FRAGMENTAÇÃO DE SÓLIDOS

FRAGMENTAÇÃO DE SÓLIDOS

É a operação que tem por objetivo reduzir o tamanho dos

fragmentos de determinado material (matéria-prima ou produto

final).

O mecanismo da fragmentação de partículas sólidas consiste:

1) A aplicação do esforço causando inicialmente o aparecimento de fissuras no material.

2) Concentração de esforço além de um valor crítico acarreta crescimento rápido.

3) Ramificação das fissuras, ocorrendo finalmente a ruptura.

A distribuição granulométrica das partículas no produto de uma operação de moagem depende da energia fornecida ao material.

Comprensão

• Compactação• Esmagamento

Impacto

• Choque

Atrito Superficial

• Esfregar

Corte por facas

• Cisalhamento agudo

Forças utilizadas no processo:

Os objetivos da fragmentação dos sólidos:

• Diminuir o tamanho para separar dois ou mais constituintes, ajudando outros processos, como o de compressão ou o de extração.

• Para aumentar a área externa, melhorando reações;

• Para proporcionar mistura de dois ou mais sólidos.

Compressão: Tensão entre duas superfícies sólidas. As superfícies

podem mover-se uma em relação a outra frontalmente ou

tangencialmente para exercer a pressão requerida.

Mecanimos de quebras de partículas

Impacto: Nos equipamentos que utilizam o impacto, a tensão é aplicada a

uma única superfície. As paredes possuem saliências que ajudam a

fragmentar por propiciar uma maior superfície de impacto contra

substâncias que são nelas lançadas

Atrito: Tensão entre duas superfícies sólidas provocada por uma

pressão vertical em um lado e pelo movimento circular ou não circular

sobre a superfície.

Exemplo: almofariz, pilão,moinhos de disco.

Corte: Tensão entre duas ou mais superfícies sólidas como resultado de

uma força cortante ou de cisalhamento.

A redução de tamanho é iniciada pelo movimento das duas superfícies

movendo-se em direções opostas ou por uma superfície movendo-se e a

outra superfície imóvel

PROPRIEDADES DOS SÓLIDOS

Dureza: afeta o consumo de energia e o desgaste da máquina. Com materiais duros

e abrasivos é preciso usar máquina de baixa velocidade e proteger os apoios da

poeiras abrasivas formadas.

Estrutura: os materiais granulares normais, como carvão, minérios e rochas podem

triturar-se eficientemente com o uso das forças normais de compressão, impacto,

etc. Para materiais fibrosos é necessário efetuar uma ação de rompimento.

Conteúdo de umidade: verifica-se que os materiais não fluem bem se contiverem

de 5 a 50% de umidade; nestas condições, os materiais tendem a se aglutinarem

formando bolas. A moagem pode ser satisfatória fora destes limites

Resistência ao esmagamento: a potência necessária para o esmagamento é quase que

diretamente proporcional à resistência do material ao esmagamento.

Friabilidade: é a sua tendência a fraturar-se durante o manuseamento normal. Em geral,

um material cristalino quebrará ao longo de planos bem definidos e a potência necessária

pra o esmagamento aumentará à medidaque o tamanho da partícula diminui.

Empastamento: um material pegajoso tenderá a entupir o equipamento de moagem e,

por isso, deverá ser moído numa instalação que possa ser rapidamente limpa.

Fluidez. esta característica é, em geral, um reflexo do valor do coeficiente de atrito da

superfície do material. Se o coeficiente de atrito for baixo, o esmagamento pode ser mais

difícil.

TIPOS DE EQUIPAMENTOS

Britadores

Trituradores

Moinhos

PRINCIPAIS EQUIPAMENTOS USADOS PARA REDUÇÃO DE TAMANHO

BRITADOR DE MANDÍBULAS

• Atende várias necessidades - desde rochas duras e abrasivas até vários materiais de reciclagem.

MOINHO DE ROLOS

Partículas na alimentação são submetidas a forças de compressão.

MOINHO DE MARTELOS-Este tipo de moinho é utilizado para fragmentar materiais frágeis não abrasivos.

- Funcionamento básico: Um rotor de alta velocidade gira no interior de uma capa cilíndrica. No exterior do rotor é acoplada uma série de martelos nos pontos de articulação. O material se rompe pelo impacto dos martelos e se pulveriza ao passar por uma esteira na abertura entre os martelos e a capa.

- A carga é feita pela parte superior e o produto sai pelo fundo onde há barras que formam uma grelha. Nos modelos menores as barras são substituídas por uma placa metálica perfurada.

MOINHO DE BOLAS

- Velocidade de operação: Se a rotação for muito baixa, as bolas apenas rolam no interior do moinho e a ação de moagem é bastante reduzida. A medida que a velocidade aumenta, as bolas são levadas até posições cada vez mais elevadas e a ação de moagem torna-se mais intensa. Porém, há uma rotação crítica do tambor a partir da qual as bolas começam a centrifugar e então a ação de moagem cai a valores bastante baixos.

- Funcionamento básico: Uma capa cilíndrica, que gira em um eixo horizontal, é carregada com bolas de aço ou porcelana. A redução de tamanho é feita pela ação do impacto e da fricção das bolas ao girar o moinho.

MOINHO DE DISCOS•

- Funcionamento básico: O material é introduzido através do funil alimentador no compartimento de moagem sendo conduzido centralizadamente por entre dois discos moedores em posição vertical. Um disco móvel gira contra um fixo e arrasta o material. Os efeitos de trituração desejados decorrem de esforços de pressão e atrito. O denteamento progressivo dos discos moedores proporciona uma ruptura inicial do material, que é então conduzido por meio de força centrífuga para o segmento exterior dos discos, onde se dá a trituração fina. A amostra moída sai pela fenda de moagem e é recolhida num vaso coletor.

MOINHO DE REBOLO- Funcionamento básico: A moagem é realizada entre duas pedras horizontais pesadas circulares, uma das pedras é fixa e a outra gira em torno de seu eixo. O material é alimentado por cima, através de um furo central na pedra superior, sendo moído por atrito entre as duas pedras, cuja superfície é áspera. O produto sai lateralmente por ação centrífuga.

LEIS DE DIVISÃO DE SÓLIDOS

• Equação diferencial que relaciona o trabalho elementar necessário para fragmentar a unidade de massa do sólido (dw) com a variação de tamanho (dD):

LEI DE RITTINGER

Onde:

• K - depende do tipo de máquina e do material (obtido experimentalmente em cada situação estudada)

• C - capacidade do britador ou moinho (t/h)

• D - diâmetro da partícula

LEI DE KICK

• A lei de Kick pode ser deduzida com base na teoria da análise de tensões durante as deformações do sólido no regime elástico.

• K depende do britador e do material;

• Essa Lei aplica-se bem nas primeiras fases do britamento, quando a superfície adicional produzida é relativamente pouco importante.

LEI DE BOND

• A expressão a seguir permite calcular a energia consumida para moer a unidade de massa do sólido;

Onde: • D1 e D2 – diâmetros médios da alimentação e do produto,

respectivamente (cm) • C - capacidade em t/h• Wi - em kW.h/t • k é igual a 1,34 e 1,0 para obter a resposta em HP e kW

respectivamente.

ARTIGO

Moagem de pós de carbeto de silício em moinho planetário

(Planetary milling of silicon carbide powders)

M. A. P. dos Santos1, C. A. Costa

Grupo de Materiais, Instituto de Pesquisas da Marinha - IPqM, R. Ipirú s/n, Ilha do Governador, Rio de Janeiro, RJ 21931-090

²Programa de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, COPPE - UFRJ, CP 68505

Rio de Janeiro, RJ 21945-970

Uma grande variedade de métodos físicos, químicos e mecânicos são disponíveis para a preparação de pós finos e ultrafinos.

Moagem de alta energia: métodos mecânicos que produzem pós submicrométricos e nanométricos.

Parâmetros envolvidos: Influência do tempo de moagem Tamanho Morfologia Contaminação dos pós obtidos

INTRODUÇÃO

MOINHO PLANETÁRIO

Os moinhos planetários de bolas pulverizam e misturam rapidamente materiais macios, semiduros a extremamente duros, quebradiços e fibrosos, sem desperdício de material.

A moagem ocorre através do choque mecânico entre os corpos moedores e as partículas e ocorre normalmente em meio úmido.

O grau de contaminação pode ser bastante elevado, dependendo do meio de moagem empregado.

Possui uma boa homogeneização e gera partículas com elevada área superficial em um curto intervalo de tempo. O processo gera pós com estreita distribuição de tamanho de partícula, além de uma elevada sinterabilidade.

O seu excelente desempenho é obtido graças às elevadas forças centrífugas e à energia de pulverização extremamente elevada.

MATERIAIS E MÉTODOS

A matéria prima utilizada foi o carbeto de silício SiC

A caracterização do pó mostrou que o mesmo apresenta fase cristalina alfa (α-SiC), densidade 3,211 g/cm3 e um diâmetro médio de 1,77 µm, enquanto a composição química é mostrada na Tabela.

O processo de moagem foi realizado em moinho planetário.

Os jarros utilizados na moagem foram fabricados especialmente para suportar os elevados desgastes do processo e moer quantidades de material superiores a 100 g por jarro. Eles foram confeccionados em aço inoxidável, com 10 cm de diâmetro interno, capacidade de 500 mL, e revestidos internamente com WC-Co.

MATERIAIS E MÉTODOSCondições de moagem:• Velocidade de rotação: 300rpm• Álcool isopropílico• Corpos moedores de zircônia estabilizada com Céria(80% ZrO2+ 20% CeO2), cuja faixa

granulométrica variou de 0,7 a 1,2mm de diâmetro.• Densidade: 6,1 g/cm3 Os jarros de moagem foram preenchidos pela metade (250 mL) e cerca de 60% deste volume (150 mL) foram preenchidos pelos corpos moedores, enquanto os 40% restantes (100 mL) foram compostos pela polpa, na seguinte proporção: 100 g de SiC e álcool isopropílico em volume suficiente para cobrir o pó de SiC e os corpos moedores.

Os tempos de moagem foram de ½, 2, 4 e 6 h.

MATERIAIS E MÉTODOS

Após as moagens, os pós foram colocados em bandejas pirex, secos em estufa a 70 °C por 24 h e

em seguida desaglomerados em gral de ágata.

A caracterização dos pós moídos, com respeito à distribuição e tamanho médio de partícula, foi

feita em equipamento MAF 5001, que tem capacidade de medir partículas nas faixas de 0,05 até

500 µm.

A área superficial específica foi medida pela técnica de fisisorção, enquanto a determinação da

composição química foi feita com espectrômetro de fluorescência de raios X e difração de raios X.

A morfologia das partículas foi observada com o auxílio de microscópio eletrônico de varredura.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A influência do tempo de moagem sobre a redução do tamanho médio de partícula do α-SiC pode ser observada na Tabela II,mantendo as condições de moagem constantes.

Estes dados indicam que o processo usado foi extremamente eficiente em reduzir o tamanho de partícula em curtos espaços de tempo de moagem

A partir de certo limite não é possível mais reduzir o tamanho das partículas com as condições de moagem utilizadas.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A caracterização por fluorescência de raios X mostrou que houve elevada aditivação

secundária em relação ao SiC.

• ZrO2: obteve a maior aditivação, que aumentou continuamente com o tempo de moagem, atingindo valores da ordem de 15% em peso para o tempo de 6 h

• Fe: amentou de 0,30 para cerca de 5% em peso após 2 h de moagem e, se manteve praticamente constante.

• WC-Co: O seu teor aumentou descontinuamente até 6,5% em peso para 4 h de moagem e, posteriormente, teve seu valor reduzido para 2% em peso.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

O processo de moagem empregado neste trabalho mostrou-se altamente eficiente

em produzir partículas muito finas.

Tão importante quanto à redução do tamanho de partícula é observar se houve

alteração da geometria das mesmas.

Neste sentido, análise por microscopia eletrônica de varredura foi realizada nos pós

depois dos tempos de moagem.

RESUTADOS E DISCUSSÃO• Figura 1: Pó como recebido. Apresenta partículas não esféricas, marcadas por arestas viva,

não há aglomeração e possui um diâmetro médio de 1,77µm.

• Figura 2: Pó moído por 6h. Apresenta grande redução no tamanho das partículas, há formação de aglomerados e um diâmetro médio de 0,38µm.

Fig. 1 Fig.2

CONCLUSÃO

• A moagem do SiC em moinho planetário, utilizando-se álcool isopropílico, resultou em grande e rápida redução do tamanho de partícula.

• Em apenas 30 minutos de moagem houve uma diminuição de 1,77 µm para 0,4 µm.

• Teores de ZrO2, CeO2 e Fe aumentam continuamente com o tempo de moagem até 6 h, atingindo valores de até 15% para ZrO2.

• WC-Co aumentou até 4 h de moagem e, então, sofreu redução drástica. Isso ocorre, provavelmente, devido ao estabelecimento de uma camada fina de SiC que impede novos contatos diretos entre as bolas de moagem e a parede.

• A substituição de esferas pesadas de ZrO2 por esferas leves de SiC acarretará em uma redução da contaminação final, mas pode alterar a eficiência da moagem.

OBRIGADO!