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Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS

Exemplo: estabilização da

ZrO2 por CaO

POLIMORFISMO

B – CARACTERIZAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA2.1.1 MATÉRIA-PRIMA

2.1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: PROCESSAMENTO DE PÓS


Dilatação térmica de uma argila

com SiO2 (quartzo)

POLIMORFISMO




Per

da d

e pe

so

Temperatura

d - Haloisita

d - Haloisita

b - Bentonita

b - Bentonita

c - Ilita

c - Ilita

a - Caolim

a - Caolim

DTA

POLIMORFISMO




•Desagregação de aglomerados

•Diminuição do tamanho de partícula

•Aumento da área específica

•Ativação da superfície

•Homogeneização

•Promoção de reações química

A - OBJETIVOS

2.1.2 MOAGEM2.1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: PROCESSAMENTO DE PÓS

De um modo geral:

- só 7 a 13% da energia efetivamente utilizada

- maior parte da energia dissipada como calor

- aumento da área superficial

- formulação

sub processos:

deformação plástica das partículas

deformação elástica

rearranjo cristalino


pós secos

mistura com solvente

polpa

aditivação

moagem

secagem

pós secos

aditivação

moagem

ÚMIDO SECO

B - TIPOS



Moagem a úmido

- Processo eficiente na moagem de matérias-primas heterogêneas

- Moagem geralmente descontínua ou por bateladas

- Equipamentos: moinhos horizontais com estrutura de aço, revestidos internamente de

silex ou borracha, com corpos moedores de sílex ou alumina de alta densidade

- Utiliza-se além de água um eletrólito (à base de Na)

- Tempo de moagem: função da friabilidade das matérias-primas, sua forma e distribuição

granulométrica, da natureza, forma e distribuição de tamanho e carga dos corpos

moedores, e da curva de defloculação da polpa (barbotina)

- Uma vez atingidos os parâmetros de viscosidade e densidade, o moinho é descarregado

e a barbotina armazenada em tanques onde é constantemente agitada

B - TIPOS



Moagem a seco

- Processo adotado quando a massa cerâmica comporta uma ou no máximo duas argilas

- Equipamentos: destorroador, moinho de martelos e peneira

- Equipamentos mais modernos: moinhos pendulares, peneiras vibratórias e granuladores

pós com granulometria e morfologia similares ao pó

atomizado obtido por via úmida.

B - TIPOS



Vantagens moagem a úmido

- baixo consumo energia

- sem pós

- altas velocidades de rotação

- peneiramento a úmido

- boa homogeneização

- moagem mais efetiva

- distribuição mais estreita

- compatibilidade com spray

drying e colagem

Vantagens moagem a seco

- dispensa secagem dos pós

- sem reações pó/líquido

- menor desgaste dos moinhos

- pode ser interrompida a qualquer

momento

- passível de otimização

B - TIPOS



- Eficiência energética da moagem literatura: valores entre 0,1% e 20%

variação devido às diferentes

formas usadas no cálculo da

energia mínima de cominuição

- A quebra de partículas individuais representa o modo mais eficiente de cominuir

materiais, minimiza-se perdas devido ao atrito e a eventos mal sucedidos

A energia total consumida depende

significativamente da razão entre a energia usada

em cada impacto e a energia média de fratura das

partículas em cada classe de tamanhos, sendo que

a energia mínima corresponde a uma razão

tipicamente entre 1,5 e 4.

A partir desta metodologia obteve-se a eficiência

energética da moagem com variação de 8 a 23%,

conforme do material.

CARACTERÍSTICASB - TIPOS2.1.2 MOAGEM



Cálculo da eficiência energética da cominuição em moinho de bolas

Material Simulação Moinho de bolas Eficiência (%)

Ek,t (kWhr/ton) Wi (kWhr/ton) Fonte Emoagem (kWhr/ton)

Apatita 0,84 - - - -

Magnetita 0,94 12,0 [2] 5,1 18

Quartzo 1,63 16,5 [4] 7,0 23

Basalto 1,72 20,4 [4] 8,6 20

Mármore 0,22 6,7 [13] 2,8 8

Minério de cobre 1 1,67 12,7 [14] 5,4 12

Minério de cobre 2 0,86 14,3 - 6,1 14

Minério de ferro 0,32 - - - -

Clínquer de cimento A 0,90 20,9 [15] 8,9 10

Clínquer de cimento B 1,06 15,4 [15] 6,5 16

CARACTERÍSTICASB - TIPOS2.1.2 MOAGEM



Tipos de moinhos:

- britadores,

- bolas,

- rotativo,

- vibratório,

- martelo,

- vara,

- micronização

EQUIPAMENTOS

B - TIPOS2.1.2 MOAGEM



Britadores

EQUIPAMENTOS




Bolas rolos impacto

Moinhos

EQUIPAMENTOS




- Esquema do moinho de esmaltes (SACMI, 1986).

Moinhos

EQUIPAMENTOS




região onde a força

centrífuga anula a

gravitacional

região de impacto

principal região de

moagem

cisalhamento

sem moagemtamboramento

tombamento

Moinhos de bolas

EQUIPAMENTOS




Corpos moedoresEQUIPAMENTOS




Comparação diferentes processos de moagem

EQUIPAMENTOS




EQUIPAMENTOS

Comparação diferentes processos de moagem




Micronizador

EQUIPAMENTOS




Definição: Processo de separação de uma suspensão em cake e um líquido (filtrado)

pela passagem por um material poroso (filtro)

Fatores importantes:

-propriedades da suspensão (ex. distribuição de tamanho, concentração)

-propriedades do filtro (ex. tamanho e forma dos poros)

-forças aplicadas na suspensão

Tipos de filtros: filtros gravitacionais (telas, tecidos, papel), filtros centrífugos, a vácuo

(tambores, discos), ou filtros-prensa.

Umidade típica após filtragem 8 a 15%.

A - FILTRAÇÃO

2.1.3 SEPARAÇÃO SÓLIDO-LÍQUIDO



Definição: (sedimentação) os sólidos de uma suspensão sedimentam pela ação da

gravidade, formando uma polpa espessa.

O líquido (água) e a polpa espessada podem ser separados continuamente ou

intermitentemente.

Vantagem: Em comparação com a filtragem, a vantagem é o custo da operação

Desvantagem: alta umidade.

Na prática: combinação de espessamento e filtração com uso de agentes floculantes.

B - ESPESSAMENTO




MECANISMO DE FLOTAÇÃO

C - FLOTAÇÃO




APLICAÇÃO DA FLOTAÇÃO:

OBTENÇÃO DE FELDSPATO

POR FLOTAÇÃO

C - FLOTAÇÃO




Definição: Processo de secagem em contra-corrente que ao mesmo tempo produz grânulos de

tamanho e área específica controlados

A atomização depende da taxa de secagem e do tempo de residência das partículas no

atomizador e do tamanho deste.

Tipos de atomizadores:

SOB PRESSÃO: spray formado pela passagem forçada de um fluido (bombeado) por um orifício.

Características:

•Produz grânulos pequenos.

•É a técnica mais eficiente em termos de energia.

•Desgaste de peças (WC).

•Limitada a 1 l / min (maiores pode entupir o orifício). Alternativa: múltiplos orifícios.

•Através do ângulo de aspersão pode-se variar a fluidodinâmica do atomizador.

•Baixo custo pelo reduzido tamanho do equipamento.

D - ATOMIZAÇÃO (SPRAY-DRYING)




SPRAY DE DOIS FLUIDOS: A aspersão é criada pelo contato entre dois fluidos: a alimentação e

um gás comprimido. A energia de atomização é provida pelo gás comprimido (usualmente ar). O

contato pode ser internal ou external ao orifício.

Características:

• Faixa granulométrica dos grânulos mais larga.

• O tamanho médio é dado pelo fluxo por orifício, pelo gás comprimido e pela pressão

exercida.

• É o menos eficiente em termos de energia.

• Útil para produção de grânulos extremamente finos ( (10-30 micron).

• Aplicação mais usual em escala piloto.

• Manutenção cara.

• Pode usar qualquer tipo de bomba.

• Controle do ângulo de spray é limitado.

• Custo de instalação baixo (não requer bomba pressurizadora).





SPRAY CENTRÍFUGO: A aspersão é criada pela passagem de um fluido contato ou por um

disco ou por uma roda giratória. A energia de atomização é provida pelo motor. O contato pode

ser internal ou external ao orifício.

Características:

• Larga daixa granulométrica dos grânulos.

• O tamanho médio é dado pelo diâmetro da roda e pelo numero de giros.

• Requer relativamente alta velocidade de injeção do gás, para prevenir efeito parede, que pode aumentar quantidade de finos.

• Pode operar por longos períodos sem interrupções (menor desgaste. Maior desgaste: injetores nas rodas - WC).

• Menor efeito parede devido à distribuição horizontal das partículas.

• Custo de instalação e manutenção alto (peças rotativas).





ATOMIZADORES: COMPARAÇÃO ENTRE CUSTO ENERGÉTICO

• para atomização de 34 litros de suspensão polpa, formando grânulos com 70 m:

– SOB PRESSÃO (Bomba 1200 psig): 10 HP

– SPRAY CENTRÍFUGO (9000 RPM): 25 HP (Bomba 30 psig): 3 HP

– DOIS FLUIDOS: 180 SCFM @ 80 psig: 30 HP (Bomba 80 psig): 5 HP





ATOMIZADORES: COMPARAÇÃO DISTRIBUIÇÃO DE TAMANHO DE GRÂNULOS





PORQUE ATOMIZAR?

• Área Superficial: tamanho médio de 100 m 3,5 m2/g; tamanho médio de 20 m 17,3 m2/g (3,4 l espalhados em 14 hectares).

• Controle do tamanho de partícula: fácil controle pela atomização do líquido e pela injeção de gás. Elimina etapa posterior de classificação para < 500 m. Sem poeira - poluição baixa.

• Resfriamento por evaporação: calor e massa transferidos durante a secagem ao ar. Um vapor protetor envolve os grânulos (mantendo-os na temperatura de saturação). Pode-se atomizar m-p susceptíveis à degradação pela temperatura elevada (< T do gás, p.ex.).

• Curto tempo de residência: 3 a 40 s. Permite atomização sem degradação. Troca rápida de carga pois não há retenção de pós no equipamento.

• Baixa custo do equipamento: realizado em um leito de gás suspenso, a câmara permanece seca. Materiais corrosivos podem ser processados em equipamento de aço carbono baixa liga: Custo de instalação e manutenção baixos.

• Fluidez dos grânulos: a forma esférica dos grânulos promove fluidez. Produtividade na prensagem.

• Homogeneidade: mesmo para m-p de multicomponentes.








Arranjo típico de atomização


-Processo final da moagem a úmido suspensão aquosa das matérias-primas

finamente moídas - a barbotina cerâmica –

(sólidos em suspensão de 60% a 70%)

desumidificação através de um

spray-dryer ou atomizador obtém-

se a massa cerâmica

Representação esquemática de um

atomizador industrial utilizado no preparo da

matéria-prima na fabricação de

revestimentos cerâmicos





- Principais parâmetros tecnológicos monitorados: umidade e granulometria

- Regulagem do atomizador: obtenção de pós com umidade residual controlada (pós com

umidade de 5%, 6%, 7%, 8%) com uma tolerância de 0,5% para cada pó.

barbotina é injetada sob alta pressão (25 - 30 bar)

nebulizada dentro de uma câmara de secagem (ar quente 500 a 600ºC)

evaporação da água é quase instantânea (elevado coeficiente de troca térmica)

grânulos atomizados são descarregados sobre uma correia transportadora e

conduzidos aos silos de massa

pó fino que não caiu, é recolhido por um sistema de ciclones separadores e

despejado sobre a correia de massa, e o ar de exaustão (vapor) perfeitamente limpo,

é aspirado para o chaminé.





Temperatura muito

elevada no interior da

câmara ou excessivo

volume de ar quente,

produzem grãos

esburacados, úmidos

no interior e secos na

superfície.

Em condições ótimas

de atomização, obtém-

se grãos

caracterizados por uma

reentrância lateral mais

ou menos marcante e

com umidade variável

da superfície para o

interior.

Matérias-primas do tipo

lamelar (talco) presentes

na barbotina, podem

originar uma porosidade

elevada e desordenada

que favorecem a secagem

com danos à

compactação. Neste caso,

tem-se grânulos porosos

perfeitamente secos, mas

com baixíssimo peso

específico.

Um aumento da

tensão de vapor no

interior do grão,

provoca uma

“explosão” e tem-se

grãos de forma

aberta, à semelhança

de uma pipoca.

FORMA DOS GRÃOS DO PÓ ATOMIZADO





GRANULAÇÃO POR SPRAY:

- forma grânulos pela

atomização de um líquido,

ou uma solução, dentro de

um leito fluidizado.

- Fluidização: através do gás

(ar) aquecido, impede a

formação de grânulos

grosseiros

- Tamanho da partícula

obtida depende da agitação,

quanto maior a agitação,

menor a partícula, até um

limite.





Ferrita (75x) ZrO2 (30x)

MICROGRAFIA DOS GRÃOS DO PÓ ATOMIZADO





EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS





EQUIPAMENTOS





pellets

A - PELLETIZAÇÃO

2.1.4 AGLOMERAÇÃO



Movimento das partículas no seu tamboreamento

B - TAMBOREAMENTO

2.1.4 AGLOMERAÇÃO



C - PELOTIZADORES

2.1.4 AGLOMERAÇÃO


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