UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
LAÍS RODRIGUES NOGUEIRA
Estudo do consumo energético em uma indústria de revestimento cerâmico
Lorena 2019
LAÍS RODRIGUES NOGUEIRA
Estudo do consumo energético em uma indústria de revestimento cerâmico
Monografia apresentado à Escola de Engenharia de Lorena – Universidade de São Paulo para conclusão de Graduação do curso de Engenharia de Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Sebastião Ribeiro
Lorena 2019
Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizado da Escola de Engenharia de Lorena,
com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)
Nogueira, Laís Rodrigues
Estudo do consumo energético em uma indústria de revestimento cerâmico / Laís Rodrigues Nogueira; orientador Sebastião Ribeiro. - Lorena, 2019. 53 p.
Monografia apresentada como requisito parcial para a conclusão de Graduação do Curso de Engenharia de Materiais - Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo. 2019
1. Revestimento cerâmico. 2. Consumo energético. 3. Energia elétrica. 4. Energia térmica. 5. Via seca. I. Título. II. Ribeiro, Sebastião, orient.
AGRADECIMENTOS
À minha família que serviu como base em toda a minha vida e me deu o apoio que precisava para enfrentar os momentos mais difíceis de cabeça erguida e a cada desafio superado com mais força. Tudo o que conquistei e que ainda conquistarei é por eles.
Ao Prof. Dr. Sebastião Ribeiro, pela paciência e pelo dom em ensinar. Foi fundamental pelo meu desenvolvimento ao longo da faculdade e pelos ensinamentos que resultaram nessa monografia,
Aos professores e colaboradores do Departamento de Engenharia de Materiais da Universidade de São Paulo, responsáveis pelo desenvolvimento e conhecimento adquirido ao longo da graduação.
À todos meus amigos, especialmente os que levarei para além dessa etapa. Serei eternamente grata pelo apoio incondicional que recebi todos esses anos.
À Elektro, empresa em na qual dei início a minha vida no mercado de trabalho e que também deu grande suporte para que eu pudesse enfim encerrar mais essa etapa. A importância de unir o conhecimento adquirido em sala de aula com a possibilidade de aplicá-lo em uma situação real e saber que todos os anos dedicados ao estudo de Engenharia de Materiais é fundamental para o desenvolvimento do país. É descobrir a importância desse curso na transformação do país em que hoje vivemos.
“Só a educação liberta”. Epíteto
RESUMO
Nogueira, Laís Rodrigues. ESTUDO DO CONSUMO ENERGÉTICO EM UMA INDÚSTRIA DE REVESTIMENTO CERÂMICO. 53p. Monografia – Departamento de Engenharia de Materiais, Universidade de São Paulo, Lorena, 2019.
O presente trabalho apresenta o levantamento realizado em uma indústria que produz revestimento cerâmico, utilizando o método de via seca, no polo de Santa Gertrudes, levando em consideração o consumo energético e sua relevância para o cálculo dos custos totais de produção. O estudo foi feito através de análises do consumo de cada setor, comparando os diferentes processos e, consequentemente, tipo de energia necessária em cada linha de produção. Além da análise do consumo energético, também realizou o custo desse consumo, baseando-se em tarifações da empresa responsável pela distribuição de energia elétrica e a empresa de distribuição de gás natural. Os resultados obtidos nessa indústria foram comparados com dados obtidos em pesquisas anteriores de outras empresas brasileiras que utilizam o mesmo método de produção. Com isso, é possível demonstrar a importância de processos de eficiência energética na redução do custo de produção.
Palavras-chave: Revestimento Cerâmico. Consumo Energético. Energia Elétrica. Energia Térmica. Eficiência Energética. Via Seca.
ABSTRACT
Nogueira, Laís Rodrigues. STUDY OF ENERGY CONSUMPTION IN A CERAMIC TILE INDUSTRY. 53p. Monografia – Departamento de Engenharia de Materiais, Universidade de São Paulo, Lorena, 2019.
The present study presents the energetic survey done in a ceramic tile industry, which processes its products through a dry way, in the productive pole of Santa Gertrudes, considering the energetic consumption and its relevance for the estimate of production costs. The survey was done through consumption analysis of all departments, comparing the different processes and, consequently, the different kinds of required energy in production line. Beyond the consumption analysis, costs were also evaluated, based on tariffs applied by electric energy distributors and gas distribution companies. The achieved results in this industry were compared with data from previous researches in other Brazilian companies, which use the same kind of production processes. With this, it is possible to demonstrate the importance of energy efficiency in reduction of production cost.
Keywords: Ceramic Tile. Energy Consumption. Eletric Energy. Thermal Energy. Energy Efficiency. Dry Way.
Lista de Figuras
Figura 1– Fluxograma Geral de Produção de Revestimento Cerâmico ... 21
Figura 2 – Curva típica para processos de monoqueima ... 25
Figura 3 – Fluxograma das etapas de processamento de revestimentos cerâmicos ... 27
Figura 4 – Fluxograma real da empresa visitada para levantamento do consumo energético ... 36
Figura 5 – Granulador da marca K Sider ... 38
Figura 6 – Consumo médio por equipamento ... 42
Figura 7 – Consumo térmico médio ... 44
Figura 8 – Comparação entre consumo elétrico e térmico ... 45
Figura 9 – Volume de produção x Consumo energético ... 46
Lista de Tabelas
Tabela 1 – Grupos de Absorção em função do método de fabricação - NBR
13817 ... 13
Tabela 2 – Classificação de revestimentos cerâmicos extrudados segundo absorção de água e resistência à flexão ... 14
Tabela 3 – Classificação de revestimentos cerâmicos prensados segundo absorção de água e resistência à flexão ... 14
Tabela 4 – Propriedades tixotrópicas dos esmaltes cerâmicos ... 25
Tabela 5 – Valores globais de consumo energético em kcal/m2 de produto queimado ... 28
Tabela 6 – Consumo térmico dos equipamentos utilizados pelas indústrias de via seca e via úmida... 28
Tabela 7 – Volume de Produção ... 41
Tabela 8 – Análise de consumo de energia elétrica por equipamento ... 41
Tabela 9 – Consumo de Energia Térmica no Forno e no Secador ... 43
Tabela 10 – Comparativo entre consumo elétrico e consumo térmico em cada equipamento ... 45
Tabela 11 – Comparação do consumo energético com a literatura ... 47
Tabela 12 – Comparação entre o valor da fatura de energia elétrica e o valor da fatura de consumo de gás natural ... 48
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 11 2 OBJETIVO 11 2.1 OBJETIVO PRINCIPAL 11 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 11 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 12 3.1 HISTÓRIA DA CERÂMICA 12 3.2 DEFINIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO 12
3.3 CARACTERÍSTICAS DO REVESTIMENTO CERÂMICO 13
3.3.1 Cenário Atual da Indústria de Revestimento Cerâmico 14
3.4 POLOS CERÂMICOS NO BRASIL 15
3.4.1 Polo de Santa Gertrudes 16
3.5 MATÉRIAS-PRIMAS PRINCIPAIS PARA REVESTIMENTOS CERÂMICOS 17
3.5.1 Matéria-Prima Plástica 17
3.5.1.1 Argilas de Queima Avermelhada 18
3.5.1.2 Argilas de Queima Clara 18
3.5.2 Matéria-Prima Fundente 19
3.5.2.1 Matéria-Prima Refratária 19
3.5.2.2 Aditivos 19
3.5.2.3 Matéria-Prima e Aditivos para Esmalte 20
3.5.3 Processos de Produção de Revestimentos Cerâmicos 20
3.5.3.1 Dosagem 22 3.5.3.2 Moagem 22 3.5.3.3 Atomização 23 3.5.3.4 Prensagem 23 3.5.3.5 Secagem 23 3.5.3.6 Esmaltação 24 3.5.3.7 Queima 25 3.5.4 Consumo Energético 26 3.5.4.1 Energia Elétrica 29 3.5.4.2 Energia Térmica 31 4 METODOLOGIA 32
4.1 DEFINIÇÃO DA EMPRESA 32
4.2 SETORIZAÇÃO DA EMPRESA 33
4.3 OBTENÇÃO DOS DADOS DE CONSUMO ENERGÉTICO 34
4.3.1 Consumo Elétrico 34 4.3.2 Consumo Térmico 34 4.3.3 Volume de Produção 35 4.3.4 Custo Energético 35 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO 35 5.1 FLUXOGRAMA REAL 36 5.1.1 Extração da Matéria-Prima 37 5.1.2 Moagem 37 5.1.3 Granulação 37 5.1.4 Prensagem 39 5.1.5 Secagem 39 5.1.6 Esmaltação 39 5.1.7 Queima 39 5.1.8 Expedição 40 5.2 CONSUMO ENERGÉTICO 40 5.3 CUSTO ENERGÉTICO 47 6 CONCLUSÃO 50 REFERÊNCIAS 52
1 INTRODUÇÃO
Devido à importância do Brasil na produção, exportação e consumo de revestimento cerâmico no cenário global, tornam-se necessários estudos com objetivo de aumentar a competitividade dessas empresas no mercado mundial.
A indústria cerâmica é também um dos setores de maior consumo energético, seja através da energia elétrica ou energia térmica. Devido a este alto consumo é necessário constante inovação em projetos de eficiência energética, para que seja possível reduzir os custos operacionais, mantendo a mesma taxa de produção.
Reduzir estes gastos na indústria significa aumentar sua viabilidade e, como consequência, aumentar a disponibilidade de empregos, inclusive na área de Engenharia de Materiais.
2 OBJETIVO
2.1 OBJETIVO PRINCIPAL
Analisar, setor a setor de uma indústria de revestimento cerâmico, o consumo energético, seja ele consumo térmico ou elétrico. Comparar o consumo de cada etapa do processo produtivo e, ao final, analisar o impacto do consumo energético no valor final do revestimento cerâmico.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Montar um fluxograma real do processo produtivo da indústria cerâmica escolhida;
Detalhar, com base no fluxograma, o consumo energético térmico e elétrico dessa indústria;
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1 HISTÓRIA DA CERÂMICA
Devido à propriedades como rigidez, resistência e facilidade em ser moldada, a cerâmica é utilizada desde os primórdios da humanidade (ITAÚ CULTURAL, 2019). Os artefatos cerâmicos tiveram utilidade como objetos para armazenamento (mantimentos, água, sementes), peças decorativas e até mesmo como representações de cunho religioso.
Sua origem é muito antiga e aliada à sua grande resistência, a cerâmica se tornou importante também nos estudos arqueológicos. Muitas culturas desenvolveram estilos próprios de fabricação destes artefatos, como por exemplo, a Grécia, através de seus vasos para armazenamento de água, azeite e vinho, utilizando pinturas que representavam batalhas, força e conquistas (ITAÚ CULTURAL, 2019).
Já no Brasil, a produção cerâmica tem sua origem na Ilha de Marajó, onde é possível encontrar cerâmicas com alta qualidade e elaboração, utilizando técnicas especializadas como raspagem, incisão e pintura, mesmo desconhecendo o uso do torno (ANFACER, 2019).
3.2 DEFINIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO
A cerâmica pode ser definida como sendo materiais inorgânicos e não metálicos e são obtidos através de tratamentos térmicos em altas temperaturas (ABCERAM, 2016).
Segundo a Associação Brasileira de Cerâmica (ABCERAM, 2016), os materiais cerâmicos podem ser classificados em:
a) cerâmica vermelha, que, como o próprio nome induz, são os materiais com coloração avermelhada;
b) materiais de revestimentos, que são as placas utilizadas no acabamento de pisos, paredes, entre outros;
c) cerâmica branca, que pode ser também subclassificado em louça sanitária, louça de mesa, cerâmica para fins científicos e até mesmo artístico;
d) materiais refratários, que têm como objetivo suportar elevadas temperaturas e em condições especificas de processos industriais (envolvendo esforço mecânico, ataque químico, variações bruscas de temperatura);
e) isolantes térmicos, que podem ser classificados como refratários isolantes; isolantes térmicos e fibras ou lãs cerâmicas;
f) fritas e corantes, que servem como matéria-prima para outros segmentos cerâmicos que necessitam de acabamentos específicos;
g) abrasivos, como por exemplo o óxido de alumínio eletrofundido e o carbeto de silício;
h) cimento e cal, que por conta de suas particularidades muitas vezes são considerados à parte;
i) cerâmica de alta tecnologia, cuja aplicabilidade exige materiais de elevada qualidade.
3.3 CARACTERÍSTICAS DO REVESTIMENTO CERÂMICO
Revestimento cerâmico é o produto utilizado para revestir pisos e paredes. Suas características, como durabilidade e facilidade de limpeza, são vantagens que aumentam ainda mais o uso desse material (REBELO, 2010).
De acordo com a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), os revestimentos cerâmicos podem ser classificados em função do seu acabamento superficial (esmaltados ou não esmaltados), pelo método de conformação (extrudado, prensado ou fabricado por outra técnica) e também pelo grau de absorção de água (AA), conforme Tabela 1.
Tabela 1 – Grupos de Absorção em função do método de fabricação - NBR 13817
Absorção de água
AA (%) Extrudado (A) Prensado (B) Outros (C)
AA ≤ 0,5 AIa BIa CI
0,5 < AA ≤ 3 AIa BIb CI
3 < AA ≤ 6 AIIa BIIa CIIa
6 < AA ≤ 10 AIIb BIIb CIIb
AA > 10 AIII BIII CIII
Todas as variáveis influenciam a característica final do produto. Avaliando o método de fabricação é possível também classificar os revestimentos cerâmicos de acordo com algumas de suas propriedades mecânicas. A Tabela 2 apresenta os valores de módulo de resistência à flexão e a carga de ruptura de revestimentos cerâmicos obtidos pelo método de extrusão, segundo especificações da norma NBR 13818.
Tabela 2 – Classificação de revestimentos cerâmicos extrudados segundo absorção de água e resistência à flexão
Produto Grupo de absorção Absorção de água Resistência à Módulo de Flexão (MPa)
Carga de Ruptura (N)
Placa Extrudada AIa ≤ 3 23 1.100
Placa Extrudada AIb 3 a 6 20 950
Placa Extrudada AIIb 6 a 10 17,5 900
Placa Extrudada AIII > 10 9 600
Fonte: Oliveira e Hotza (2015)
Já para as placas cerâmicas obtidas por prensagem, as especificações técnicas estão descritas na Tabela 3.
Tabela 3 – Classificação de revestimentos cerâmicos prensados segundo absorção de água e resistência à flexão
Fonte: Oliveira e Hotza (2015)
3.3.1 Cenário Atual da Indústria de Revestimento Cerâmico
Na década de 1990, a produção de revestimentos cerâmicos era dominada pela China, Itália e Espanha, onde a China tinha grande destaque pela capacidade
Produto Absorção Grupo de Absorção de água Módulo de Resistência à Flexão (MPa) Ruptura (N) Carga de
Porcelanato BIa 0 a 0,5 ≥ 35 ≥ 1.300
Grés BIb 0,5 a 3 ≥ 30 ≥ 1.100
Semigrés BIIa 3 a 6 ≥ 22 ≥ 1.000
Semiporoso BIIb 6 a 10 ≥ 18 ≥ 800
de empregabilidade dessas empresas e pelo grande consumo interno. Já a Itália e a Espanha possuíam grande destaque na exportação desses produtos e contavam com indústrias com avanço tecnológico e automatizadas. O Brasil nesta época ocupava a quarta posição na classificação mundial, também se destacando pelo alto consumo interno de revestimento (GORINI; CORREA, 1999).
Mesmo com concorrentes de grande histórico e tradição, como Itália e Espanha, o Brasil atualmente atingiu a segunda posição na classificação mundial de produção de revestimentos cerâmicos, ficando atrás apenas da China. Ao mesmo tempo em que possui uma grande capacidade de produção, o Brasil também consome grande parte de sua produção: segundo maior consumo mundial de revestimento (VASCONCELOS, 2013).
O crescimento desse setor industrial no Brasil acentuou-se a partir do momento do início do programa de Consórcios Setoriais para Inovação Tecnológica (Consitec) da FAPESP, responsável por reunir empresas do polo cerâmico de Santa Gertrudes e pesquisadores, onde foi possível levar inovação e capacitação pessoal, com o objetivo de melhorar a qualidade da produção e aumentar a competitividade (VASCONCELOS, 2013).
3.4 POLOS CERÂMICOS NO BRASIL
O Brasil conta com duas grandes regiões produtoras de revestimento: São Paulo (Santa Gertrudes) e Santa Catarina (Criciúma). Diversos fatores fazem com que essas regiões concentrem essa produção, como por exemplo, a proximidade com matéria-prima de qualidade, grandes centros de pesquisas para desenvolvimento, maiores centros consumidores do País e também localização privilegiada em relação ao mercado externo da América do Sul (CARIDADE; TORKOMIAN, 2001).
De 2001 a 2012, o setor cresceu cerca de 90%, grande parte deste crescimento também se deve pelo aumento da produção da região de São Paulo. Em 2001, o estado de São Paulo concentrava 40% da produção de revestimento e em 2012 saltou para mais de 70% de toda produção nacional. A produção de porcelanato (revestimento cerâmico de maior valor agregado) também cresceu: saltou de uma média de 4 milhões de m2 para 72 milhões de m2 entre 2001 e 2011 (VASCONCELOS, 2013).
Dentro dessas regiões, ainda é possível separar em polos cerâmicos. Em Santa Catarina, tem-se o polo cerâmico de Criciúma, abrangendo Tubarão, Urussanga e Ibituba. Já em São Paulo, o polo cerâmico de Santa Gertrudes é de grande destaque, contendo as cidades de Santa Gertrudes, Rio Claro, Cordeirópolis, Limeira e Araras.
Estes polos cerâmicos se diferenciam por alguns aspectos, como por exemplo, matéria-prima utilizada e o método de produção do revestimento.
Em Santa Catarina, o polo cerâmico tem grande destaque na exportação de revestimento e, assim como outras partes do Brasil, por conta da matéria-prima empregada, a preparação da massa para produção das placas passa pelo processo de moagem a úmido (VASCONCELOS, 2013).
Já em Santa Gertrudes, devido à argila encontrada na formação de Corumbataí, o processo de produção diferencia-se da utilizada em Santa Catarina devido a possibilidade de realizar a moagem da matéria-prima a seco (VASCONCELOS, 2013).
3.4.1 Polo de Santa Gertrudes
O início da produção cerâmica nesta região ocorreu em meados do século XX com a imigração italiana e baseou-se na produção de tijolos e telhas. Adiante, a produção diversificou-se para fabricação de pisos e tubos não esmaltados. Com investimentos em tecnologia e inovação, a fabricação tornou-se principalmente de revestimentos cerâmicos esmaltados, utilizando a moagem a seco (CARIDADE; TORKOMIAN, 2001).
O polo cerâmico de Santa Gertrudes é um dos responsáveis pela posição do Brasil em produção na classificação mundial. O aumento na qualidade do produto final, a capacitação pessoal e os estudos através dos centros de pesquisas foram fundamentais que o País conseguisse ultrapassar tracionais centros como Itália e Espanha (VASCONCELOS, 2013).
Seu método de produção diferencia-se das demais regiões do Brasil pela característica da moagem ser via seca e a composição da massa ser feita exclusivamente de um tipo de argila (MOTTA et al., 2004). A matéria-prima é extraída da Formação Corumbataí e consiste numa sequência de siltitos, folhetos e argilitos avermelhados de origem marinha (MOTTA et al., 2004).
O processo a seco e a composição da massa foram fatores fundamentais para o desenvolvimento da região, permitindo produção e comercialização a preços mais acessíveis, podendo ser inserido inclusive em mercados de baixa renda (VASCONCELOS, 2013).
3.5 MATÉRIAS-PRIMAS PRINCIPAIS PARA REVESTIMENTOS CERÂMICOS
As matérias-primas que compõem uma massa cerâmica para produção de revestimentos possuem geralmente composição triaxial, variando de acordo com suas características intrínsecas e podem ser classificadas em plásticas, fundentes e refratárias. Em alguns casos, a mesma matéria-prima pode assumir uma função diferente, dependendo da composição ou até mesmo do tratamento térmico da peça (OLIVEIRA; HOTZA, 2015).
Além das matérias-primas plásticas, fundentes e refratárias, ainda é necessário utilizar aditivos. Todas as matérias-primas precisam estar em proporções adequadas para que seja possível atingir a propriedade e a estética desejada.
3.5.1 Matéria-Prima Plástica
A matéria-prima plástica é basicamente constituída por argilas do grupo das caulinitas e montmorilonitas, com suas respesctivas fórmulas: Al2O3.2SiO2.2H2O e
(Mg,Ca)O.Al2O3.5SiO2.nH2O (MOTTA et al., 2004).
O termo argila é empregado para designar um material inorgânico, com granulometria inferior a 2 µm ou 4 µm (segundo escalas de Attemberg ou Wentworth, respectivamente) e que, ao adicionar água, adotam comportamento plástico. As argilas também são constituídas predominantemente de argilominerais e seu tipo mais comum é formado por folhas tetraédricas de silício e octaédricas de alumínio, e com menor frequência, de magnésio e/ou ferro. Essa plasticidade é caracterizada pela capacidade de um material em ser deformado sem ruptura e posteriormente reter a deformação resultante quando a força aplicada for removida (CALLISTER, 2013).
Uma forma de classificar a argila em dois subgrupos é de acordo com a cor da queima e sua mineralogia: argila de queima avermelha e argila de queima clara.
Essa distinção também é importante, pois implica diretamente em sua aplicação industrial (MOTTA et al., 2004).
3.5.1.1 Argilas de Queima Avermelhada
São argilas que durante o processamento térmico, adquirem a cor avermelhada, devido ao alto teor de óxido de ferro presente em sua composição. Essa argila é utilizada preferencialmente no segmento estrutural da indústria de revestimento, como por exemplo, na produção de tijolos e telhas (MOTTA et al., 2004).
Também são importantes para a produção de revestimento via seca e podem ser utilizadas nas confecções de vasos, potes e até mesmo louças, porém com menor valor agregado.
3.5.1.2 Argilas de Queima Clara
Como o próprio nome diz, são argilas que após o tratamento térmico, adquirem coloração branco/clara, devido ao baixo teor de corantes. São matérias-primas essenciais para fabricação de louças sanitárias, porcelana, placas cerâmicas obtidas pelo processo via úmida, todas as peças com maior valor agregado (RIELLA; FRANJNDLICH; DURAZZO, 2002).
São compostas principalmente por argilominerais do grupo das caulinitas (Al2O3.2SiO2.2H2O). São ricas em matéria orgânica coloidal e possuem alta
resistência mecânica a verde, e boa trabalhabilidade, características importantes para alguns processos de fabricação como a fundição e a colagem (MOTTA et al., 2004).
Também faz parte dessa categoria o caulim: material claro e fino, constituído essencialmente de caulinita e sem a presença de materiais orgânicos. Possui de média a baixa plasticidade e baixa resistência mecânica a verde, sendo então necessário ser utilizado em conjunto com as argilas plásticas (MOTTA et al., 2004).
3.5.2 Matéria-Prima Fundente
Para a fabricação de revestimento cerâmico, os feldspatos são muito utilizados como matéria-prima fundente (OLIVEIRA; HOTZA, 2015).
Sua importância advém da sua capacidade de diminuir a temperatura de formação da fase líquida durante o processo de queima da massa cerâmica. Essa fase líquida preenche as cavidades do revestimento cerâmico, contribuindo assim para diminuir a porosidade (RIELLA; FRANJNDLICH; DURAZZO, 2002). Por conta disso, a fase vítrea é fundamental para controle da densidade final do revestimento.
Os elementos mais eficientes para promover a formação dessa fase são os óxidos alcalinos (Na2O e K2O) e alcalinos terrosos (CaO e MgO). Fazem parte dessa
classificação o feldspato (potássico, sódico) e carbonatos (RIELLA; FRANJNDLICH; DURAZZO, 2002).
Em especial, na região de Santa Gertrudes, onde predomina-se a produção de revestimento via seca, grande parte das massas cerâmicas é composta por essas argilas fundentes (MOTTA et al., 2004).
3.5.2.1 Matéria-Prima Refratária
As principais matérias-primas refratárias utilizadas na produção de revestimento são os quartzos, todos com elevados teores de sílica. Esses materiais reduzem a plasticidade da massa cerâmica e, consequentemente, seu tempo de secagem, já que aumentam sua permeabilidade (OLIVEIRA; HOTZA, 2015).
3.5.2.2 Aditivos
A maioria dos aditivos adicionados às massas cerâmicas tem como objetivo alterar condições de moagem, melhorando rendimento dos atomizadores. Podem atuar como agentes de suspensões, como é o caso do caulim e da bentonita (OLIVEIRA; HOTZA, 2015).
Também faz parte dessa classificação o corante, que possui a finalidade de dar coloração específica à massa cerâmica.
3.5.2.3 Matéria-Prima e Aditivos para Esmalte
O esmalte em revestimentos cerâmicos possui funções de grande importância para o produto final: planaridade da placa cerâmica e sua impermeabilização. Esses fatores tornaram-se requisitos básicos no mercado de revestimentos (BO et al., 2012).
As fritas constituem um dos componentes mais importantes dos esmaltes cerâmicos, podendo ser escolhida entre as opções: brilhantes, mates e rústicas.
A qualidade do revestimento é afetada diretamente pela qualidade do processo de esmaltação, que por sua vez depende fortemente das variáveis de queima e também das características das camadas de engobe (camada intermediária entre massa cerâmica e esmalte, com objetivo de atenuar suas diferenças físico-químicas, diminuindo a quantidade de defeitos) e esmalte (BO et al., 2012).
3.5.3 Processos de Produção de Revestimentos Cerâmicos
Para definição das características finais do revestimento cerâmico é necessário que, em conjunto com as propriedades químicas e mineralógicas das matérias-primas envolvidas, sejam adotados parâmetros tecnológicos adequados ao longo do processo.
Diversos caminhos ao longo da produção podem ser adotados, porém é possível estabelecermos um fluxograma genérico, como mostrado na Figura 1.
A escolha final de quais etapas serão ou não utilizadas em cada linha de produção tem que levar em conta a escala de produção, capacidade de investimento inicial, a características das matérias-primas existentes e disponíveis e também as propriedades desejadas para o produto final.
Figura 1– Fluxograma Geral de Produção de Revestimento Cerâmico
Fonte: Oliveira e Hotza (2015)
Uma etapa fundamental para a produção de revestimento é a moagem: o resultado dessa etapa interfere diretamente no restante da produção, o custo envolvido é alto e pode ser realizado tanto a seco quanto a úmido. Na maioria das vezes, fixadas as demais variáveis de processamento, quanto maior a quantidade de água empregada, maiores serão os custos de produção (BARROS; FLAIN; SABBATINI, 1993).
3.5.3.1 Dosagem
Como a massa cerâmica pode ser composta por diferentes materiais, cada material assume uma função específica ao longo do processo. Por conta disso, torna-se necessário determinar as quantidades exatas de cada matéria-prima antes do início da produção (OLIVEIRA; HOTZA, 2015).
3.5.3.2 Moagem
A moagem tem por objetivo a cominuição e homogeneização das matérias-primas. É uma etapa sensível do processo de produção de revestimento cerâmico.
O grau de moagem pode condicionar a reatividade entre os vários componentes durante a queima, podendo favorecer a formação de outros compostos. Uma reatividade forte favorece a formação de cristais e contribui para melhorar as características mecânicas do material queimado (OLIVEIRA; HOTZA, 2015).
Essa etapa pode ser realizada tanto via seca quanto via úmida. A seco, consiste na moagem sem adição de água, porém se faz necessário, em uma etapa posterior, a umidificação da massa cerâmica. Já o processo via úmida necessita da adição de água para realizar a moagem (OLIVEIRA; HOTZA, 2015).
Para definição de qual tipo de tecnologia é mais adequada é preciso levar em conta o tipo de matéria-prima envolvida na produção: quando as características são muito diferentes (como é o caso do grês porcelanato) é necessário que, além de moídas, elas sejam homogeneizadas e misturadas. Devido às características granulométricas obtidas, a placa cerâmica adquire melhores propriedades mecânicas por meio da moagem a úmido. Esse método de moagem é predominantemente utilizado em Santa Catarina, onde se começou a produção de revestimentos cerâmicos, adotando principalmente tecnologias italianas (OLIVEIRA; HOTZA, 2015).
Em contrapartida, a principal vantagem do processo de moagem a seco é a redução do consumo energético, gerando redução de custos do processo produção. Este tipo de moagem é amplamente utilizado no interior de São Paulo, mais especificamente na região de Santa Gertrudes (MOTTA et al., 2004).
3.5.3.3 Atomização
A atomização é o processo no qual ocorre a eliminação parcial de água contida na barbotina e também a formação de aglomerados esféricos (OLIVEIRA; HOTZA, 2015).
A barbotina é injetada no atomizador, geralmente de baixo para cima, utilizando bombas de alta pressão. No interior da câmara, com o auxílio de bicos injetores, ocorre a nebulização. Gera-se vapor na parte superior do atomizador, através de queimadores a gás, ocorrendo então a troca térmica no sentido contrário ao da injeção da barbotina (OLIVEIRA; HOTZA, 2015).
Após esse processo são obtidos grânulos com granulometria e umidade controlada, para melhor desempenho nas demais etapas de produção.
3.5.3.4 Prensagem
O objetivo da conformação por prensagem é obter a maior densificação possível a verde, de modo compatível com problemas que podem surgir durante a queima. A prensagem utiliza a prensa hidráulica que irá atuar como a responsável pela pressão de compactação, e a matriz que dará a forma desejada ao produto final. Geralmente, as matrizes utilizadas na produção de revestimentos cerâmicos são do tipo punção móvel (OLIVEIRA; HOTZA, 2015).
Essa etapa, quando não realizada de maneira adequada, pode resultar em defeitos durante a fase da queima. Pressões de compactação diferentes exercidas sobre o pó geram gradientes de densidade aparente, que levam a uma diferença na retração e porosidade após a queima. Outro problema que também ocorre é quando a matriz não é preenchida de maneira uniforme pelo pó atomizado. Nesse caso, além da falha na geometria da peça, pode surgir gradiente de porosidade na peça, por conta da retenção de ar durante a prensagem (OLIVEIRA; HOTZA, 2015).
3.5.3.5 Secagem
A secagem é a etapa onde ocorre a eliminação da umidade residual dos produtos após a prensagem. No atomizador, elimina-se parcialmente a água, pois é
necessário que a massa cerâmica possua ainda certa plasticidade para passar pela prensagem.
Concomitantemente com a evaporação da água, nessa fase também ocorre aumento na resistência mecânica da peça, atribuída a uma densificação causada pelo empacotamento das partículas. A intensidade da secagem pode variar durante o processo de fabricação do revestimento, utilizando apenas monoqueima ou biqueima (OLIVEIRA; HOTZA, 2015).
Durante a secagem e por conta do empacotamento das partículas, ocorre também a retração das peças cerâmicas. Para diminuir a ocorrência de defeitos, como por exemplo, pequenas fissuras e/ou trincas, é conveniente manter essa retração (variação dimensional) em até 0,3% (OLIVEIRA; HOTZA, 2015).
3.5.3.6 Esmaltação
Para aplicação de esmaltes de revestimentos, os dispositivos mais utilizados são os grupos a campana, que permitem obter superfícies lisas e especulares, utilizando um véu contínuo de esmalte com espessura e velocidade de queda constantes sobre a peça (BO et al., 2012).
Os revestimentos cerâmicos atualmente são compostos geralmente por três camadas: o suporte cerâmico, o engobe e o esmalte. O engobe é uma camada entre o suporte cerâmico e o esmalte e possui finalidades como: opacificar o suporte e atenuar as diferenças físico-químicas entre o suporte e o esmalte, devido à suas propriedades também intermediárias (BO et al., 2012).
As variáveis que devem ser adequadas para o processo, com o objetivo de obter peças com a menor quantidade de defeitos e com a melhor resolução final são: características reológicas do esmalte, correto funcionamento durante a aplicação e as características dos revestimentos após a secagem (OLIVEIRA; HOTZA, 2015).
É importante o controle das propriedades reológicas do esmalte que será aplicado e, entre elas, são: densidade elevada, limite de escoamento mínimo, viscosidade constante e valores tixotrópicos baixos. A tixotropia pode ser explicada como sendo redução da viscosidade em função do tempo, mediante aplicação de uma taxa de cisalhamento constante (TORRES et. al, 2005). A Tabela 4 apresenta as características reológicas típicas de esmaltes.
Tabela 4 – Propriedades tixotrópicas dos esmaltes cerâmicos
Esmaltes Viscosidade (mPa.s) Escoamento (mPa.s) Limite de Tixotropia (Pa/s.cm3)
Esmalte Branco 365 1,5 110
Esmalte Transparente 325 2,5 45
Fonte: Oliveira e Hotza (2015)
Com um baixos valores tixotrópicos, é possível obter menores valores de viscosidade do esmalte ao longo da aplicação do esmalte, facilitando a absorção do esmalte no suporte e também uma maior aderência entre as camadas (BO et al., 2012).
Outro ponto importante para a esmaltação é o peneiramento e eliminação das partículas ferrosas presentes nos esmaltes. Para isso, são utilizadas peneiras vibratórias e separadores magnéticos (OLIVEIRA; HOTZA, 2015).
3.5.3.7 Queima
Essa etapa é onde ocorrem todas as reações que determinam as características do produto final, como reações de fusão e cristalização da massa cerâmica e do esmalte aplicado. A Figura 2 mostra uma curva de monoqueima típica.
Figura 2 – Curva típica para processos de monoqueima
O trecho A-B, que possui temperatura até 800ºC, corresponde ao pré-aquecimento da peça e dissociação dos materiais argilosos. No trecho B-C, com temperaturas variando entre 800ºC e 900ºC, ocorre a decomposição dos carbonatos com emissão de CO2. Nesta etapa, é importante que o esmalte tenha porosidade
adequada, para permitir a expulsão dos gases. O trecho C-D, com temperaturas de 900ºC a 1100ºC, os óxidos provenientes da decomposição dos carbonatos (como CaO e MgO) sofrem reações de síntese. Na região de maior temperatura, D-E, completa-se o processo de sinterização, onde ocorre a estabilização dos novos compostos e fusão total do esmalte. O último intervalo, E-F, corresponde ao resfriamento, primeiro e rápido até 600ºC do esmalte e depois, mais lentamente, da peça cerâmica. O resfriamento lento é importante para equilibrar as possíveis tensões residuais e inibir a geração de trincas e/ou fissuras (OLIVEIRA; HOTZA, 2015).
3.5.4 Consumo Energético
A indústria de revestimentos cerâmicos apresenta grande consumo de energia, seja térmica ou elétrica, chegando a atingir 40% de todo o custo industrial (MOREIRA, 2016). Adotar medidas que busquem eficiência energética, é primordial para que essas indústria possam ter competitividade de mercado, dentro e fora do Brasil. Considerando a importância do Brasil na exportação e também no alto índice de consumo no ramo de revestimento, aumentar a rentabilidade das indústrias é também promover o aumento na taxa de emprego e no desenvolvimento de práticas sustentáveis.
O consumo de energia varia conforme a rota de produção escolhida e também conforme a etapa do processo. A rota de produção diz respeito principalmente ao modo que a etapa de moagem é realizada: via seca (dispensa a necessidade do atomizador) ou via úmida. Já em relação às etapas de produção, cada parte do processo é responsável por um consumo especifico de energia (ALVES; MELCHIADES; BOSCHI, 2007). O fluxograma apresentado na Figura 3 mostra qual tipo de energia envolvida em cada etapa (considerando o método via seca).
Figura 3 – Fluxograma das etapas de processamento de revestimentos cerâmicos
Fonte:Alves, Melchiades e Boschi (2007)
Considerando uma indústria de revestimento cerâmico que utiliza o método de produção via seca, 92% de toda a energia consumida ao longo do processo produtivo é a térmica e apenas 8% refere-se à energia elétrica (ALVES; MELCHIADES; BOSCHI, 2007). Esse estudo analisou o consumo de energia elétrica através da medição em painéis de energia de cada equipamento e o consumo de energia térmica através do volume de gás consumido em um intervalo de tempo definido. Os dados de energia elétrica (kWh) e o volume de gás consumido por dia foram transformados em kcal/m² para que fosse possível comparação. Os resultados dessa análise estão demonstrados na tabela a seguir.
A Tabela 5 mostra o impacto no custo industrial que as etapas de secagem e queima têm no processo, representando mais de 95% do consumo energético total. Além das etapas de secagem e queima consumirem altíssimos índices de energia térmica, também são grandes consumidores de energia elétrica.
Tabela 5 – Valores globais de consumo energético em kcal/m2 de produto queimado Etapas de
Processamento Consumo Energia Elétrica (kcal/m²) Consumo Energia Térmica (kcal/m²) Total
Moagem 172,55 - 172,55 Prensagem 172,04 - 172,04 Secagem 113,39 1.997,50 2.110,89 Esmaltação 87,72 - 87,72 Queima 202,47 7.140,00 7.342,47 Expedição 6,80 - 6,80 Soma 754,97 9.137,50 9.892,47
Fonte: Adaptado (ALVES; MELCHIADES; BOSCHI, 2007)
Comparando o consumo energético de uma indústria que utiliza o método via úmida com o método via seca também é possível verificar grandes diferenças: algumas indústrias com processo de moagem via úmida chegam a ter o dobro do consumo térmico do que indústrias via seca (ALVES; MELCHIADES; BOSCHI, 2007), como mostra a Tabela 6.
Tabela 6 – Consumo térmico dos equipamentos utilizados pelas indústrias de via seca e via úmida
Empresa Tecnologia Consumo térmico médio (kcal/kg)
A Úmida 1183 B Úmida 890 C Úmida 1035 D Úmida 1050 E Seca 538 F Seca 560 G Seca 660 H Seca 590
Fonte: Alves, Melchiades e Boschi (2007)
As diferenças entre as empresas que utilizam o mesmo processo são explicadas pelos diferentes equipamentos existentes em cada indústria, como por exemplo, o fabricante, dimensões e as condições em que cada um opera (ALVES; MELCHIADES; BOSCHI, 2007).
3.5.4.1 Energia Elétrica
A Figura 3 mostrou as principais etapas de produção do revestimento e qual tipo de energia envolvido. A energia elétrica está presente em todas as etapas de produção, e por mais que represente apenas aproximadamente 8% do consumo energético, devido ao seu custo, ela pode chegar a atingir 22% do custo industrial de produção (ALVES; MELCHIADES; BOSCHI, 2007).
As quatro etapas de grande consumo elétrico são a moagem, a prensagem, a secagem e a queima.
O processo de moagem utiliza motores elétricos para gerar energia motriz para funcionamento dos moinhos (ABREU, 2001). A prensagem parte do mesmo princípio, na qual o motor elétrico gerará a força necessária para dar a forma ao revestimento, através da inserção da prensa na matriz.
A moagem possui expressivo consumo de energia elétrica e, devido a isso, alguns fatores já foram estudados visando maior eficiência dessa etapa (RIBEIRO; ABRANTES, 2001). Como o arranque necessário para iniciar a moagem possui a maior taxa de consumo, uma maior eficiência energética está ligada com a quantidade de produto moído ao final. Logo, para um maior rendimento, é necessário que a taxa de ocupação seja elevada o suficiente para obter maior volume de produto, mas também precisa ser uma porcentagem onde a moagem seja rápida e efetiva. Estudos apontam que taxa de ocupação de 20% é ideal para o equilíbrio entre velocidade de moagem, consumo energético e desgaste do moinho (RIBEIRO; ABRANTES, 2001).
O forno e o secador, por mais que possuam grande destaque no consumo de energia térmica, também têm como fonte de energia a elétrica, isso por conta de realizar a exaustão do ar (queima), a secagem e/ou queima e também o funcionamento dos rolos, responsáveis pela condução do material dentro do equipamento (FERREIRA et al., 2008).
Outro ponto importante em relação ao consumo de energia elétrica, não somente para indústrias de revestimento cerâmico como para qualquer empresa, é o correto entendimento quanto ao que é cobrado na fatura.
Para isso, torna-se necessário a definição de alguns termos como já realizado por Monqueiro (2017), como por exemplo:
a) horário de ponta: horário de maior consumo de energia na concessionária em que a empresa está alocada. No caso do polo cerâmico de Santa Gertrudes, considera-se o período da Concessionária Elektro que compreende das 18h30min às 21h30min. Esse horário não se aplica para finais de semana e feriados nacionais. Excetuando essas horas definidas, o restante é considerado “horário fora ponta”;
b) demanda contratada: a quantidade de potência elétrica ativa que deve ser, obrigatoriamente, disponibilizada pela concessionária. Ela deve ser próxima da demanda de fato consumida para que, no caso de consumo superior, não seja cobrada multa por ultrapassagem, e no caso de consumo inferior, não seja pago por um fornecimento desnecessário;
c) tarifa de energia: tarifação em cima da energia consumida em kWh, para consumidores cativos (consumidores que consomem energia da concessionária onde estão alocados) e varia conforme a área de concessão; d) tarifa de uso do sistema de distribuição (TUSD): faz referência aos custos
envolvendo a transmissão e distribuição de energia;
e) tarifa de demanda e de ultrapassagem de demanda: caso a demanda aferida seja igual ou menor ao contratado, cobra-se na fatura apenas o valor referente à demanda contratada. Em caso de ultrapassagem, ou seja, a demanda aferida for superior ao contratado em 110%, aplica-se a diferença. É muito importante que as indústrias de revestimentos cerâmicos sempre busquem inovações em seu processo industrial, visando à eficiência energética, através de práticas limpas e de novas tecnologias. Porém, outro meio de obter redução do custo envolvendo energia elétrica é apenas conhecendo melhor o que é cobrado na fatura e, com isso, analisar se todas as tarifas e demandas estão em linha com o necessário para o processo produtivo da indústria.
Como existem etapas da linha de produção que consomem uma maior quantidade de energia elétrica, o ideal é que elas não ocorressem durante o horário de ponta. Outra análise importante é a verificação se a demanda contratada está de acordo com a demanda aferida nos últimos doze meses, para que a empresa tenha o custo exato do que consome.
Ainda sobre formas de como reduzir o custo de energia elétrica, existe a possibilidade de que as empresas de revestimento tornem-se consumidores livres, ou seja, consumidores que compram energia diretamente com os geradores ou
comercializadores. Esses consumidores estão no chamado ACL (Ambiente de Contratação Livre) e podem ter seu valor de fatura reduzido porque é possível negociar o preço, volume de energia para compra, entre outros fatores, diferentemente do Consumidor Cativo (aqueles que compram energia da distribuidora responsável por onde está alocado), que está sujeito a todas as tarifas e regulações da Concessionária. O Consumidor Livre, por mais que tenha o poder de negociar melhores condições, ainda precisa pagar pelo uso do Sistema de Distribuição (TUSD) para a distribuidora responsável pela área de concessão (MERCADO LIVRE DE ENERGIA, 2019).
3.5.4.2 Energia Térmica
Para que as reações físico-químicas das etapas de atomização (no caso de via úmida), secagem e queima ocorram, é necessário calor. Para isso, utiliza-se o gás natural em grandes quantidades, o que acarreta um alto consumo e, consequentemente, custo para a indústria. A energia térmica é responsável por mais de 95% de todo o consumo energético de uma empresa que produz revestimentos cerâmicos (ALVES; MELCHIADES; BOSCHI, 2008).
O atomizador está presente apenas no processo envolvendo o método de via úmida e utiliza ar quente gerado para eliminar água da barbotina que é bombeada em seu interior. O resultado do atomizador é chamado de pó atomizado. Pode ser utilizado tanto gás natural para carvão mineral para o aquecimento. Na Espanha, é utilizado o calor dos gases de escape de turbinas de cogeração da própria indústria, aumentando a eficiência energética do processo (ABREU, 2001).
Para a secagem, utiliza-se o calor gerado pelo gás natural para eliminação parcial da umidade presente na barbotina.
No caso dos fornos, para realizar a etapa de queima, ocorre a transmissão do calor (energia térmica) por processos de convecção e radiação. Os gases entram em contato com o produto, diminuindo a duração do ciclo de queima e reduzindo o consumo energético (ABREU, 2001). A função da energia térmica nessa etapa é conferir ao produto as características provenientes do processo de sinterização da peça.
A principal fonte de energia térmica utilizada atualmente nas indústrias de revestimento cerâmico é o gás natural, substituindo de maneira eficaz o consumo de
GLP. O gás natural é composto por diversos hidrocarbonetos e possui estado gasoso em condições normais de ambiente. O metano (CH4) é o hidrocarboneto
principal, contribuindo em mais de 70% na massa do gás natural.
A resolução ANP 16/2008 regula a qualidade do gás natural comercializado no Brasil, como por exemplo, o controle do poder calorífico superior, índice de Wobbe, número de metano, entre outros (AGÊNCIA NACIONAL DO PETRÓLEO, GÁS NATURAL E BIOCOMBUSTÍVEIS, 2008).
Os polos cerâmicos da Região Sudeste possuem uma localização geográfica que também favorece o consumo desse combustível, devido à proximidade em relação ao gasoduto Bolívia-Brasil (ALVES; MELCHIADES; BOSCHI, 2008).
Devido à importância do assunto e o alto custo industrial envolvendo a utilização da energia térmica nas indústrias, diversos estudos já foram e estão sendo desenvolvidos com o objetivo de aumentar a eficiência energética, principalmente considerando os fornos de queima. Algumas medidas como aumentar a espessura do refratário do forno e alterar o material do forno por um material com menor coeficiente de condutividade térmica dificultam a perda de energia térmica, aumentando sua eficiência. Outra medida como pré-aquecimento do ar de entrada diminui o consumo energético necessário para atingir o calor necessário para queima do revestimento cerâmico (FERREIRA et al., 2008).
4 METODOLOGIA
4.1 DEFINIÇÃO DA EMPRESA
A primeira etapa do estudo foi a escolha da indústria de revestimento cerâmico na qual seria realizado o levantamento dos dados referentes ao consumo energético. Para tal escolha, levou-se em consideração localização geográfica, as linhas de produção existentes e seus respectivos métodos produtivos.
A escolha da localização ocorreu devido a fatores como: importância do polo cerâmico de Santa Gertrudes na produção de revestimento em nível nacional e mundial, a proximidade com grandes centros consumidores e grandes atacadistas do setor de construção civil, a proximidade desse polo cerâmico com o gasoduto de gás natural e também o método de obtenção do revestimento através da moagem a seco.
A região de Santa Gertrudes possui grande importância para a economia do País e possui um método característico de produção via seca que trouxe grandes ganhos econômicos para a produção em termos de eficiência energética. Outra grande diferença desse polo para outras regiões importantes do ramo de revestimento é o fato de que a matéria-prima utilizada é exclusiva da região, sendo extraída da Formação de Corumbataí (MOTTA et al., 2004).
Em relação à linha de produção, seria necessário que a empresa possuísse uma única linha de produção e que utilizasse o método de moagem via seca. Dessa forma seria possível analisar os dados que o equipamento irá fornecer de maneira mais exata. A justificativa para o processo utilizando via seca é por ser um método específico desse polo e também é influenciada pelas características da argila presente nessa região.
4.2 SETORIZAÇÃO DA EMPRESA
A segunda etapa foi a setorização da indústria escolhida, ou seja, esquematização de um fluxograma real da produção de revestimento cerâmico, comparando semelhanças e diferenças com o fluxograma apresentado anteriormente. O objetivo dessa etapa é, a partir de um esquema real de produção, discriminar possíveis diferenças entre a linha de produção teórica com a linha de produção real, analisar possíveis alterações decorrentes da aplicabilidade do teórico na indústria e quais os parâmetros de maior influência.
Para isso, realizou-se uma visita com o intuito de conhecer sua produção e verificar se a empresa escolhida atendia aos critérios estabelecidos anteriormente.
Durante a visita, o responsável pela linha de produção descreveu cada etapa do processo, percorrendo setor a setor, desde a extração da argila até o ponto de expedição do revestimento cerâmico já embalado para venda. O acompanhamento ocorreu com a indústria em pleno funcionamento, sendo possível, ao final, estabelecer o fluxograma real da empresa.
4.3 OBTENÇÃO DOS DADOS DE CONSUMO ENERGÉTICO
Com base na setorização da linha de produção, o próximo passo foi levantar o consumo energético de cada equipamento, relacionando o consumo encontrado com o custo energético de cada etapa do processo.
4.3.1 Consumo Elétrico
Praticamente todos os equipamentos da linha de produção consomem energia elétrica para seu funcionamento. A empresa selecionada possui controle para armazenar os dados referentes ao consumo de energia elétrica em quase todos os equipamentos.
Os dados foram obtidos através de controladores presentes em cada painel de energia da maioria dos equipamentos, onde foram coletados diariamente, durante os meses de fevereiro, março e abril. Não foi considerado o mês de janeiro, devido ao baixo volume de produção (dezembro e janeiro são considerados meses de baixa produção).
A obtenção dos dados se deu na unidade kWh, porém para uma posterior análise quanto ao consumo energético e comparação com a energia térmica consumida, tornou-se necessário a transformação desses valores em kcal. Para isso, considerou-se que 1 kcal equivale a 4190 J, sendo possível chegar até a seguinte expressão:
1kWh ≡ 859,1885 kcal (1)
Com esses dados foi possível analisar e comparar o consumo térmico entre todos os setores da empresa, onde ocorrem os maiores consumos e possíveis pontos de melhoria.
4.3.2 Consumo Térmico
O consumo térmico, através do gás natural, ocorre exclusivamente nos secadores e fornos da indústria de revestimento cerâmico. Devido a isso, tornou-se mais fácil a obtenção desses valores, pois tanto o secador quanto o forno possuíam
controladores que forneciam as informações do volume de gás consumido em m3, já
corrigido considerando valores da temperatura e pressão do gás de entrada.
Os dados obtidos do volume corrigido em m3 foram transformados em kcal, através do dado de poder calorífico fornecido pela empresa responsável pela distribuição de gás natural no polo de Santa Gertrudes.
1 m3≡ 9.430 kcal (2)
4.3.3 Volume de Produção
Levantou-se também o volume de produção em m² da empresa durante o mesmo período de análise. A função desse dado é conseguir calcular o impacto do consumo energético no custo final do m2 produzido do revestimento cerâmico originado dessa linha de produção.
4.3.4 Custo Energético
Com base na quantidade de energia consumida, o próximo levantamento realizado considerou o custo representativo de cada fonte de energia. Ou seja, comparou-se o consumo energético (em kcal) e o valor de cada fatura (elétrica e de gás natural), com objetivo de identificar o impacto da tarifação nas diferentes fontes de energia.
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
A empresa selecionada, para a análise energética a seguir, localiza-se na cidade de Ipeúna, próximo à Rio Claro, no estado de São Paulo. Possui uma única linha de produção e o método utilizado para moagem é o via seca. O período de análise compreendeu os meses fevereiro, março e abril.
A argila utilizada para a fabricação dos revestimentos também pertence à própria indústria, ou seja, a extração da matéria-prima é realizada pela mesma empresa e encontra-se a poucos quilômetros da planta industrial para manufatura do revestimento.
Todo novo lote de argila, após um período de secagem em local aberto, é analisado em laboratório próprio antes de iniciá-lo no processo para que, conforme necessidade, sejam alterados os parâmetros de fabricação, mantendo a mesma qualidade do produto.
Excetuando a extração da argila, todos os demais processos ocorrem dentro da empresa: da moagem da matéria-prima até estocagem e expedição do piso pronto. Cerca de 90% da produção é destinada à exportação, principalmente para grandes atacados dos Estados Unidos.
Até o processo de queima, todo o piso que por defeito seja retirado da linha de produção volta para a etapa de moagem. Após a queima, devido à resistência adquirida, o piso não volta para o moinho, pois gera um desgaste muito grande ao equipamento.
5.1 FLUXOGRAMA REAL
O primeiro levantamento realizado foi a setorização da empresa, analisando e descrevendo todas as etapas de produção até chegar ao produto. A Figura 4 apresenta o fluxograma real da empresa.
Figura 4 – Fluxograma real da empresa visitada para levantamento do consumo energético
5.1.1 Extração da Matéria-Prima
Por conta da extração da argila ser realizada sempre da mesma propriedade, é possível manter uma qualidade satisfatória no material utilizado na linha de produção e os gastos com transporte tornam-se reduzidos. Todo novo lote extraído de matéria-prima passa por uma análise em que são confeccionados corpos de prova que percorrem toda a linha de produção com o objetivo de verificar se existe ou não a necessidade de promover possíveis alterações nos parâmetros de processo, a fim de manter o mesmo nível de qualidade.
Após a extração, a argila é transportada para um terreno ao lado da planta industrial, onde fica a céu aberto por um período de 10 a 30 dias, variando conforme necessidade de abastecimento da linha de produção, com o objetivo de reduzir o teor de umidade na argila. A área é rodeada por árvores a fim de reduzir o impacto da poeira proveniente dessa argila provoca na região ao redor da empresa.
5.1.2 Moagem
O primeiro moinho utilizado é o moinho de martelos, cujo objetivo é redução da granulometria. Na sequência, o material passa por uma peneira vibratória, onde o passante é destinado a um segundo moinho e o material retido retorna ao moinho de martelos. O segundo moinho é um moinho pendular, que reduz ainda mais a granulometria do minério até o tamanho adequado para os demais processos.
Tanto o moinho de martelos quanto o pendular são da marca Verdés, e segundo informações do próprio fornecedor, podem ser utilizados em materiais com até 12% de umidade. Caso se ultrapasse esse teor, torna-se necessário um sistema de secagem acoplado.
Na sequência, o material passa por um filtro de manga para eliminação de poeira.
5.1.3 Granulação
Para que a argila consiga passar pelas próximas etapas do processo, é necessário adquirir uma resistência mecânica a verde mais elevada. Para isso, o material passante do filtro de manga é conduzido até o granulador, responsável por
umidificar a argila. Essa etapa é muito importante, pois a matéria-prima precisa ser moldável e ter uma resistência mínima para conseguir passar pela prensagem.
O granulador vertical utilizado é da marca K Sider, cujo eixo é acionado por um motor elétrico e uma motobomba que aplica água na argila através de 13 bicos injetores. A granulação ocorre através da movimentação da massa cerâmica da parte superior para a parte inferior, com atuação da gravidade, e na parte central existem 13 bicos que injetam controladamente a água sob pressão sobre a massa. Paralelamente, a massa no interior do equipamento encontra-se em constante agitação ocasionada por pás metálicas. Na Figura 5, é possível verificar a parte superior onde a massa cerâmica é disposta, a parte central e os bicos injetores onde ocorre a introdução da água.
Figura 5 – Granulador da marca K Sider
5.1.4 Prensagem
Etapa responsável por dar a forma ao piso. A argila resultante do granulador adquire as dimensões aproximadas do piso a ser produzido.
A prensa utilizada é da marca SACMI, modelo PHR 1890, sua força máxima de alcance é de 1890 toneladas, podendo variar conforme a espessura da placa desejada.
5.1.5 Secagem
Através de uma esteira, a argila prensada é levada até os secadores, passando por um caminho contendo lixas, vassouras e aspiradores para retirar rebarbas e excesso de pó que poderão afetar a qualidade final do piso.
O secador possui como objetivo principal a eliminação parcial da umidade, para que, além de facilitar o processo de queima, o piso também adquira maior resistência mecânica para as próximas etapas. O secador utilizado é da marca SITI, porém não foi possível encontrar maiores informações sobre a máquina em questão, pois a indústria não produz mais equipamentos para indústrias de revestimentos cerâmicos.
5.1.6 Esmaltação
Concomitantemente ao processo de aplicação do esmalte ocorre a moagem do esmalte, um processo que acontece à parte da linha de produção. O revestimento resultante do secador é transportado, ainda com o auxílio da esteira, para a região onde ocorrerá a aplicação do engobe e posteriormente a aplicação do esmalte. Outro aspecto importante, é que, entre o engobe, o esmalte e após o esmalte, o piso é girado em 180º duas vezes para que os quatro lados passem por uma lixa, diminuindo a necessidade da etapa de retificação do piso.
5.1.7 Queima
É a etapa mais crítica do processo produtivo. Após a esmaltação, o piso é transportado até o forno. O forno é horizontal, também da marca SACMI, com
dimensões de 126 metros de comprimento por 2,5 metros de largura, com rolos giratórios produzidos com teores de alumina e mulita, possui controle de temperatura, pressão, volume de gás e monitoramento completo quanto aos estágios de queima. A temperatura do forno horizontal utilizado pela empresa pode chegar até 1700ºC, segundo informações do fabricante do equipamento (K SIDER, 2019).
O gás natural utilizado para aquecimento do forno já entra no processo pré aquecido, através da recirculação do ar proveniente da saída do forno, aumentando a eficiência energética dessa etapa. Outro ponto de destaque é que o forno pode ser alimentado de três maneiras diferentes: pela esteira rolante, pelo carro de alimentação ou por um estoque já reservado para situações onde o carro ainda esteja sendo preenchido de piso. Isso garante que o forno sempre está sendo utilizado em 100% de sua capacidade.
5.1.8 Expedição
Após a queima, o piso é inspecionado quanto a possíveis fissuras e/ou defeitos visuais e em seguida embalado e disponibilizado em paletes para posterior comercialização.
Excetuando após o estágio da queima, em todas as demais etapas, o material pode ser reaproveitado. Caso nas demais inspeções de qualidade se verifique a existência de defeitos visuais, o material pode retornar à moagem e dar continuidade no processo. Outro ponto importante é que os gases efluentes do processo produtivo são tratados através de filtros de flúor, antes de serem emitidos à atmosfera, para reduzir a emissão de partículas para o ambiente.
5.2 CONSUMO ENERGÉTICO
Para análise energética, foram levantados os valores de consumo de energia elétrica em cada equipamento e o consumo de gás natural no secador e no forno, durante o período estabelecido.
A Tabela 7 apresenta o volume de produção ao longo dos meses em m² e a respectiva média.
Tabela 7 – Volume de Produção Mês Produção (m²) Fevereiro 414.566,82 Março 466.760,29 Abril 547.351,27 Média 476.226,13
Fonte: dados fornecidos pela empresa.
Para o acompanhamento do consumo de energia elétrica, a empresa possui painéis em quase todos os equipamentos da linha de produção. A Tabela 8 apresenta o levantamento do consumo elétrico nos equipamentos monitorados e o Figura 6 mostra as porcentagens do consumo médio de cada equipamento.
Tabela 8 – Análise de consumo de energia elétrica por equipamento
Etapas de Processamento Fevereiro (kcal/m²) (kcal/m²) Março (kcal/m²) Abril (kcal/m²) Média
Moagem 363,31 380,78 304,84 346,62 Prensagem 274,26 270,34 238,91 259,44 Secagem 179,65 176,02 145,36 165,33 Esmaltação /Moagem Esmalte 65,76 58,75 60,76 61,56 Queima 163,25 154,79 135,61 149,90
Filtragem por Flúor 46,84 66,98 60,89 58,80
Compressores 96,60 104,03 86,76 95,26
Consumo Monitorado 1.189,67 1.211,69 1.033,13 1.136,89
Consumo Total 1.492,01 1.528,29 1.252,57 1.412,13
Fonte: dados fornecidos pela empresa.
A etapa de moagem destaca-se como maior consumo de energia elétrica, seguida pela prensagem, secagem e queima. Também é possível observar que apenas 81% do consumo elétrico é monitorado. O alto valor de energia elétrica não monitorada deve-se principalmente ao funcionamento da esteira da linha de produção e também ao laboratório, processos administrativos, iluminação, entre outros.
Figura 6 – Consumo médio por equipamento
Fonte: dados fornecidos pela empresa.
Quando realizado o mesmo cálculo, só que considerando somente a energia elétrica monitorada, atingem-se valores de 30,5% do consumo destinado à etapa de moagem, 22,8% para a prensagem, 14,5% à secagem e 13,2% para a queima.
Analisando a Tabela 8, é possível perceber que, mesmo aumentando o volume de produção em m2, não ocorre o aumento de consumo de energia elétrica na mesma proporção. Ou seja, existe um volume de ótimo funcionamento no qual, com o mesmo consumo de energia, produz-se a mesma quantidade de placas cerâmicas.
A moagem e a prensagem são os equipamentos de maior consumo de energia elétrica da linha de produção, chegando sua somatória no valor aproximado de 43%. A moagem necessita de grande quantidade de energia para a cominuição das partículas e a prensagem, por sua vez possui alto consumo de energia elétrica devido ao acionamento da prensa.
O forno e o secador também possuem um consumo elétrico elevado, quando comparado com as demais etapas. Esses equipamentos utilizam energia elétrica para funcionamento dos rolos internos que transportam as placas em seu interior e também para a exaustão dos gases. No caso do forno, como existe uma recirculação do gás de saída para a entrada, o gás natural já entra no processo
pré-25% 18% 12% 4% 11% 4% 7% 19% Moagem Prensagem Secagem
Esmaltação /Moagem Esmalte Queima
Filtragem por Flúor Compressores
aquecido, diminuindo assim a energia necessária para exaustão. E novamente, como a comparação foi realizada com base na produção por m2, quanto mais bem aproveitado for o calor em seu interior, maior é a eficiência energética. Logo, como o forno possui três diferentes tipos de alimentação, sua eficiência torna-se maior que a do secador.
O filtro flúor utilizado na empresa é responsável por filtrar todos os gases de saída da linha de produção antes de soltar para a atmosfera (não é necessariamente só em uma etapa, e sim em toda a linha de produção). Os compressores que também aparecem na Tabela 8, não são referentes a uma etapa específica, pois o ar comprimido é gerado paralelamente à produção e utilizado em todas as etapas, inclusive como fase intermediária, para limpeza das placas cerâmicas.
Em relação ao consumo de energia térmica, a empresa também possui o controle do volume de gás natural consumido, que diariamente é registrado, já parametrizado de acordo com a pressão e a temperatura na tubulação de entrada.
Utilizando o valor de 9.430 kcal/m3, referente ao poder calorífico do gás natural, disponibilizado pela distribuidora da área de concessão, foi possível obter a representação do consumo em kcal equivalente.
A Tabela 9 apresenta os valores médios encontrados em kcal/m² de piso produzido e a Figura 7 mostra graficamente os valores médios de consumo térmico do forno e do secador.
Tabela 9 – Consumo de Energia Térmica no Forno e no Secador
Equipamentos Fevereiro (kcal/m2) (kcal/mMarço 2) (kcal/mAbril 2) (kcal/mMédia 2)
Secador 3.210,01 3.316,68 2.836,28 3.120,99
Forno 6.229,96 6.230,01 5.572,81 6.010,93
Total 9.439,97 9.546,69 8.409,09 9.131,91
