ANÁLISE EXPERIMENTAL DA SECAGEM DE ARGILA
W.A. Lehmkuhl, T.S. Possamai, D.S. Weber, V. Fornazieri, V.P. Nicolau Universidade Federal de Santa Catarina / Campus Universitário - Trindade
Centro Tecnológico / Depto. De Engª. Mecânica / labCET E-mail: willian@cet.ufsc.br
RESUMO
A etapa de secagem deve estar sincronizada com o processo de queima, caso contrário, a secagem se torna o gargalo para o aumento da produção. O objetivo deste trabalho é, então, apresentar um estudo do processo de secagem de argila com diferentes condições de preparo e avaliação experimental das principais variáveis de processo envolvidas. Estes dados servirão de entradas e parâmetros para a futura elaboração de um programa de simulação computacional que servirá como ferramenta de projeto e análise de secadores.
Palavras-chave: Secagem, otimização, cerâmica vermelha.
INTRODUÇÃO
Na indústria de cerâmica vermelha o processo de secagem se segue após as etapas de extrusão e/ou prensagem. Após a regulagem de alguns secadores contínuos do tipo túnel (Cerâmica Heinig – SC e Cerâmica Candelária – RS) percebeu-se como algumas variáveis do processo (temperatura, umidade relativa e ventilação) influenciam a curva de secagem, o percentual de peças com defeitos e o rendimento térmico de um secador. Porém muito pouco se conhece sobre a influência que os parâmetros de preparação da massa cerâmica e conformação das peças têm sobre o desempenho do processo de secagem de uma maneira geral. O trabalho de Vieira(1), Feitosa e Monteiro mostra que o enfraquecimento da massa argilosa pela adição de areia reduz a quantidade de água necessária à conformação de uma peça e, portanto, reduz também sua retração. No entanto, trabalhos mostrando como a carga de compactação, a granulometria e a quantidade de água no preparo da massa influenciam o processo de secagem são difíceis de encontrar. Deseja-se, neste trabalho, investigar a influência destes parâmetros e contribuir com
esta linha de investigação. Para tanto, foi montado um aparato experimental e realizados diversos ensaios de secagem, com diferentes condições de preparo da massa cerâmica, que são comparados através de gráficos. Os dados obtidos constituem ainda resultados preliminares e deverão ser validados através da realização de um número maior de ensaios.
MATERIAIS E MÉTODOS
Inicialmente foram reunidas algumas argilas disponíveis que, após completa secagem, foram moídas individualmente, peneiradas em equipamento apropriado, e separadas de acordo com a espécie e granulometria da argila obtida.
Figura 1 - Equipamento para peneiramento.
Em seguida foi selecionada uma das argilas disponíveis, de cor cinza, utilizada por empresas cerâmicas de Criciúma-SC, para a realização deste primeiro conjunto de testes. Foram preparadas amostras em formato de disco cilíndrico, com 63 mm de diâmetro e cerca de 20 mm de altura. Estas amostras foram preparadas com massas de granulometrias diferentes [0,297 – 1,19mm], conteúdos iniciais de umidade diferentes [15 – 25%] e cargas de compactação diferentes [1 – 5 toneladas na prensagem]. Cada tipo gerado de amostra foi posteriormente levado ao aparato experimental para a determinação de sua curva de secagem.
Proceedings of the 48th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society
Aparato experimental
É constituído por uma estufa com ventilação interna e controlador programável de temperatura, uma balança posicionada sobre o teto da estufa e uma bandeja para colocação das amostras. A bandeja é acoplada à balança através de um fio inextensível que perpassa o teto da estufa por um pequeno orifício. O aparato experimental conta ainda com um medidor de umidade relativa e um dispositivo de controle de umidade absoluta.
Figura 2 – Aparato experimental
Uma vez que o objetivo é de se investigar a influência dos parâmetros de preparação da massa cerâmica, a estufa foi regulada para operar com umidade relativa de 3% e temperatura constante de 90°C para todos os ensaios.
RESULTADOS
O primeiro parâmetro considerado foi o percentual inicial de água. Como a medida da retração de secagem de uma peça depende não só da natureza da argila, mas também do percentual de água eliminado, a maior ou menor retração obtida por cada peça pode modificar as características de secagem das mesmas. Foram
realizados ensaios com massas preparadas com 15 e 25% de umidade, mantendo constantes a granulometria e a carga de compactação. Na indústria é usual se retirar peças dos secadores com teor de umidade em torno de 3%. Observando a fig. 3, pode-se ter a impressão de que as curvas de secagem obtidas são paralelas e, portanto, têm a mesma taxa de secagem. Para efeito de comparação, foi alterado o eixo das abscissas de uma das curvas de tal forma que os pontos iniciais das duas curvas coincidissem, permitindo a verificação do andamento do processo de secagem, mostrado na fig. 4.
0 5 10 15 20 25 30 0 1 2 3 4 5 6 Tempo (h) C ont eúdo d e U m id a d e ( % ) 0,84 mm x 25% x 1 ton 0,84 mm x 15% x 1 ton
Figura 3 – Curva de secagem obtida
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 1 2 3 4 5 6 Tempo (h) C o nt e ú d o de U m id a d e ( % ) 0,84 mm x 25% x 1 ton 0,84 mm x 15% x 1 ton
Figura 4 – Curva de secagem com passo de tempo Proceedings of the 48th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society
Tomando-se as derivadas das funções referentes às curvas de secagem acima, se obtêm as taxas do processo de secagem. Como já se era esperado, a amostra feita com a massa contendo 25% de umidade apresentou a maior taxa inicial de secagem, em números absolutos [g/h], mostrado na fig. 5. Porém, ao se dar um passo de tempo no eixo das abscissas para coincidir o percentual inicial de água das duas curvas, a resposta no gráfico das taxas de secagem indica que a variação percentual do conteúdo de umidade da amostra preparada com 15% de água é ligeiramente maior. Estas curvas tendem a convergir para um valor de cerca de 3%/h, como mostrado na fig. 6.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 1 2 3 4 5 6 7 Tempo (h) - d (m )/ d t 8 0,84 mm x 15% x 1 ton 0,84 mm x 25% x 1 ton
Figura 5 – Taxas de secagem absolutas [gramas de água/h]
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Tempo (h) d( % )/ d t 0,84 mm x 15% x 1 ton 0,84 mm x 25% x 1 ton
O segundo parâmetro variado foi a granulometria, mantido os demais constantes. Este parâmetro mostrou uma influência relativamente pequena, dentro da faixa de valores analisados [0,297 – 1,19 mm], pois as curvas são praticamente paralelas. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 1 2 3 4 5 6 7 Tempo (h) C o n te údo de U m id a d e ( % ) 0,297 mm x 20% x 1 ton 0,297 mm x 20% x 1 ton
Figura 7 - Influência da granulometria [mm]
Este resultado já era esperado uma vez que durante a mistura e a prensagem da massa úmida, os grãos se unem dando origem a uma massa mais homogênia. O efeito prático observado é um ligeiro aumento da taxa de secagem para a granulometria mais fina, no início do processo, mostrado na fig. 8.
0 5 10 15 20 25 30 35 0 1 2 3 4 5 Tempo (h) d (m )/d t 1,190 mm x 20% x 1t 0,297 mm x 20% x 1t
Figura 8 – Taxa absoluta de secagem [gramas de água/h] Proceedings of the 48th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society
O terceiro parâmetro considerado foi é carga de compactação. Nos ensaios realizados com amostras feitas com argila de granulometria de 0,59 mm, os resultados apontam para um decréscimo na taxa de secagem à medida que a carga de compactação aumenta, com efeito maior no início do processo, como mostrado nas fig. 9 e 10. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Tempo (h) C o n teú do de U m id ad e ( % ) 0,59 mm x 20% x 3 ton 0,59 mm x 20% x 5 ton
Figura 9 - Influência da carga de compactação
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 Tempo (h) - d (m )/ d t 0,59 mm x 20% x 3 ton 0,59 mm x 20% x 5 ton
Figura 10 – Taxas absolutas de secagem [gramas de água/h]
Pode ocorrer de a massa preparada não ficar perfeitamente homogênea, e também se percebe que durante a prensagem uma pequena quantidade de água é perdida em contato com o molde. Por isso, muitas vezes ocorre de uma massa
preparada com, por exemplo, 20% de água, produzir amostras com percentuais de umidades ligeiramente diferentes e as curvas de secagem não partirem exatamente do mesmo ponto, como nas fig. 7 e 9.
CONCLUSÃO
A amostra feita com a massa contendo 25% de umidade apresentou maior taxa inicial de secagem, em números absolutos [g/h], em comparação com a amostra de 15%. Porém, em termos percentuais, a variação do conteúdo de umidade da amostra preparada com 15% de água é ligeiramente maior do que a de 25%. Estas taxas tendem a convergir para um valor de cerca de 3%/h. Para um menor valor, tanto de granulometria como da carga de compactação da amostra, é observado um ligeiro aumento da taxa de secagem, principalmente no início do processo. Os valores obtidos nos gráficos para as taxas absolutas de secagem ou para as taxas percentuais de secagem podem servir de base para estimativas iniciais de parâmetros utilizados em programas de simulação computacional.
Agradecimentos especiais a RedeGásEnergia e ao Laboratório de Ciências Térmicas da UFSC.
REFERÊNCIAS
1. C. M. F. Vieira, H. S. Feitosa, S. N. Monteiro, Avaliação da Secagem de Cerâmica Vermelha Através da Curva de Bigot, Cerâmica Industrial, 8 (1), Janeiro/Fevereiro, (2003).
2. D. A. Brosnan, G. C. Robinson, Introduction to Drying of Ceramics with Laboratory Exercises, The American Ceramic Society (2003).
3. Más, E. Qualidade e Tecnologia em Cerâmica Vermelha, Editora Pólo Produções LTDA, São Paulo, 2002.
Proceedings of the 48th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society
EXPERIMENTAL ANALYSIS OF CLAY DRYING
ABSTRACT
The clay drying procedure must be synchronized with the clay firing procedure, otherwise it may become a limitation to the production enhance. This paper presents a study of clay drying prepared under different conditions and the experimental evaluation of main variables of process. The obtained data and parameters will be used in a computational simulation program which will serve as project and analysis tool of dryers. Special thanks to RedeGásEnergia for financial support.
