simulaÇÃo numÉrica 3d do processo de extrusÃo de …

Anais do 50º Congresso Brasileiro de Cerâmica Proceedings of the 50th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society

22 a 25 de maio 2006 – Blumenau, SC SIMULAÇÃO NUMÉRICA 3D DO PROCESSO DE EXTRUSÃO DE ARGILAS EM

EXTRUSORAS DE PARAFUSO HELICOIDAL

R.S. De Lorenzi(1)

LabCet – Depto. de Eng. Mecânica - Universidade Federal de Santa Catarina

88040-900 - Florianópolis - SC - BRASIL.

[email protected]

(1) Engª Mecânica - labCET, Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)

RESUMO Extrusoras são equipamentos largamente utilizados na indústria cerâmica, na produção

de tijolos, telhas, blocos e outros materiais que caracterizam a cerâmica estrutural. O

trabalho que será apresentado consiste na validação e utilização de um software de

simulação numérica 3D, desenvolvido para servir como ferramenta de projeto e análise

do comportamento fluido-dinâmico das argilas no interior de extrusoras com parafuso

helicoidal. Este trabalho foi desenvolvido em uma empresa cerâmica onde, inicialmente,

o software passou pela etapa de validação e em seguida foi utilizado como ferramenta

de análise de alguns problemas com origem na etapa de extrusão, enfrentados pelas

linhas de produção da empresa.

Posteriormente o software foi utilizado como ferramenta de projeto, buscando

aperfeiçoar as características construtivas do parafuso helicoidal responsável pela

transmissão da força motriz de extrusão, em função das características fluido-

dinâmicas do escoamento. Enfim neste trabalho será apresentado basicamente os

resultados referentes à análise, obtidos durante a execução do trabalho buscando

avaliar as influências de algumas variáveis do processo de extrusão.

Palavras Chave: Extrusoras a parafuso, simulação numérica 3D, indústria cerâmica.

1 – INTRODUÇÃO

Uma elevada qualidade de produção associada a uma alta produtividade com

baixo custo operacional norteia constantemente as indústrias de transformação, dentre

elas as de cerâmica de revestimento e estrutural. O objetivo deste trabalho

desenvolvido no período de estágio na empresa francesa Terreal, que concentra suas

1


22 a 25 de maio 2006 – Blumenau, SC atividades na produção de telhas, é estudar o processo de extrusão de argilas,

considerando a necessidade da empresa em dominar e melhor compreender esta

etapa do processo. Para abordar este estudo um programa de simulação numérica

pela técnica de elementos finitos foi adquirido, este consiste em um utilitário para

analisar a física dos escoamentos de pastas argilosas dentro de uma extrusora, afim de

buscar respostas às questões frequentemente colocadas sobre o funcionamento deste

equipamento.

2 – EXTRUSÃO E REOLOGIA DE ARGILAS

A extrusão é um processo de conformação de materiais que consiste na

produção de peças retilíneas de seção definida e regular. O processo de extrusão é

bastante utilizado na indústria cerâmica para modelar os produtos no domínio da

cerâmica estrutural (telhas, tijolos e placas). Neste contexto encontramos

principalmente dois tipos de extrusoras: a parafuso helicoidal e a pistão. Cada

extrusora se diferencia pelas dimensões geométricas, tipo, modelo, potência,

rendimento e etc. Porém todas as extrusoras têm em comum um centro de geração de

pressão que conduz a argila a atravessar a boquilha dando assim forma ao produto.

Por definição a reologia é a ciência que estuda o escoamento dos fluidos, onde a

noção de viscosidade é essencial: onde sob a ação de uma força de cisalhamento,

quanto mais elevada é viscosidade, mais o fluido resiste a deformação e menor é a

velocidade de deformação (baixo gradiente). Em função da resposta à tensão

cisalhante os fluidos são divididos em três grandes categorias: newtonianos, não

newtoniano independente do tempo e não newtoniano dependente do tempo.

2.1 – Modelos de comportamento reológico de pastas argilosas

Quando extrudamos um fluido newtoniano através de um orifício a força aplicada

varia diretamente com a vazão mássica. Desta forma a extrusão de um fluido visco-

plástico requer uma força inicial para iniciar o escoamento, este é tipicamente o caso

das pastas argilosas que apresentam um limite de escoamento, é devido a este

comportamento que elas são comumente classificadas como fluidos plásticos. Este

limite de escoamento é uma propriedade inerente das pastas argilosas que dependem

principalmente da sua formulação (natureza das argilas, percentual de água e aditivos),

2


22 a 25 de maio 2006 – Blumenau, SC contudo essa característica pode ainda variar durante o próprio escoamento do fluido.

Para que possamos representar o comportamento reológico das pastas argilosas,

devemos elaborar uma equação capaz de descrever seu comportamento visco-plástico

com limite de escoamento de forma satisfatória. Atualmente temos dois modelos que

representam satisfatoriamente o comportamento das pastas argilosas.

2.1.1 – Lei potência

Este modelo é o mais difundido haja vista sua simplicidade e por permitir a

obtenção de soluções analíticas, podemos descrevê-lo da seguinte maneira:

mk γτ &.= Onde: τ = Tensão de cisalhamento (N/m²);

γ& = Gradiente de velocidade (s-1) ;

k = Consistência do fluido, em (Pa.s-m) ;

m = Indice de pseudoplasticidade ou desvio do modelo newtoniano (onde m=1 para um

fluido newtoniano).

Se m<1, o fluido é pseudoplástico, se m>1, o fluido é dilatante e se m=0 consiste em

um fluido plástico. (ver figura 2.1)

Este modelo apresenta como principal inconveniente: superestimar a taxa de

cisalhamento em baixo gradiente de velocidade. De fato para toda tensão mesmo

sendo ela fraca teremos escoamento. Sendo porém que os fluidos viscoplásticos (caso

das pastas argilosas) apresentam um limite de escoamento onde abaixo deste não

gera escoamento.

Figura 2.1 – Comportamento da lei potência

3


22 a 25 de maio 2006 – Blumenau, SC

2.1.2 – Modelo Herschel-Bulkley

Este modelo difere da lei potência pela presença de uma tensão limite de

cisalhamento: onde abaixo desta tensão o material se comporta como um sólido. Neste

modelo a lei de comportamento segue da seguinte maneira:

⎩⎨⎧

≤=≥+

=s

sm

s

sisik

ττγττγτ

τ,0

,.&

&

O fluido de Bingham (modelo plástico perfeito) é um caso particular desta

formulação que corresponde à um índice de pseudoplasticidade “m” igual a 1. É

tipicamente o caso de cimentos frescos e certas pastas aluminosas.

Figura 2.2 – Comportamento de acordo Herschel-Bulkley

Este modelo nos permite nos aproximar melhor do comportamento das argilas.

Tipicamente para o caso das argilas utilizadas para a fabricação de telhas e tijolos os

parâmetros , K e m situam-se entre: sτ

20 ≤ τs ≤ 200 kPa

0,001 ≤ K ≤ 0,04 kPa.s-m

0,2 ≤ m ≤ 0,6

4


22 a 25 de maio 2006 – Blumenau, SC 2.2 – A importância da extrusão

A extrusão é uma das etapas chave da produção de produtos em cerâmica

estrutural pois é neste momento que é determinada a forma dos produtos. Portanto

necessário compreender o processo de forma ampla, pois teremos conseqüências

diretas e indiretas sobre os processos subseqüentes. Os principais fatores que regem a

extrusão de pastas argilosas e que devem ser dominados para evitar o aparecimento

de defeitos são:

1. Características estruturais e físico-químicas da argila (percentual de água,

natureza da argila, características dos aditivos);

2. Propriedades reológicas das argilas;

3. Parâmetros de escoamento: geometria da extrusora, vazão, pressão e

velocidade de rotação do parafuso helicoidal;

4. Características tribológicas da parede interna da extrusora.

Um dos principais objetivos deste estudo consiste na compreensão da influência

das características do parafuso helicoidal (concepção mecânica, dimensões, forma e

cinemática) em relação à conformação dos produtos. O programa de simulação de

extrusão é, portanto, um utilitário interessante com o intuito de estudar e compreender

as performances do parafuso helicoidal e das extrusoras.

3 – A SIMULAÇÃO NUMÉRICA

Atualmente a simulação numérica dos processos industriais é cada vez mais

utilizada e difundida. A simulação numérica é uma ótima ferramenta de análise, pois ela

permite prever a instalação e funcionamento de um processo de fabricação. Além disso,

a simulação de processos industriais é de grande valia como ferramenta de projeto e

otimização da fabricação de novos produtos. Uma grande vantagem deste utilitário

reside na prevenção de problemas e incompatibilidades que uma máquina ou mesmo

um sistema podem apresentar, o objetivo então é prever estes inconvenientes e

promover uma economia de recursos (matéria-prima, energia, mão de obra,

manutenção e etc) otimizando assim a produção e os parâmetros do processo.

Para a simulação do processo de extrusão utilizaremos um programa baseado no

método de elementos finitos tridimensionais.

5



3.2 – Etapas de preparação da simulação

Para que possamos ter bons resultados de simulação e assegurar o melhor

acordo entre a simulação e a realidade devemos primeiramente fazer uma modelagem

completa dos componentes de extrusora com níveis de detalhes correspondentes à

qualidade de resultados desejados, é necessário então conhecer precisamente as

dimensões de cada elemento da extrusora.

Para efetuar a simulação da extrusora passamos pela seguintes etapas:

• Medição dos componentes da extrusora,

• Modelagem dos componentes em CAD,

• Criação das malhas de cálculo dos componentes,

• Inserção das características de produção (vazão mássica, velocidade do

parafuso helicoidal, características reológicas das argilas),

• Execução das simulações,

• Análise dos resultados.

4 – APRESENTAÇÃO DO CASO

O trabalho foi basicamente desenvolvido no intuito de solucionar o problema

encontrado por uma das unidades da empresa, unidade esta concentrada na produção

de telhas. Onde o principal problema a ser resolvido consistia em descobrir as

principais causas da variação de vazão mássica de extrusora quando da saída do

produto na boquilha, sabendo que a vazão de entrada de material se mantinha

constante ao longo do tempo.

Inicialmente calculamos o rendimento alcançado pela extrusora para termos uma idéia

da eficiência do equipamento quando do seu funcionamento. O funcionamento de uma

extrusora pode ser caracterizado pode ser caracterizado pela vazão mássica de argila

que sai pela boquilha (vazão real) e a sua vazão teórica de transporte (calculado em

função das características do processo e características geométricas do equipamento).

Então o rendimento é calculando fazendo a relação entre as duas vazões, vale lembrar

6


22 a 25 de maio 2006 – Blumenau, SC que não consideramos a vazão associada a gradiente de pressão imposto pela

extrusora por não achar relevante neste momento.

Vazão RealRendimento=Vazão Teórica

Desta forma realizando os algebrismos necessários para calcular e simplificar esta

relação chegamos a seguinte equação demonstrada abaixo.

NpasSVS gf

×××

=η

Onde:

Sf, área da secção de saída da boquilha, em m² ;

Vg, velocidade de saída do material (argila) através da boquilha, em m/min ;

S, área útil de transporte do parafuso helicoidal (ø do helicoidal - ø do eixo do

helicoidal), em m² ;

Pas, passo do parafuso helicoidal (menor passo) em m ;

N, velocidade de rotação do parafuso helicoidal, em rpm.

5 – APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS

Após realização de algumas simulações obtivemos alguns resultados que serão

apresentados a seguir, são estes, resultados típicos visualizados na quase totalidade

das simulações que foram realizadas. Nestas simulações procuramos ser bastante fiéis

às características do processo, usando a vazão real de trabalho da extrusora,

velocidade de rotação e característica reológicas das argilas onde para este caso

utilizamos a lei potência, pois o modelo Herschel-Bulkley não estava implementado no

código do programa.

5.1 - Campo de velocidade

Veremos através da figura 4.3 alguns fenômenos ligados ao escoamento de pastas

argilosas.

1 Velocidades de escoamento no eixo “z” (eixo de extrusão em direção à saída)

são máximas na boquilha. Esta observação vem de acordo com a lei de da

7


22 a 25 de maio 2006 – Blumenau, SC conservação de massa da mecânica dos fluidos. Estas velocidades

apresentam-se em torno de 420mm/s contra 50mm/s de média em outra

regiões da extrusora.

2 As zonas mortas na região de convergência (canhão) correspondem aos locais

onde a velocidade de escoamento é praticamente nula, como podemos ver na

figura abaixo.

Figura 5.1 – Zonas mortas na região de convergência

3 Regiões de velocidade negativas são observadas ao nível do parafuso

helicoidal. Isso significa que além dos retornos de massa que se dão entre a

parede interna da extrusora e o parafuso helicoidal, também temos retorno de

massa pelo próprio pararafuso helicoidal e ainda em quantidade mais

expressiva que o outro caso de retorno de massa.

4 As zonas de velocidade negativas (e consequentemente as zonas de

velocidades positivas) na extremidade do parafuso helicoidal são assimétricas,

o que pode ser devido à concepção assimétrica do parafuso helicoidal na sua

totalidade. (figura 4.3 – corte AA);

Figura 5.2 – Resultados típicos de velocidade no eixo “z”

8



5.2 - Campo de pressão

O comportamento da pressão dentro da extrusora (figura 4.4) indica que os

níveis de pressão são mais elevados na região da extremidade do helicoidal.

Geralmente pensa-se que a região de maior pressão encontra-se na região de

convergência. Porém podemos explicar isso de forma que é na extremidade do

helicoidal onde nesse caso o passo do helicoidal é o menor de todo o parafuso,

restringindo mais a vazão nesta região, assim a argila que é bloqueada atrás desta

região faz aumentar a pressão.

Na região de convergência observamos uma estabilização da pressão que cai

rapidamente ao chegar na saída da boquilha, onde a pequena secção de saída

provoca uma grande perda de carga. Na figura abaixo podemos visualizar o

comportamento do gradiente de pressão.

Figura 5.3 – Resultados típicos de pressão

Após a obtenção dos resultados típicos analisamos a alteração de algumas

características do processo como vazão mássica e a reologia das argilas, as quais

vamos destacar abaixo:

Influência da vazão:

Quando aumentamos a vazão mássica observamos que:

9


22 a 25 de maio 2006 – Blumenau, SC - Gradientes de velocidade e cisalhamento aumentam consideravelmente na

região da boquilha, gerando calor;

- O escoamento global pouco varia, porém o volume da zona morte diminui;

- Homogeneização do campo de pressão;

Influência da reologia:

A mudança da lei de comportamento reológico pela diminuição do coeficiente

“m” provoca uma baixa dos níveis de pressão da argila dentro da extrusora, como

podemos ver no gráfico abaixo.

Influência da reologia sobre a pressão de

trabalho das pastas argilosas

0

12,5

25

37,5

50

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21Posição

Pres

são

(MPa

)

1 m=0,8 m=0,6 m=0,4 m=0,2 m=0,1

Linha de tomada de pressões

Figura 5.4 – Influência da reologia sobre a pressão

6 – CONCLUSÕES

A simulação numérica vem a contribuir para o entendimento de fenômenos

físicos e químicos muitas vezes encontrados em processo industriais. Durante a

simulação desta extrusora que apresenta uma produção de 37 t/h obtivemos bons

resultados para auxiliar na compreensão dos fenômenos ocorridos na etapa da

extrusão.

10


22 a 25 de maio 2006 – Blumenau, SC Através dos resultados obtidos neste trabalho encontramos fortes características a

serem tratadas de forma mais atenta. A importância do rendimento de extrusora foi

colocado em evidência, onde a mesma deve funcionar com um rendimento

suficientemente elevado para que possamos completar suficientemente o parafuso

helicoidal de argila extrudando assim corretamente a mesma, ou seja o preenchimento

do parafuso helicoidal por argila está diretamente ligado ao seu rendimento, o que

posteriormente acarretará na estabilização da vazão mássica de argila na boquilha.

Outra característica que colocamos foi a mudança dos parâmetros reológicos da argila

que tem impacto direto na cinemática das pastas argilosas, desta forma fica

evidenciado a importância da boa compreensão da mecânica de escoamento das

diferentes argilas, bem como as características tribológicas das mesmas o que

certamente vêm a influir nas características finais dos produtos extrudados.

7 – BIBLIOGRAFIA

1 – BEAUMEL C., 1998, ‘Extrusion des pâtes d’argiles’ Thèse de doctorat, INPG,

Grenoble, 347p.

2 – Technical informations for experts, 1997, ‘Screw design and optimization of

grooved-barrel extruders’ Article technique BASF, Ludwigshafen, Alemanha.

3 - Technical informations for experts, 1999, ‘Screw design in injection molding’ Article

technique BASF, Ludwigshafen, Alemanha.

4 – JARDIM, R.B.O, 2002, ‘Analise numérica de extrusão de pastas cerâmicas’

Disertação de mestrado, PUC-RIO, Rio de Janeiro, Brasil.

5 – ROTERS J., 2004, ‘Extruder optimisation for the extrusion of ceramic bodies’ Article

Interceram vol. 53.

11



ABSTRACT

NUMERICAL SIMULATION 3D OF THE DRAWING PROCESS USING SCREW EXTRUDERS

Extruders are equipments wide used in the ceramic industry, to produce bricks, roofing

tiles, blocks and other materials that characterize structural ceramics. The work that will

be presented consists of the validation and utilisation software of numerical simulation

3D, developed to serve as tool of project and analysis of the fluid-dynamic behavior

clays in the interior of screw extruders. This work was developed in a ceramic company

where initially, software passed for the stage of validation and after that was used as

analysis tool of some problems, faced for the company. After that, the software was

used as project tool, searching to optimize the characteristics of the helical screw for the

transmission of the motor drawing force, in function of the fluid-dynamic characteristics

of the draining. At last in this work it will be presented basically the referring results to

the analysis, gotten during the work execution searching to evaluate the influences of

some variable of the drawing process.

Key words: Screw extruders, numerical simulation 3D, ceramic industry.

12

simulaÇÃo numÉrica 3d do processo de extrusÃo de …

Documents