operação de transferência de massa de contato gás-sólido, onde a umidade contida no sólido é transferida por evaporação até a fase gasosa, com base na diferença existente entre a pressão de vapor exercida pelo solido úmido e a pressão parcial de vapor da corrente gasosa. Quando estas duas pressões se igualam, é dito que um sólido e o gás estão em equilíbrio e o processo de secagem cessa.
2 Formas de interação da umidade com o material O mecanismo do processo de secagem depende consideravelmente consideravelmente da forma de ligação da umidade com o material: quanto mais sólida é a ligação, tanto mais difícil ocorrer a secagem. Durante a secagem a ligação da umidade com o material se altera. A água pode estar unida às partículas minerais de diversas maneiras, cada uma das quais contem uma distinta energia de união e, por conseqüência, distintos graus de dificuldade para ser eliminada. As fo form rmas as de liga ligaçã çãoo da um umid idad adee co com m o ma mate teria riall sã sãoo clas classi sififica cada dass co como mo:: química, físico-química físico-química e físico-mecânica. físico-mecânica. A umidade ligada ligada quimicamente quimicamente é a que se
une
com
maior ior
solide idez
ao
material ial
em
determinadas
prop roporções
(est (esteq equi uiom omét étric ricas as)) e só po pode de se serr elim elimin inad adaa aq aque uece cend ndoo o ma mate teri rial al até até alta altass temperaturas ou como resultado de uma reação química. Esta umidade não pode ser eliminada do material por secagem. Durante a secagem se elimina somente a umidade ligada com o material em forma físico-química e mecânica. As formas através das quais a água pode se encontrar no corpo cerâmico serão consideradas a seguir.
I – Água Intersticial A água que se encontra entre partículas minerais nos capilares e que pode se mover mais ou menos livremente entre eles é a água livre ou intersticial. Esta água pode ocupar um espaço importante entre as partículas do corpo argiloso e sua eliminação pode gerar uma perda de volume significativo do mesmo. A água intersticial que tem um corpo argiloso durante a primeira parte de sua elaboração provém da adição que se realiza durante processos anteriores e pode variar dentro de uma categoria relativamente ampla segundo a natureza da mistura argilosa. Esta água livre ou intersticial também se chama água de plasticidade, porque a partir do momento em que se interpõem as moléculas de água livre entre partícula e partícula, a argila se deforma sob o efeito de uma força externa, ou seja, se com compor porta ta com comoo um mat materi erial al plá plásti stico. co. A ve veloc locida idade de de elimin eliminaçã açãoo da águ águaa intersticial depende principalmente da capacidade de secagem de meio (ar) que rodeia o corpo argiloso. II – Água Higroscópica É a água que se encontra ligada às partículas minerais por forças elétricas, próprias do dipolo da água, assim como das cargas naturais dos cristais que formam as argilas. A quantidade de água higroscópica que tem um corpo argiloso depende da na natu ture reza za qu quím ímic ica, a, físi física ca e miner ineral alóg ógic icaa da dass matér atéria iass prim primas as,, de su suaa granulometria, da presença de sais, etc. A perda dessa água não gera em geral vari va riaç açõe õess de vo volu lume me do co corp rpoo argi argilo loso so du dura rant ntee a se seca cage gem. m. A ve velo loci cida dade de de eliminação da água depende principalmente da temperatura que adquire o corpo argiloso, mas pode e deve ser eliminada em maior quantidade possível na etapa de secagem. III – Água Cristalográfica É a água que se encontra unida quimicamente aos cristais dos minerais que formam o corpo argiloso. A quantidade de água cristalográfica que possui o corpo argiloso depende da natureza química e mineralógica das matérias primas. Esta
água se elimina durante a primeira fase do cozimento e os efeitos que produz ao eliminá-la, devem ser levados em conta em certas argilas. Um fenômeno muito importante que guarda estreita relação com a umidade de equilíbrio é a rehidratação do material seco. Isso ocorre, geralmente, quando o material sai do secador e fica exposto a condições ambientais. Ao diminuir a temperatura, aumenta a energia de ligação argila – água e, portanto, a umidade de equilíbrio se desloca até valores mais altos, al tos, iniciando-se um processo de reabsorção da água do meio ambiente. Na Figura 2 pode-se pode-se observar o desenvolvimento desenvolvimento da rehidratação realizado em distintas argilas, quando após a secagem completa, ficam expostas à ação de uma atmosfera carregada de umidade, à temperatura ambiente.
Figura 2: Desenvolvimento da rehidratação. [1]
A rehidratação é muito rápida durante os dois primeiros dias, nos quais a peça absorve entre 50% e 60% da umidade de equilíbrio nas condições citadas. As moléculas de água que a argila perde com mais dificuldade, as mais próximas à superfície dos cristais argilosos, são as que recuperam com maior rapidez. A rehidratação não se produz simultaneamente em todo o corpo, senão se inicia na superfície da peça e continua até o interior da mesma. Esta rehidratação é
acompanhada de uma significativa mudança de volume da peça. Ao se rehidratar de maneira desigual na espessura, essas mudanças de volume geram tensões que levam à desintegração da peça. A porcentagem final de água de rehidratação depois da secagem coincide com a umidade de equilíbrio nas condições ambientais e constitui também uma informação precisa sobre a natureza da argila, riqueza em minerais, riqueza em minerais argilosos, granulometria, plasticidade, facilidade ou dificuldade de secagem, etc. Conhecendo a umidade de equilíbrio das peças em produção, deve-se evitar a secagem abaixo deste ponto, quando as peças fiquem expostas ao ambiente por tempos significativamente longos.
3 Mecanismo e cinética de secagem. Transferência de Massa e Calor Durante a primeira fase de secagem, o ar arrasta as moléculas de água livre situadas na superfície da peça. Este arraste conduz a um movimento ascendente ou fluxo de água livre até a superfície para preencher o espaço vazio deixado pelas moléculas de água que passaram para atmosfera. A primeira umidade que perde a argila é a última adicionada, ou seja, a água livre que ocupa os capilares, tal como apresenta as Figuras 3 e 4.
Figura 3: Representação esquemática de duas classes de água a eliminar durante a secagem: (a) água livre ou intersticial; (b) água fixada por forças eletrostáticas à superfície das partículas argilosas. [1]
Figura 4: Representação esquemática da forma em que se elimina a água livre ou intersticial mediante o ar que circula sobre a peça. [1] A quantidade de água evaporada por unidade de tempo é constante na primeira fase, tal como pode ver-se na Figura 5. O rendimento de evaporação se manterá constante, enquanto a água flui até a superfície com a mesma velocidade com que se ev evap apor ora, a, o qu qual al só ac acon onte tece cerá rá en enqu quan anto to ex exis ista ta ág água ua livr livree no inte interi rior or do doss capilares. A velocidade de evaporação da água na superfície da argila é muito menor que sobre a superfície livre de água, devido a que existe uma atração entre a água e as partículas argilosas que reduz sensivelmente a velocidade de evaporação.
Figura 5: Variação do rendimento da secagem em função do tempo. [1]
No mo momen mento to que se elimin eliminou ou a águ águaa livre livre ou int inters erstic ticial ial,, con consid sidera era-se -se que terminou (nesse ponto, ou antes) a contração da peça e que esse ponto se chama “ponto crítico” na umidade residual da argila. A partir deste ponto descende o rendimento da secagem – a quantidade de água evaporada por unidade de tempo – e se entra na segunda fase da secagem, o mecanismo de secagem nessa etapa é distinto da etapa anterior. A partir do ponto crítico deixa de fluir água até a superfície, porque na peça já não existe água livre. Começa a evaporação da água mediante forças eletrostáticas à su supe perf rfíc ície ie da dass pa part rtíc ícul ulas as argi argilo losa sas, s, se send ndoo qu quee tant tantoo ma mais is difí difíci cill é a dita dita evaporação, quanto mais próximo se encontram as moléculas de água da superfície do cristal argiloso. À medida que avança a secagem, o rendimento se reduz cada vez mais rapidamente. Durante esta segunda fase de secagem, a água não se evapora na superfície da peça, senão no interior dos capilares, no mesmo ponto em que se encontra ligada à partícula argilosa. Portanto, o depósito de sais solúveis geradora de eflorescências desde o interior das peças até a superfície, não ocorre nesta etapa e sim na primeira, na qual a água circula no estado líquido dentro dos capilares transportando os sais solúveis à superfície da peça. Como a solubilidade dos sais em geral aumenta com a temperatura, convém manter baixa a temperatura do secador durante a primeira fase da secagem, para redu reduzi zirr ao mí míni nimo mo a qu quan antitida dade de de sa sais is diss dissol olvi vida da na ág água ua,, de depo posi sita tada dass na superfície da peça. Nos secadores rápidos em que a secagem é iniciada assim que a peça é introduzida nele e que encontra com o ar quente, é muito mais difícil ou impossível evitar a eflorescência por efeito dos sais solúveis. A quantidade de água livre pode variar na mesma argila, segundo sua história prévia até chegar ao secador. Entretanto, a água ligada, é uma constante de cada argila que depende de sua natureza e granulométrica, ou seja, é função direta da quantidade de cargas elétricas superficiais.
Na Figura 6 foi representado o que acontece quando uma mesma argila é prensada com distintas porcentagens de umidade. À medida que se aumenta a porcentagem de água livre, se reduz a consistência da pasta e se incrementa a separação entre partículas, o que provocará uma maior contração de secagem. Com a contração, aumenta-se o perigo de rupturas no secador; isso resulta numa secagem mais longa e problemática de um tijolo manual, moldado com alta porcentagem de umidade, comparado à secagem do mesmo tijolo, moldado numa máquina com uma porcentagem de água sensivelmente mais baixa. As melhores condições de secagem se conseguem ao moldar em prensas com porcentagens de umidade abaixo do ponto crítico. Menos ainda influi sobre a quantidade de água ligada à superfície das partículas argilosas, a mais ou menor rapidez com que se efetua a secagem.
Figura 6: Variação do teor de água livre. [1]
4 Contração A contração é parâmetro muito significativo na hora de avaliar o comportamento de uma argila durante sua secagem. A contração de secagem constitui um problema importante na indústria da cerâmica vermelha, já que são as diferenças de contração nos corpos cerâmicos, que levam a ruptura nas mesmas. Numa mesma argila, a concentração de secagem aumenta com a porcentagem de umidade de moldagem, tal como se apresenta na Tabela 1, que mostra a relação entre a porcentagem de umidade de moldagem, a pressão de extrusão e a contração de secagem, de uma argila utilizada na fabricação de tijolo para alvenaria. Tabela 1: Contração de secagem em função da quantidade de água. Pressão de extrusão
Água de moldagem
Contração de secagem
(kgf/cm2)
(% )
(% )
7
2 1 .6 6
8.22
12
1 8 .1 3
5.74
17
1 5 .7 5
4.74
22
1 4 .9 1
3.91
4.1 Curvas de Bigot Durante a secagem são geradas tensões que podem levar ao aparecimento de defeitos que comprometem a qualidade das peças. A evolução da retração linear de secagem em função da perda de água de conformação é representada através da chamada curva de Bigot. Assim, a curva de Bigot é uma representação gráfica da percentagem de água de conformação em função da retração de secagem. O conhecimento desta curva auxilia no estabelecimento de um ciclo de secagem. Isto permite otimizar o tempo de forma que as peças não apresentem defeitos e, por outro lado, não permaneçam secando por tempos demasiadamente longos o que implicaria em aumento de custo. A curva de Bigot está sendo representada na Figura 7, ela descreve a evolução da retração de secagem em função da perda de água de conformação.
A quantidade de água de umidade que as peças apresentam no início da etapa de secagem é representada no ponto (A), na ordenada (ponto E). Na abscissa, pode-se obter a retração total de secagem que irá ocorrer. A primeira fase de secagem, aquela em que ocorre eliminação da água de plasticidade é representada na linha (A-B). Essa água está localizada entre as partículas, e por isso sua eliminação é muito complicada, já que ela é acompanhada de retração, que aumenta o risco de aparecimento de defeitos. A segunda fase de secagem, caracterizada pela eliminação de água intersticial, é representada na linha (B-C). Teoricamente, o ponto (B) deveria situar-se no eixo da abscissa, indicando ausência de retração de secagem quando se iniciar a eliminação de água intersticial.
Figura 7: Variação da retração de secagem em função da água de conformação – curva de Bigot. [9]
Contudo, na prática, não são todas as partículas que entram em contato ao mesmo tempo, pois a superfície seca com mais rapidez que o interior da peça.
Consequentemente parte da água evaporada ainda se origina da interposição entre partículas. Por outro lado, à medida que evapora esta água de plasticidade a água intersticial proveniente dos capilares e que não produzem retração, vai tornando-se predominante1. O ponto (D) separa os dois tipos de água de umidade. A água de plas plastic ticid idad adee co corr rres espo pond ndee ao va valo lorr (D-E (D-E), ), en enqu quan anto to qu quee a ág água ua inte inters rstitici cial al é repres represent entada ada pel peloo se segme gmento nto (D-C). (D-C). A Figura Figura 8 des descre creve ve esq esquem uemati aticam cament entee a evolução da eliminação de água de conformação e retração de secagem de uma massa cerâmica plástica. Em I está representado o sistema argila-água no início da etapa de secagem. Em II, após um certo período de tempo, já não há mais a água de plas plastic ticid idad adee qu quee se sepa para ra as pa part rtíc ícul ulas as.. Por Por ou outr troo lado lado,, aind aindaa há ág água ua no noss capilares, denominada de água intersticial. Observa-se também que houve retração em relação ao estágio inicial. Já em III toda a água intersticial já foi eliminada e a peça não apresenta retração em relação ao estágio II.
Figura 8: Representação esquemática da secagem do sistema argila-água. [9]
5 Técnicas de Secagem
5.1 Secagem por atomização – Spray Drying O processo de secagem consiste em pulverizar o produto dentro de uma câmara submetida a uma corrente controlada de ar quente e, dessa maneira, se consegue uma evaporação dos solventes, em geral água, obtendo-se uma separação ultrarápida dos sólidos e solúveis contidos, com a mínima degradação do produto a secar, terminando esse processo com a recuperação do produto já em pó.
5.2 Secagem de umidade controlada Quando se secam produtos grossos, a secagem deve ser conduzida de forma que os gradientes de concentração não sejam muito grandes. Para Para ca cada da prod produt utoo co com m um en enco colhi lhime ment ntoo de se seca cage gem m finit finito, o, ex exis iste te um umaa velocidade crítica de secagem que causará defeitos no produto. Uma velocidade segura de secagem pode ser aumentada usando a secagem de umidade controlada. O aquecimento de um produto em ar úmido diminui a evaporação da superfície e reduz a viscosidade do líquido a ser secado.
5.3 Secagem de microondas As microondas se refletem por condutores elétricos, se transmitem por isolantes elétricos e se absorvem por dielétricos, sendo a água dielétrica por ser polar. A absorção de microondas causa um aquecimento proporcional à intensidade e ao produto da frequência do fator de perda. As microondas podem ser usadas para aquecer e evaporar líquido de forma rápida em seções largas, independentemente da condutividade térmica do sólido. Na secagem de isolantes cerâmicos, as ondas são absorvidas pela água, sendo que a temperatura não deve exceder 50º C, evitando altas temperaturas na superfície que se utiliza na secagem convencional.
Este tipo de secagem é usado para produtos que são sensíveis á temperatura, para uma secagem mais rápida, para secagem de produtos que contem materiais coloidais e para argila de permeabilidade muito baixa.
5.4 Secagem de suspensões Um material em suspensão sobre uma banda metálica e as películas do tapecast ca stin ingg sã sãoo se seca cado doss co cont ntin inua uame ment ntee e de fo form rmaa rá rápi pida da.. Na se seca cage gem m de um umaa suspensão sobre uma banda metálica, se fornece calor por condução através da banda e pelo ar de secagem que ultrapassa 400º C. A turbulência produzida durante a ev evap apor oraç ação ão po pode de re reta tard rdar ar a fo form rmaç ação ão de um umaa ca capa pa su supe perf rfic icia iall de ba baix ixaa permeabilidade.
Figura 9: Comportamento de secagem em uma suspensão aquecida rapidamente a 500°C. Suspensões floculadas desenvolvem uma película de baixa permeabilidade. [8]
No tape-casting, a fina suspensão não pode ser secada muito rápido, porque a secagem é unidirecional e a permeabilidade do tape é muito baixa.
A concentração de líquido no ar é relativamente alta durante o início da secagem e a temperatura máxima do líquido deve estar muito abaixo do ponto de ebulição durante o período de velocidade constante. O fluxo de ar e a temperatura são controlados cuidadosamente para maximizar o período de velocidade constante e minimizar gradientes de concentração de líquido, até que a contração tenha acabado.
Figura 10: Comportamento de uma suspensão tape-casting. [8]
5.5 Secagem supercrítica e secagem por congelamento Pode ser usado para minimizar os efeitos da tensão superficial do líquido durante a secagem. Na secagem supercrítica, o produto é aquecido até que o líquido se torne um fluido flu ido sup superc ercrít rítico ico.. A sec secage agem m sup superc ercrít rítica ica oco ocorre rre dur durant antee a des despre pressu ssuriz rizaçã açãoo isotérmica. A secagem por congelamento é usada para secar produtos onde se procura evitar a formação de líquido e o aquecimento do produto.
6 Secadores Antigamente, realizava-se a secagem empilhando as peças em lugares abertos ou em locais fechados ventilados. Existem numerosos tipos de secadores, tais como co mo:: na natu tura rais is,, artif artific icia iais is,, de câ câma mara ra,, túne túnel,l, font fontes es de ca calo lor, r, etc. etc. Os atua atuais is proc proced edim imen ento toss indu indust stria riais is sã sãoo os se seca cado dore ress de câ câma mara rass ou túne túneis is a ba base se de vagonetes que circulam em contra corrente do ar corrente que vem do forno. Abaixo serão descritos brevemente alguns dos secadores existentes.
6.1 Secadores com circulação de ar ou de câmaras Neste caso, consiste em aquecer ou enviar ar quente ao deposito de peças a secar. É o sistema mais antigo e mais usado, que se aproxima a secagem natural. A velo ve loci cida dade de de se seccag ageem é len lenta ta,, dev evee-se se dotar otar um umaa tem tempe pera ratu turra ba baix ixa, a, especialmente nas duas primeiras fases. São, geralmente, células por onde passa o ar quente ou funcionam com calefatores. O ar fica em agitação turbulenta mediante ventiladores. Isto se deve ao fato do ar quente em contato com as superfícies a sere se rem m sec ecas as se es esfr fria iarr e te tend nder er a de desc scer er,, o qu quee cria criará rá zo zona nass de dife difere rent ntee temperatura de cima até baixo, e ademais por haveres correntes em todas as direções para que o secador seja homogêneo. Convém dividir o secador de modo que todo o material de cada zona se encontre na mesma de secagem, cuidando de renovar o ar, pois se aproxima da saturação, e o processo se prolongaria mais do que o necessário e poderiam ser formadas névoas e condensações que danificam o material.
6.2 Secadores de ar úmido Para encurtar e facilitar a fase de pré-aquecimento, que é a mais delicada do secado, são introduzidas as peças num ambiente que já está a alta temperatura, mas com uma atmosfera saturada de umidade. Assim as peças se aquecem sem secar e contrair-se. Diminuindo depois gradualmente a umidade, obtém-se uma secagem constante, racional e que pode ser considerada que acontece de dentro até fora.
Cons Co nstr trut utiv ivam amen ente te,, es este tess se seca cado dore ress sã sãoo co como mo os prim primei eiro ros; s; po poré rém m sã sãoo alimentados por ar mais quente (60-80ºC) e dispõem de injetores de vapor para corrigir a umidade. Este Este sist sistem emaa te tem m a va vant ntag agem em de redu reduzi zirr até até 40 40% % o temp tempoo de se seca cage gem, m, red reduz uziind ndoo-sse not otaave velm lmen ente te a des esccarte arte por rupt ruptur uraa e gran grandde pa part rtee dos inconvenientes típicos do mesmo.
6.3 Secadores Contínuos Atualmente tende-se, por evidentes razões de rendimento, ao uso de secadores de ciclo contínuo. O material a secar é colocado sobre vagonetes ou gangorras que percorrem o canal de secagem em contracorrente com o ar quente. Ele entra quente e seco pela saída de peças e percorre o canal saturando-se até sair pela entrada das peças, quase completamente saturado. Tem-se uma magnífica aplicação do secador de ar úmido, com a vantagem de umaa gran um grande de e rápi rápida da prod produç ução ão e de um umaa se seca cage gem m mais ais co cons nsta tant nte, e, se send ndoo relativamente pequeno o da câmara. Ademais, têm-se uma grande possibilidade de regulação das curvas de temperatura e de umidade.
6.4 Secador túnel É aquele no qual o material a ser seco se situa sobre vagonetes que atravessam um corredor desde o extremo mais frio e úmido até o mais quente e seco, ou seja, em contra-senso em relação ao ar que circula pelo túnel, cujas condições variam gradualmente ao longo de todo o percurso, pois as peças se aquecem e secam a custo de umedecer e esfriar ao ar. Em nenhum momento há choque térmico brusco. Ainda que convenha fazer secagem da maior superfície possível, por razão de rendimento e aproveitamento de espaço, se conveniente este requisito, empilhar as peças a secar até o limite que consentir seu peso e sua plasticidade, pois cada peça deve contrair contrair supo suportand rtandoo o peso das pilhas sobre ela e a maio maiorr plasticida plasticidade, de, maior contração. Às vezes fraciona-se a altura de empilhamento usando estantes.
Para contrapesar a tendência que se tem a temperaturas se estratifiquem, já que os gases quentes menos densos tendem a subir e aumentar a pressão interior com objetivo de uniformizar e ajudar na penetração do ar nos espaços reduzidos, se estabelecem, com ventiladores auxiliares, recirculações de ar da parte superior para a inferior e de uma zona de secagem a outra. Para Para ev evita itarr ma mani nipu pula laçõ ções es su susc scet etív ívei eiss de prov provoc ocar ar da dano nos, s, os va vago gone nete tes, s, construídos em materiais refratários, são carregados na seção de conformação das peças e percorrem a zona de espera (pré-secador), secador e forno (tipo túnel, até a seção de seleção, exceto se a pasta é muito plástica e sensível e que não seja possível que a secagem das peças colocadas de uma em uma. Neste caso utilizamse para secar vagonetes diferentes dotados de umas bateias sobrepostas, sendo necessário trasfegar as peças até os vagonetes refratários entre o secador e o forno. É o secador mais utilizado para produções seriadas a escala industrial. Aproveita o ar quente procedente do forno túnel com um ciclo aproximado de 48 horas e uma longitude de 70 a 100 metros; por tanto, com grande necessidade de espaço, mas de grande rendimento, somente superado pelo secador acelerado.
6.5 Secador Acelerado Como mesmo conceito que o anterior, mas se trata de uma torre vertical, como um elevador, com uma altura de 12-16 metros, em dois vãos consecutivos de subida e descida, ou seja, um único canal vergado 180°, que as peças percorrem de modo individual, sem acumular, sustentadas por balanços ou pentes de barrotes, em contracorrente com o ar quente procedente de um gerador a combustão, geralmente de gás natural ou gás de petróleo liquefeito (propano, butano). Só pelo fato de tratar de peças individualmente, sem suportar o peso ao contrair e dado o rigoroso controle de temperatura, pressão e umidade relativa do ar em todo o percurso, é possível reduzir o ciclo de secagem em 1 hora aproximadamente. Além do mais, comparando com o secador de túnel, este ocupa muito pouca planta de edifício, e tem menor inércia térmica que o permite apagar e voltar ao regime em tempo escasso, podendo-se ajustar aos turnos de trabalho tr abalho necessário. O secador de
túnel funciona 24 horas, todos os dias do ano, exceto nas manutenções ou reparos.
7 Defeitos de secagem Alguns possíveis efeitos que aparecem depois da secagem, assim como suas respectivas soluções, são apresentados na Tabela 2.
Tabela 2: Defeitos de secagem e respectivas soluções.
Defeitos •
Soluções Uniformizar a espessura da peça;
Rachaduras, fissuras; •
Aumentar a plasticidade da massa;
Deformidades (devido às ações mecânicas externas, peso, vibração,
Evitar a mudança de lugar antes da
mudança de lugar, esforço ao
secagem;
desenformar); •
Fazer a evaporação da água superficial mais lentamente (temperatura, umidade, renovação do ar);
Casca (peça seca na superfície mais úmida no interior).
•
Acelerar encaminhamento da água através da massa, do miolo à superfície (temperatura da peça: a água é mais fluida a 80°C).
7.1 Casos de secagens específicos
7.1.1 Secagem de Placas Uma placa apoiada sobre uma das faces perderá água pela parte superior e pelas laterais, mas não pela parte apoiada. Esse processo promoverá uma secagem mais pronunciada e, consequentemente, uma retração maior nos cantos, o que causará o levantamento dessas áreas (empenamento), e se ela não conseguir se movimentar na superfície na qual está apoiada aparecerá trincas típicas no centro doss lado do lados, s, co com m es está tá es esqu quem emat atiz izad adoo na Figu Figura ra 11 11.. Isso Isso po pode de se serr aten atenua uado do,, colocando-se as peças sobre jornais, pois ele ao mesmo tempo em que retira umidade da parte de baixo da peça, permite sua movimentação.
Figura 11: Secagem de placa com retração nos cantos, ocasionando o empenamento. [2]
7.1.2 Secagem de Pratos, Travessas, Tigelas e Peças Assemelhadas O problema é semelhante ao das placas, pois partes das peças, principalmente as abas, tem mais facilidade de perder umidade, retraindo-se mais rapidamente, causando trincas nas abas. Às vezes, as abas secam e o fundo com espessura maior, quando secar e retrair, trinca no meio ou circularmente, como no esquema da Figura 12.
Figura 12:Secagem de pratos com retração diferencial, ocasionando trincas. [2]
Ness Ne ssee ca caso so,, de deve ve-s -see se semp mpre re qu quee po poss ssív ível el faze fazerr a pe peça ça co com m es espe pess ssur uraa constante, e não o fundo mais espesso ou com ranhuras ou saliências que poderão interferir na secagem. Para minimizar esses problemas, devemos também colocar jornal sob as peças, para que elas possam se movimentar e perder a umidade o mais rapidamente possível. Recomendamos, também, que o início da secagem seja feito de modo lento e, se necessário protegido. 7.1.3 Vasos e Esculturas Vasos grandes, feitos em torno, ou com espaguetes ou ainda com pedaços de argila, normalmente apresentam problemas de secagem, minimizados desde que se tomem algumas providências durante a sua construção. A espessura do fundo e das paredes deve ser a mais homogênea possível. A concordância do fundo com as paredes não deve ser em ângulo reto, mas formando uma curva suave. No caso de se trab trabal alha harr co com m es espa pagu guet etes es,, de deve ve-s -see tom tomar cu cuid idad adoo na junç junção ão de dele less e, prioritariamente, que tenham todos a mesma umidade. Quando usamos pedaços de argila para compor a nossa peça, devemos tomar os mesmo mes moss cui cuidad dados os que tom tomamo amoss qua quando ndo usa usamo moss esp espag aguet uetes, es, tom tomar ar cu cuida idado do também com bolhas de ar, que podem destruir a peça durante a queima. Quan Qu ando do fa faze zemo moss em to torn rnoo va vaso soss alto altos, s, co com m vá vário rioss se segm gmen ento toss torn tornea eado doss separadamente, temos que tomar cuidado para que, ao juntá-los, eles estejam com o me mesm smoo te teor or de um umid idad ade, e, pa para ra ev evita itarr qu quee ca cada da se segm gmen ento to tenh tenhaa co cont ntra raçã çãoo diferente, durante a secagem, e apareçam trincas nas imediações das emendas.
Quanto mais pesada for a peça e quanto mais espesso for o fundo, maior deverá ser o cuidado com a secagem e, sobretudo, com a movimentação da peça nesse período. Recomendamos uma camada generosa de jornal na base. No ca caso so de es escu cultltur uras as,, co cons nsid ider eran ando do-s -see ma mais is as gran grande des, s, pe pesa sada dass e nã nãoohomogêneas, como por exemplo, bustos, corpos, animais ou peças abstratas, os problemas da secagem são ainda maiores, e agravados pelo tempo que demora fazer um trabalho desse tipo. Nesses casos, massas com chamote fino são de muita utilidade, pois diminuem a retração na secagem. O ambiente onde essas peças são feitas também é importante. Ambientes muito quentes e secos aceleram a secagem, enquanto as peças estão sendo feitas e, neste caso, é interessante que a peça seja umedecida de tempos em tempos, e também bem protegida durante o período total que estiver sendo feita. Peças como rostos, caras de animais, braços, pernas, nas quais existem partes finas e salientes, como por exemplo, orelhas na ou nos dedos das mãos, representa problemas na secagem, pois estas partes além de serem mais finas, têm mais superfície exposta e, portanto, secam muito mais rápido, diminuindo de tamanho e apresentando trincas de secagem nos contatos e até chegam a se separar do restante da peça. Para minimizar isso é importante manter essas partes fechadas em sacos plásticos e até, se necessário, umedecê-las. Também esses tipos de peças devem ser colocadas sobre camadas de jornal, para ara qu quee pos osssam se mov ovim imen enta tarr duran urante te a sec ecaagem em,, evita vitand ndoo trin trinca cas, s, principalmente na base. Elemen Elementos tos com comoo ma madei deira, ra, ferro, ferro, plá plásti sticos cos e out outros ros mat materi eriais ais,, us usado adoss com comoo auxiliares na confecção das peças, não devem ser mantidos no seu interior, durante a secagem, pois o fato deles não mudarem de tamanho pode causar trincas e rachaduras no processo de secagem, quando a argila diminui de tamanho.
Portanto, os cuidados para evitar trincas de secagem devem começar durante a feitura das peças cerâmicas, principalmente as de grande porte. Espessuras muito
desiguais, variações de umidade da argila durante o preparo da peça e muito tempo para confeccionar a peça são elementos que aumentam a chance de problemas durante a secagem. Argila com chamote, um ambiente com temperatura moderada, circulação de ar constante, umidade relativa do ar média, apoio no qual a peça possa se movimentar são fatores que auxiliam a secagem e diminuem o risco r isco do aparecimento de trincas.
8 Otimização do processo de secagem
O que se pretende com essa operação é conseguir a secagem das peças com o mínimo de consumo térmico e elétrico, no mínimo tempo e sem que se produzam rupturas. Caso a peça seja seca a temperatura ambiente, a evaporação da água produzira uma leve queda da temperatura na superfície. Ao diminuir a temperatura, a energia de liga ligaçã çãoo se será rá maior aior na supe perf rfíc ície ie qu quee no inte interi rioor, o que con ondduz a um deslocamento ou fluxo de água até a superfície da peça, facilitando o processo. Se ao invés de secar a temperatura ambiente, introduz-se a peça num forno aquecido, a superfície se aquecerá antes do interior, com o qual o fluxo de água irá da superfície ao interior, acrescentando as diferenças de umidade que durante a secagem realizam-se entre ditas zonas das peças. Para evitar este fenômeno, a secagem não deve começar até que toda peça tenha alcançado a mesma temperatura. Isto é conseguido mantendo uma umidade rela relatitiva vam men ente te alta alta de dent ntro ro do fo forn rno, o, mas ma mant nten endo do o am ambi bien ente te a máx áxim imaa temperatura, para aquecer o material. Daí vem o ditado do velho tijoleiro de que “antes de começar a secagem, a peça deve suar”. Umaa ve Um vezz qu quee as te temp mper erat atur uras as sã sãoo igua iguala lada das, s, aind aindaa qu quee se seja ja pe pequ quen enaa a quantidade de água evaporada na superfície, se produzirá uma leve diminuição da
temperatura, dando lugar ao fluxo correto. Uma vez que conhecemos os parâmetros básicos da argila, como a porcentagem de umidade de molde, a umidade de contração ou umidade crítica, a umidade de porosidade, etc., se divide o ciclo de secagem em três zonas A, B e C, tal como é mostrado na Figura 13. A duração destas zonas se determina experimentalmente e são analisadas abaixo:
8.1 Aquecimento da peça No exemplo exemplo da Figura Figura 13, a princí princípio pio demos demos a zo zona na A um umaa duraçã duraçãoo de 2.45 horas, que é o tempo que é considerado necessário para o aquecimento do material. Durante esta fase, a alta umidade relativa do forno (ao redor de 95%) evita a secagem da peça. Inclusive a umidade condensada sobre as superfícies frias fr ias podem conduzir a um leve incremento da quantidade de água da peça, tal como pode ser visto na curva da Figura 13. Se há muita diferença entre a temperatura do material ao entrar no forno e a temperatura de saída dos gases na chaminé, pode ser gerado uma condensação excessiva, molhando-se a peça. O ideal é que a temperatura da pela ao entrar no forno coincida com a temperatura de saturação dos gases na zona de entrada. Para conseguir isso, o recomendável é trabalhar com vapor na amassadeira da extrusora e se isto não for possível por causa da alta quantidade de umidade na argila, dispor de um pré-aquecedor. Isto é muito útil no inverno, quando o tempo é frio e a temperatura do produto está muito abaixo da temperatura dos gases que saem do forno. Além do problema da condensação, expor ao ar do forno a menor temperatura implica trabalhar com ar em abundancia e diminuição da eficiência térmica da instalação. É importante não permitir que no processo de pré-secagem o estacionamento prévio do material verde não se dê na secagem, devido ao fato de que se essas
instalações não estiverem preparadas, fissuras seriam geradas.
Figura 13: Ciclo de secagem. [1]
8.2 Eliminação de água de contração ou crítica
A secagem secagem propriamente propriamente dita come começa ça na segunda zona, da qual chamamos chamamos de B. Nesta zona o perigo de rupturas é máximo já que nela acontece a contração da peça e são as diferenças de contração que levam a tensões e rupturas no material seco se co.. É prec precis isoo co cons nseg egui uirr um umaa gran grande de un unififor ormi mida dade de de se seca cage gem, m, o qu qual al se consegue estabelecendo estabelecendo uma boa recirculação de ar através da peça. A uni unifor formid midade ade de ven ventil tilaçã açãoo atravé atravéss da peç peçaa dep depend enderá erá da vel veloci ocidad dadee de secagem que se pode conseguir nessa zona. A velocidade a qual realmente se produz na secagem é determinada pela umidade relativa do ar, portanto o forno deve dispor na zona B de sondas de umidade relativa. A diferença de umidade relativa onde a sonda colocada ao começo é situada ao final da zona B e nos dá a velocidade com a qual realmente se produzirá a secagem. As peças têm uma velocidade limite de secagem, se ela for superada, rupturas serão produzidas. A velocidade limite depende da natureza das argilas e de sua história antes de entrar ao forno. Se não têm dados obtidos no laboratório da máxima velocidade de secagem, deve-se determiná-la experimentalmente, em função da umidade relativa do ar e de sua velocidade sobre as peças. As condições do interior do forno deverão ser reguladas para que acompanhem a curva de secagem das peças à máxima velocidade de secagem admissível. É imprescindível uma ótima agitação do ar em cada seção transversal do forno, para evitar que haja demoras na secagem das peças em determinados lugares, por falta de circulação do ar. A demora da secagem das peças de um determinado setor, é feito em outro setor, sendo que em ambos são geradas fissuras curtas ou largas. A pres pressã sãoo de ar nã nãoo é um fa fato torr qu quee infl influí uí na se seca cage gem. m. Co Cont ntud udo, o, infl influi ui indiretamente de maneira significativa. Se a pressão interna for muito alta, são geradas fugas do forno com uma conseqüente perda de rendimento térmico. Se pelo contrário, a pressão for muito negativa, se produzem entradas de ar frio que podem induzir fissuras ou outros inconvenientes similares.
8.3 Eliminação de água de porosidade
A passagem da zona B para C acontece no momento em que a peça alcançou o ponto crítico, muito próximo ao final da contração. Ao não se produzir contrações na peça, as condições de secagem podem ser forçadas elevando a temperatura e reduzindo a umidade relativa do ar. Nesta zona o agente principal de secagem é o efeito da temperatura, deixando de ser a velocidade do ar o principal fator na velocidade de secagem. Contudo, para conseguir uma boa transferência térmica uniforme, segue sendo fator importante a velocidade do ar. Nesta etapa o fator determinante de secagem é conseguir a separação das moléculas de água unidas por fortes uniões elétricas às partículas de argila. Esta separação é conseguida basicamente pela temperatura. A duração desta etapa depende do tempo necessário para que a quantidade de umidade da peça fique situada entre 2 e 3%. Se depois houver cozimento, essa taxa deverá ser inferior a 1%. Em resumo temos: O tempo de secagem na mesma argila é diretamente proporcional: I-
A esp espes essu sura ra do prod produt uto, o, de desd sdee o co come meço ço do proc proces esso so até até a elim elimin inaç ação ão de água livre (ponto crítico), zona B.
II II--
A esp espes esssura ura do pro produ duto to ele elevvad adoo a um umaa potê potênc ncia ia máx máxim imaa próx róxim imaa a 2, durante a eliminação da água de porosidade, zona C.
II IIII-
In Inve vers rsam amen ente te pro propo porc rcion ional al à dif difer eren ença ça de de temp temper erat atur uras as ent entre re a peç peçaa e o ar durante o período de eliminação da água livre e grande parte do período correspondente à perda de água de porosidade.
Enquanto se elimina a água de contração ou água intersticial, a temperatura da peça permanece constante coincidindo com a temperatura do úmido do ar.
9 Conclusão O processo de secagem na cerâmica é uma etapa extremamente importante na confecção das peças, sendo fundamental para manter a integridade daquilo que foi construído, independente da técnica utilizada. Mas o processo de secagem não pode ocorrer de qualquer maneira. É preciso prestar atenção em alguns detalhes para pa ra qu quee nã nãoo oc ocor orra ram m rach rachad adur uras as,, qu queb ebra rass ou de defo form rmaç açõe õess na pe peça ça.. Esse Essess problemas podem acontecer no caso de secagem muito brusca, onde o processo não se dá de maneira homogênea. Como já foi dito a secagem de uma peça ocorre de fora para dentro, ou seja, a água ág ua co cont ntida ida na nass ex extr trem emid idad ades es ev evap apor oraa prim primeir eiro. o. Send Sendoo as assi sim, m, um umaa gran grande de diferença de umidade entre as extremidades e as partes mais internas ou grossas da peça pode provocar rachaduras. Quanto mais homogêneo for o processo de secagem, e quanto mais uniforme for a espessura da peça, melhor. O ar é fundamental nesse processo, bem como as condiç con dições ões de cal calor or e um umida idade de do am ambie biente nte.. Ambie Ambiente ntess mui muito to que quente ntess pod podem em acelerar o processo e exigir um cuidado maior para que a peça seque de maneira uniforme. Ambientes muito úmidos pode atrasar o processo de secagem, levando dias para que a peça fique pronta para a queima. Durante a secagem, a água que evapora deixa espaços vazios entre as partículas da argila que se acomodam naturalmente. Normalmente, ocorre um ligeiro encolhimento da peça em relação ao tamanho original. Esse fator de redução varia de acordo com a argila utilizada. O cuidado na confecção e secagem da peça é fundamental para o sucesso do resultado final no trabalho cerâmico.
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