ESTUDO EXPERIMENTAL DA SECAGEM DE TIJOLOS CERÂMICOS INCLUINDO RETRAÇÃO VOLUMÉTRICA

ESTUDO EXPERIMENTAL DA SECAGEM DE TIJOLOS CERÂMICOS INCLUINDO RETRAÇÃO VOLUMÉTRICA

J. J. S. Nascimento1,F. A. Belo2, G. A. Neves3 e A. G. B. de Lima1

(1)Departamento de Engenharia Mecânica, CCT, Universidade Federal de Campina Grande (UFCG), P.O. Caixa Postal 10069, Cep

58109-970, Campina Grande-PB, Brasil. E-mail: jefferson@dem.ufcg.edu.br

(2) Departamento de Tecnologia Mecânica, CT, Universidade Federal da Paraíba (UFPB), Cep 58059-900, João Pessoa-PB, Brasil. E-mail: belo@les.ufpb.br (3) Departamento de Engenharia de Materiais, CCT, Universidade Federal de Campina Grande (UFcg), Cep 58059-900, Campina Grande-PB, Brasil. E-mail:

gelmires@dema.ufcg.edu.br

RESUMO

A industria cerâmica no Brasil ainda apresenta processos industriais com grande consumo energético, muitas vezes associado a elevado impacto ambiental. Neste contexto, a grande maioria produz produtos de baixa qualidade devido a processos inadequados de secagem, apresentando um grande atraso tecnológico. Deste modo, o objetivo do presente trabalho é contribuir para a melhoria da qualidade do processo de secagem, pois apresenta um estudo experimental da secagem de corpos de prova (geometria paralelepípedo) de dois tipos de argila, com diferentes dimensões e teor de umidade inicial. No ambiente de secagem, várias temperaturas e umidades relativas formam utilizadas, assim várias curvas da cinética de secagem e de encolhimento são mostradas e analisadas. O processo de secagem ocorre no período de taxa decrescente e a retração volumétrica ocorre em dois períodos.

INTRODUÇÃO

No estudo do processo de secagem de produtos cerâmicos, o problema que ainda existe e precisa ser resolvido são as perdas devido a trincas e deformações do produto. Estes fenômenos acontecem quando a taxa evaporação da água do produto através da superfície do mesmo é maior que a taxa de difusão da água vinda do interior do produto. Como resultado disto, o exterior do produto seca e encolhe a uma taxa maior do que o interior e, sendo assim a superfície fica cada vez mais inelástica, ocorrendo neste caso deformações e trincas.

No ambiente de secagem, temperatura, umidade relativa e velocidade do ar também são parâmetros importantes, pois a falta de um adequado controle destes, pode gerar fortes tensões internas no material, provocando encolhimento não uniforme e transporte excessivo de massa, gerando deformações e trincas no produto, comprometendo assim a qualidade do produto final, sendo estes os principais problemas a serem estudados na secagem de produtos cerâmicos, (1-12), Outros problemas importantes do ponto de vista industrial são destacados por (13), como exemplo o autor destaca que a indústria da cerâmica vermelha no Brasil apresenta um processo de grande consumo energético e um impacto ambiental muito grande (Mais de 90% das quase 7.000 indústrias usam lenha em seu processo). Além disso, a grande maioria tem baixa qualidade nos produtos finais, apresentando um atraso tecnológico que beira os 50 anos. Hoje em dia, a média de produtividade tanto financeira como de pessoal é cerca de 1/20 (um vigésimo) da produtividade européia. E aí respondemos que isso se dá pela falta de educação, capacitação e disseminação do conhecimento tecnológico e gerencial do setor. Poucos são os industriais desse ramo que têm consciência de que investir em capacitação e tecnologia é o melhor caminho para a sobrevivência, sustentabilidade e crescimento do seu empreendimento.

Neste contexto, estudos numa área como a de cerâmica, que tem um potencial gigantesco de crescimento irá favorecer a otimização do processo de secagem para as industrias que queiram investir em qualidade e produtividade.

2. Experimental procedure

Para este estudo experimental, dois diferentes tipos de argila foram usados para análise do efeito da temperatura do ar e relação área/volume na cinética de secagem. A composição química de cada material é mostrada na tabela 1.

Table 1

Composição quimica das argilas

Argilas Composição quimica(%)

Cerâmica

vermelha 8,78 22,29 54,79 ––– ––– 1,35 2,42 7,09

Ball-clay 1,35 32,12 51,02 ––– 0,73 ––– ––– 8,95

Os corpos de prova de argila cerâmica vermelha e ball-clay foram prensados em um molde com forma paralelepípedo com uma pressão de of 2.5 MPa. As amostras foram secas em estufa e para isto foram utilizadas diferentes temperaturas e umidades relativas do ar.

Foram realizados medidas de massa e dimensões das amostras em intervalos de tempo de 10 min, durante o processo de secagem, a massa das amostras forma obtidas em uma balança com precisão ±0.01g e as dimensões dos corpos de prova foram medidas usando-se um paquímetro digital com precisão de 0.01mm. A velocidade do ar foi mediada com um anemômetro e a umidade relativa com um hidrômetro.

±

Depois de compactadas, medidas e pesadas, as amostras foram levadas para secagem em estufa climatizada. Em intervalos de tempo pré-determinados, as amostras eram retiradas da estufa e suas dimensões e massa obtidas. Em seguida, as amostras eram recolocadas na estufa. Todo este procedimento demorava em torno de 1 min. O procedimento foi repetido até que a massa final pudesse ser obtida.

No fim da secagem, as amostras permaneciam por mais 24 horas na estufa, com o mesmo nível de temperatura do ensaio realizado, para medida da sua massa de equilíbrio, e em seguida eram retiradas destas, e levadas para outra estufa cuja temperatura era mantida a 110o C e permaneciam neste nível de temperatura por mais 48 horas para medida de sua massa de seco.

Este procedimento para obtenção da massa de equilíbrio e de seco, foi adotado tendo em vista a garantia de obtenção de melhores resultados e da não-existência de uma norma específica para tais fins.

.A Tabela 2 apresenta as condições de secagem e dimensões para todos os corpos de prova ensaiados. Nesta tabela, por exemplo, o código E110R1 representa experimento a 110 oC com amostra de argila para cerâmica vermelha .

Onde t representa o tempo total de secagem.

A equação abaixo foi utilizada para obter as alterações de volume, em cada tempo, durante o processo de secagem(11):

( )

V _t =V_o

(

β₁+β₂M

)

(A) Em t = 0, M = M e (V)o t = Vo , we have that β₁ =

(

1−β₂Mo

)

. Então, a equação (A)

pode ser reescrita como segue:

( )

∗ β + β = M V V 4 3 o t (c) Onde β₃ =β₁+β₂Me, β₄ =β₂(Mo −Me) and M*=(M−Me)/(Mo−Me). Os coeficientes (β ,₁ β ,₂ β ,₃ β )de retração volumétrica foram obtidos por ajuste entre os ₄ dados experimentais e preditos pela equação (c), usando-se o método Rosembrock

e quasi-Newton com critério de convergência de 0,00. M , e M , o M são * respectivamente os teores de umidade médios de equlibrio, inicial e adimensional.

Na tabela 2 , T, UR, v, L, C e H e são respectivamente a temperatura do ar , a umidade relativa do ar, velocidade do ar; comprimento, largura espessura dos corpos de prova ensaiados.

Tabela 2

Condições experimentais das amostras de argila usadas neste trabalho.

Ar Dimensões t Experimento T (oC) UR (%) v (m/s) Mo (d.b.) Me (d.b.) L (mm) C (mm) H (mm) (min) E110R1 110 2.30 ≈0.0 0.2270 0.00902 20.31 60.25 9.56 390 E110BA1 110 2.18 ≈0.0 0.0808 0.00069 20.35 60.67 6.50 220 E110BA2 110 2.18 ≈0.0 0.0777 0.00181 20.48 60.66 5.11 220 E110BA3 110 2.18 ≈0.0 0.1460 0.00129 20.31 60.43 7.06 220 E80R1 80 4.96 0.1 0.2139 0.00158 20.55 60.26 6.55 270 E80BA1 80 4.66 0.1 0.0773 0.00097 20.56 60.81 4.76 220 E80BA2 80 4.66 0.1 0.0769 0.00181 20.56 60.80 5.09 220 E80BA3 80 4.66 0.1 0.0765 0.00084 20.49 60.81 5.39 220 E60R1 60 10.07 0.1 0.1005 0.00173 20.54 60.45 7.06 270 E60R2 60 10.07 0.1 0.0971 0.00335 20.54 60.50 6.07 270 E60R3 60 10.06 0.1 0.0781 0.00488 20.54 60.55 8.36 210 E60R4 60 10.07 0.1 0.0947 0.00075 20.67 60.76 5.87 270

Em muitos processos industriais a equação da taxa de secagem tem sido proposta por vários autores. Neste sentido, muitos pesquisadores tem usado soluções em forma de série para descrever a difusão de massa no interior de esferas, cilindros, elipsóides e paralelepípedos para estimar a taxa de secagem da seguinte forma: ∑ = = N 1 i ) t i (-K exp i A * M (D)

Os termos de convergência da série diminuem com acréscimo de N e t. Várias aproximações e variações do modelo difusivo acima tem sido usado para descrever a taxa de secagem de alguns sólidos, contudo poucos trabalhos relatam dados para materiais cerâmicos. Neste contexto, neste estudo foi proposta uma equação aproximada da equação (D), usando-se somente três termos da série infinita. Assim, podemos escrevê-la da seguinte forma:

) t 3 (-K exp 3 A ) t 2 (-K exp 2 A ) t 1 (-K exp 1 A * M = + + (E)

Onde Ai and Ki são constantes que foram determinadas por ajuste aos dados

experimentais para cada condição de secagem, usando o método Rosembrock e quasi-Newton com critério de convergência de 0,001.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Coeficientes experimentais de retração

Os valores dos coeficientes de retração volumétrica obtidos por ajuste entre os dados experimentais e preditos pela equação (C) aplicada a amostras de quatro experimentos realizados, são apresentados na tabela 3. Os coeficientes de correlação obtidos foram maiores do que 0,91. As curvas de ajuste entre os dados experimentais e preditos pela equação citada são mostrados nas figuras 1-4.

Table 3.-. Coeficientes de retração volumétrica e variância para todos os experimentos

Primeiro passo de retração volumétrica Segundo passo de retração volumétrica

Amostra 3 β β₄ R _S2 3 β β₄ R S2 E110R1 0.7562295 0.2424924 0.992 0.983 0.8248540 0.0819587 0.920 0.838 E110BA3 0,9923750 0,0081330 0,970 0,934 0,9841877 0,3072390 1,000 1,000 E80R1 0.7886403 0.1854330 0.924 0.853 0.7991150 0.2814140 0.972 0.945 E60R3 0,9636935 0,0360229 0,996 0,993 0,9735284 0,0202102 0,914 _0,835

No inicio do processo de secagem existe uma grande remoção de umidade, assim as dimensões do sólido alteram-se com grande velocidade. Assim, a velocidade de retração volumétrica aproxima-se de zero. O ponto onde a retração apresenta outro comportamento depende da composição do material, como pode ser observado nas figuras 1-2, nestes gráficos V é o volume em m3 e Vo é o volume

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 __ M* 0.800 0.850 0.900 0.950 1.000 V/Vo E110R1 Experimental __ V/Vo=0.7562295+0.2424924 M* __ V/Vo=0.824854+0.0819587 M*

Fig. 1 – Comparação entre os volumes experimentais (o) e preditos para amostra de argila aplicada a tijolos de cerâmica vermelha, com temperatura do ar de T=110 oC.

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 __ M* 0.980 0.985 0.990 0.995 1.000 V/Vo E110BA3 Experimental __ V/Vo=0.992375+0.0080133 M* __ V/Vo=0.9841877+0.307239 M*

Fig. 2 - Comparação entre os volumes experimentais (o) e preditos para amostra de argila (ball-clay) , com temperatura do ar de T=110 oC.

Ainda podemos observar nas figuras 1-2 a existência de dois períodos de retração volumétrica. Este comportamento está em concordância com (11). De acordo com

(14),

o ponto onde as curvas se interceptam é chamado teor de umidade crítica, contudo neste estudo não existe período de taxa constante porque o teor de umidade inicial das amostras é baixo.

Cinética de secagem dos corpos de prova ensaiados 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 __ _M* E80R1, T=80ºC, S/V=435.857/m E110BA3, T=110ºC, S/V=414.856 /m E60R1, T=60ºC, S/V=413.742/m 0.00 100.00 200.00 300.00 t (min)

Fig. 3 - Influencia da temperatura do ar na cinética de secagem das amostras de argila para cerâmica vermelha.

Por comparação entre os dados apresentados, podemos observar que a temperatura do ar apresenta uma grande influência na taxa de secagem, como esperado. Quando a temperatura cresce, a taxa de secagem aumenta, contudo , isto não é importante pois altas temperaturas geram gradientes de temperatura altos no interior do sólido e isto induz a presença de tensões térmicas e mecânicas que podem induzir ao aparecimento de trincas e deformações. Estes danos estruturais, quando ocorrem, comprometem a qualidade no fim da secagem.

A forma geométrica do sólido interfere na cinética de secagem. A mediada que aumenta a relação área/volume pode-se observar nas figuras 3-4, que aumenta a velocidade de secagem, como esperado. De acordo com (11), altos gradientes de temperatura e umidade ocorrem na região próxima ao vértice do sólido. Então, tal região é mais susceptível ao aparecimento de danos estruturais no produto.

0.00 100.00 200.00 300.00 t (min) 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 __ _M* E80R1, T=80ºC, S/V=435.857/m E80BA1, T=80ºC, S/V=550.334/m E80BA2, T=80ºC, S/V=523.098/m E80BA3, T=80ºC, S/V=501.0842/m

Fig. 4 - Influência da relação área(S)/volume(V) do sólida na cinética de secagem das amostras de argila para cerâmica vermelha na temperatura do ar de T= 80 oC.

Estimação não-linear de parâmetros

A técnica de regressão linear foi usada para obter os valores dos Ais e Kis da

equação (E). A tabela 4 apresenta os valores dos Ais e Kis da equação (E).

Podemos observar o excelente ajuste obtido para cada ensaio, onde os valores do coeficiente de correlação são maiores que 0,98. Estes resultados podem ajudar outros pesquisadores em trabalhos futuros.

Table 4

Parâmetros da equação (E) determinados por ajuste aos dados experimentais para cada condição de secagem

Test Parameters Exp.

point A1 K1(s -1 ) A2 K2(s -1 ) A3 K3(s -1 ) R E110BA3 5 0,3433845 0,0012352 0,3445390 0,0012353 0,3445407 0,0012253 0,983 E80R1 9 0,3312750 0,0005531 0,3453080 0,0005532 0,3471225 0,0005531 0,997 E110R1 5 0,2719987 0,0027532 0,3454675 0,0009327 0,3944376 0,0006337 0,990 E60R1 10 0,9172583 0,0003280 0,0807159 0,0030180 0,0022671 -0,0002000 0,998 E60R3 9 0,2004540 0,0062995 0,0365420 0,0000203 0,7653440 0,0002921 0,999

CONCLUSÕES

Como resultado deste estudo, as seguintes conclusões são apresentadas:

⇒

⇒

⇒

⇒ ⇒

Equações para retração volumétrica e para cinética de secagem foram apresentadas obtendo-se excelente ajuste entre os dados experimentais e preditos, ou seja, coeficientes de correlação maiores que 0,90.

A temperatura como principal fator de influência na cinética de secagem é confirmada. A medida que a temperatura cresce, a taxa de secagem é aumenta e o tempo total de secagem diminui. Este mesmo comportamento é observado na relação área/volume.

Foi verificado que o encolhimento.Interfere na cinética de secagem em virtude da alteração na velocidade de encolhimento do sólido, sendo importante que a intensidade deste interfere na qualidade final do tijolo cerâmico.

A existência de dois períodos de retração volumétrica foi verificada e a forma das curvas depende da composição química do material

Os resultados ajustados estatisticamente servem como base para o cálculo dos coeficientes de transporte (Difusão e convectivos), que podem ser obtidos em trabalhos futuros, através de novo ajuste entre os resultados experimentais e numéricos.

Agradecimentos

Os autores agradecem a CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior) e ao CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico), por financiamento de projeto associado a este trabalho.

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EXPERIMENTAL DRYING OF CERAMICS BRICKS INCLUDING SHRINKAGE

The industry ceramic in Brazil still presents industrial processes with great consumption energy, a lot of times associated to high environmental impact. In this context, the great majority produces products of low quality due to inadequate processes of drying, presenting a great delay technological. In this way, the objective of the present work is to contribute for the improvement of the quality of the drying process, because it presents an experimental study of the drying samples (geometry parallelepiped) of two clay types, with different dimensions and tenor of initial humidity. In the drying atmosphere, several temperatures and relative humidity was used, several curves of the drying kinetics and of shrinkage are shown and analyzed. The drying process happens in the period of decreasing rate and the shrinkage happens in two periods.