Secagem dos Materiais Cerâmicos
-
Upload
barbara-ferreira-de-oliveira -
Category
Documents
-
view
7.554 -
download
12
Transcript of Secagem dos Materiais Cerâmicos
UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE FLUMINENSE DARCY RIBEIROCENTRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
LABORATÓRIO DE MATERIAIS AVANÇADOSCURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS
SECAGEM DE MATERIAIS CERÂMICOS
BÁRBARA FERREIRA DE OLIVEIRAMÁRCIA ALMEIDA SILVA
MARIANA SOARES DE FREITAS
CAMPOS DOS GOYTACAZES - RJJUNHO DE 2010
UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE FLUMINENSE DARCY RIBEIROCENTRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
LABORATÓRIO DE MATERIAIS AVANÇADOSCURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS
Bárbara Ferreira de OliveiraMárcia Almeida Silva
Mariana Soares de Freitas
SECAGEM DE MATERIAIS CERÂMICOS
Orientadora: Profº. Dr. José Nilson França de Holanda
CAMPOS DOS GOYTACAZESJUNHO de 2010
Trabalho apresentado à disciplina de Materiais Cerâmicos II, ministrada pelo Profº. Dr. José Nilson França de Holanda, no curso de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro como requisito parcial para conclusão e aprovação nessa disciplina.
Sumário
1 Introdução _____________________________________________________ 1
2 Formas de interação da umidade com o material _____________________ 3
3 Mecanismo e cinética de secagem. Transferência de Massa e Calor _____ 6
4 Contração______________________________________________________ 10
4.1 Curvas de Bigot ______________________________________________ 10
5 Técnicas de Secagem ____________________________________________ 13
5.1 Secagem por atomização – Spray Drying_________________________ 13
5.2 Secagem de umidade controlada________________________________ 13
5.3 Secagem de microondas_______________________________________ 14
5.4 Secagem de suspensões_______________________________________ 14
5.5 Secagem supercrítica e secagem por congelamento________________ 15
6 Secadores______________________________________________________ 16
6.1 Secadores com circulação de ar ou de câmaras____________________16
6.2 Secadores de ar úmido_________________________________________16
6.3 Secadores Contínuos__________________________________________17
6.4 Secador túnel ________________________________________________17
6.5 Secador Acelerado____________________________________________18
7 Defeitos de secagem_____________________________________________ 19
7.1 Casos de secagens específicos_________________________________ 20
7.1.1 Secagem de Placas_________________________________________ 20
7.1.2 Secagem de Pratos, Travessas, Tigelas e Peças Assemelhadas _____ 20
7.1.3 Vasos e Esculturas__________________________________________21
8 Otimização do processo de secagem _______________________________23
8.1 Aquecimento da peça _________________________________________24
8.2 Eliminação de água de contração ou crítica_______________________26
8.3 Eliminação de água de porosidade______________________________ 27
9 Conclusão _____________________________________________________28
Referências______________________________________________________29
Secagem dos materiais cerâmicos
1 Introdução
O processo de construção de uma peça cerâmica se dá com a argila ainda úmida
e é preciso que a peça seque antes de ir ao forno, para evitar que a mesma estoure
durante a queima e também, para evitar danos às resistências elétricas, no caso de
fornos elétricos.
O objetivo da secagem é o de eliminar a água, utilizada na etapa de
conformação, necessária para a obtenção de uma massa plástica, conferindo,
assim, uma maior resistência mecânica e uma umidade adequada para as
posteriores etapas do processamento. A eliminação de água ocorre por evaporação
através do aporte de calor, efetuado mediante uma corrente de ar.
A secagem é uma etapa bastante delicada e complexa no processo de
fabricação de materiais cerâmicos. É comum nesta etapa ocorrerem defeitos de
secagem nas peças e que são perceptíveis somente após queima. A compreensão
dos mecanismos envolvidos na secagem permite, por exemplo, uma melhor
compreensão dos defeitos e da forma de como evitá-los.
O parâmetro principal para se obter um ótimo processo de secagem é a taxa de
secagem. O controle deste parâmetro pode prevenir rachaduras, fissuras e
deformações.
O mecanismo de secagem é muito similar para os distintos corpos argilosos.
Contudo, a uma determinada velocidade de secagem, os efeitos que são gerados
sobre cada corpo, podem ser muito diferentes entre cada um deles, dependendo da
sua natureza química e cristalográfica, de sua granulometria e de seu prévio
histórico antes de chegar à secadora.
As variações existentes durante a secagem e que são suscetíveis de ser
observadas, ocorrem sobre os seguintes parâmetros:
1- Quantidade de água residual;
2- Dimensões longitudinais, superficiais e de volume;
3- Resistência a flexão;
4- Plasticidade.
Durante a eliminação da água observa-se que (Figura 1):
- A pasta diminui de volume, proporcionalmente à água eliminada.
- Começam a se formar poros e a pasta continua se contraindo.
- O volume deixa de diminuir e os poros produzidos são proporcionais a água
eliminada.
Figura 1: Variações no volume do material cerâmico em função da porcentagem de água
presente durante o processo de secagem. [5]
Os efeitos da secagem são uma perda de volume e peso pela vaporização da
água, cor mais clara e aquisição de rigidez e certa resistência mecânica nas peças.
A umidade contida nos materiais pode ser eliminada por métodos mecânicos
(sedimentação, filtração, centrifugação). Isto resulta em um processo mais
econômico do que a secagem por meios térmicos para a eliminação de água.
Contudo, a eliminação mais completa de umidade é obtida por evaporação e
eliminação dos vapores formados, ou seja, mediante a secagem térmica,
empregando uma corrente gasosa ou sem a ajuda do gás para extrair o vapor. Na
secagem, a água quase sempre é eliminada na forma de vapor com ar.
A operação de secagem é uma operação de transferência de massa de contato
gás-sólido, onde a umidade contida no sólido é transferida por evaporação até a
fase gasosa, com base na diferença existente entre a pressão de vapor exercida
pelo solido úmido e a pressão parcial de vapor da corrente gasosa. Quando estas
duas pressões se igualam, é dito que um sólido e o gás estão em equilíbrio e o
processo de secagem cessa.
2 Formas de interação da umidade com o material
O mecanismo do processo de secagem depende consideravelmente da forma de
ligação da umidade com o material: quanto mais sólida é a ligação, tanto mais difícil
ocorrer a secagem. Durante a secagem a ligação da umidade com o material se
altera.
A água pode estar unida às partículas minerais de diversas maneiras, cada uma
das quais contem uma distinta energia de união e, por conseqüência, distintos graus
de dificuldade para ser eliminada.
As formas de ligação da umidade com o material são classificadas como:
química, físico-química e físico-mecânica. A umidade ligada quimicamente é a que
se une com maior solidez ao material em determinadas proporções
(estequiométricas) e só pode ser eliminada aquecendo o material até altas
temperaturas ou como resultado de uma reação química. Esta umidade não pode
ser eliminada do material por secagem. Durante a secagem se elimina somente a
umidade ligada com o material em forma físico-química e mecânica.
As formas através das quais a água pode se encontrar no corpo cerâmico serão
consideradas a seguir.
I – Água Intersticial
A água que se encontra entre partículas minerais nos capilares e que pode se
mover mais ou menos livremente entre eles é a água livre ou intersticial. Esta água
pode ocupar um espaço importante entre as partículas do corpo argiloso e sua
eliminação pode gerar uma perda de volume significativo do mesmo.
A água intersticial que tem um corpo argiloso durante a primeira parte de sua
elaboração provém da adição que se realiza durante processos anteriores e pode
variar dentro de uma categoria relativamente ampla segundo a natureza da mistura
argilosa. Esta água livre ou intersticial também se chama água de plasticidade,
porque a partir do momento em que se interpõem as moléculas de água livre entre
partícula e partícula, a argila se deforma sob o efeito de uma força externa, ou seja,
se comporta como um material plástico. A velocidade de eliminação da água
intersticial depende principalmente da capacidade de secagem de meio (ar) que
rodeia o corpo argiloso.
II – Água Higroscópica
É a água que se encontra ligada às partículas minerais por forças elétricas,
próprias do dipolo da água, assim como das cargas naturais dos cristais que formam
as argilas. A quantidade de água higroscópica que tem um corpo argiloso depende
da natureza química, física e mineralógica das matérias primas, de sua
granulometria, da presença de sais, etc. A perda dessa água não gera em geral
variações de volume do corpo argiloso durante a secagem. A velocidade de
eliminação da água depende principalmente da temperatura que adquire o corpo
argiloso, mas pode e deve ser eliminada em maior quantidade possível na etapa de
secagem.
III – Água Cristalográfica
É a água que se encontra unida quimicamente aos cristais dos minerais que
formam o corpo argiloso. A quantidade de água cristalográfica que possui o corpo
argiloso depende da natureza química e mineralógica das matérias primas. Esta
água se elimina durante a primeira fase do cozimento e os efeitos que produz ao
eliminá-la, devem ser levados em conta em certas argilas.
Um fenômeno muito importante que guarda estreita relação com a umidade de
equilíbrio é a rehidratação do material seco. Isso ocorre, geralmente, quando o
material sai do secador e fica exposto a condições ambientais. Ao diminuir a
temperatura, aumenta a energia de ligação argila – água e, portanto, a umidade de
equilíbrio se desloca até valores mais altos, iniciando-se um processo de reabsorção
da água do meio ambiente.
Na Figura 2 pode-se observar o desenvolvimento da rehidratação realizado em
distintas argilas, quando após a secagem completa, ficam expostas à ação de uma
atmosfera carregada de umidade, à temperatura ambiente.
Figura 2: Desenvolvimento da rehidratação. [1]
A rehidratação é muito rápida durante os dois primeiros dias, nos quais a peça
absorve entre 50% e 60% da umidade de equilíbrio nas condições citadas. As
moléculas de água que a argila perde com mais dificuldade, as mais próximas à
superfície dos cristais argilosos, são as que recuperam com maior rapidez.
A rehidratação não se produz simultaneamente em todo o corpo, senão se inicia
na superfície da peça e continua até o interior da mesma. Esta rehidratação é
acompanhada de uma significativa mudança de volume da peça. Ao se rehidratar de
maneira desigual na espessura, essas mudanças de volume geram tensões que
levam à desintegração da peça.
A porcentagem final de água de rehidratação depois da secagem coincide com a
umidade de equilíbrio nas condições ambientais e constitui também uma informação
precisa sobre a natureza da argila, riqueza em minerais, riqueza em minerais
argilosos, granulometria, plasticidade, facilidade ou dificuldade de secagem, etc.
Conhecendo a umidade de equilíbrio das peças em produção, deve-se evitar a
secagem abaixo deste ponto, quando as peças fiquem expostas ao ambiente por
tempos significativamente longos.
3 Mecanismo e cinética de secagem. Transferência de Massa e Calor
Durante a primeira fase de secagem, o ar arrasta as moléculas de água livre
situadas na superfície da peça. Este arraste conduz a um movimento ascendente ou
fluxo de água livre até a superfície para preencher o espaço vazio deixado pelas
moléculas de água que passaram para atmosfera. A primeira umidade que perde a
argila é a última adicionada, ou seja, a água livre que ocupa os capilares, tal como
apresenta as Figuras 3 e 4.
Figura 3: Representação esquemática de duas classes de água a eliminar durante a
secagem: (a) água livre ou intersticial; (b) água fixada por forças
eletrostáticas à superfície das partículas argilosas. [1]
Figura 4: Representação esquemática da forma em que se elimina a água livre ou
intersticial mediante o ar que circula sobre a peça. [1]
A quantidade de água evaporada por unidade de tempo é constante na primeira
fase, tal como pode ver-se na Figura 5. O rendimento de evaporação se manterá
constante, enquanto a água flui até a superfície com a mesma velocidade com que
se evapora, o qual só acontecerá enquanto exista água livre no interior dos
capilares.
A velocidade de evaporação da água na superfície da argila é muito menor que
sobre a superfície livre de água, devido a que existe uma atração entre a água e as
partículas argilosas que reduz sensivelmente a velocidade de evaporação.
Figura 5: Variação do rendimento da secagem em função do tempo. [1]
No momento que se eliminou a água livre ou intersticial, considera-se que
terminou (nesse ponto, ou antes) a contração da peça e que esse ponto se chama
“ponto crítico” na umidade residual da argila. A partir deste ponto descende o
rendimento da secagem – a quantidade de água evaporada por unidade de tempo –
e se entra na segunda fase da secagem, o mecanismo de secagem nessa etapa é
distinto da etapa anterior.
A partir do ponto crítico deixa de fluir água até a superfície, porque na peça já
não existe água livre. Começa a evaporação da água mediante forças eletrostáticas
à superfície das partículas argilosas, sendo que tanto mais difícil é a dita
evaporação, quanto mais próximo se encontram as moléculas de água da superfície
do cristal argiloso. À medida que avança a secagem, o rendimento se reduz cada
vez mais rapidamente.
Durante esta segunda fase de secagem, a água não se evapora na superfície da
peça, senão no interior dos capilares, no mesmo ponto em que se encontra ligada à
partícula argilosa. Portanto, o depósito de sais solúveis geradora de eflorescências
desde o interior das peças até a superfície, não ocorre nesta etapa e sim na
primeira, na qual a água circula no estado líquido dentro dos capilares transportando
os sais solúveis à superfície da peça.
Como a solubilidade dos sais em geral aumenta com a temperatura, convém
manter baixa a temperatura do secador durante a primeira fase da secagem, para
reduzir ao mínimo a quantidade de sais dissolvida na água, depositadas na
superfície da peça.
Nos secadores rápidos em que a secagem é iniciada assim que a peça é
introduzida nele e que encontra com o ar quente, é muito mais difícil ou impossível
evitar a eflorescência por efeito dos sais solúveis.
A quantidade de água livre pode variar na mesma argila, segundo sua história
prévia até chegar ao secador. Entretanto, a água ligada, é uma constante de cada
argila que depende de sua natureza e granulométrica, ou seja, é função direta da
quantidade de cargas elétricas superficiais.
Na Figura 6 foi representado o que acontece quando uma mesma argila é
prensada com distintas porcentagens de umidade. À medida que se aumenta a
porcentagem de água livre, se reduz a consistência da pasta e se incrementa a
separação entre partículas, o que provocará uma maior contração de secagem.
Com a contração, aumenta-se o perigo de rupturas no secador; isso resulta
numa secagem mais longa e problemática de um tijolo manual, moldado com alta
porcentagem de umidade, comparado à secagem do mesmo tijolo, moldado numa
máquina com uma porcentagem de água sensivelmente mais baixa. As melhores
condições de secagem se conseguem ao moldar em prensas com porcentagens de
umidade abaixo do ponto crítico. Menos ainda influi sobre a quantidade de água
ligada à superfície das partículas argilosas, a mais ou menor rapidez com que se
efetua a secagem.
Figura 6: Variação do teor de água livre. [1]
4 Contração
A contração é parâmetro muito significativo na hora de avaliar o comportamento
de uma argila durante sua secagem. A contração de secagem constitui um problema
importante na indústria da cerâmica vermelha, já que são as diferenças de contração
nos corpos cerâmicos, que levam a ruptura nas mesmas. Numa mesma argila, a
concentração de secagem aumenta com a porcentagem de umidade de moldagem,
tal como se apresenta na Tabela 1, que mostra a relação entre a porcentagem de
umidade de moldagem, a pressão de extrusão e a contração de secagem, de uma
argila utilizada na fabricação de tijolo para alvenaria.
Tabela 1: Contração de secagem em função da quantidade de água.
Pressão de extrusão
(kgf/cm2)
Água de moldagem
(%)
Contração de secagem
(%)
7 21.66 8.22
12 18.13 5.74
17 15.75 4.74
22 14.91 3.91
4.1 Curvas de Bigot
Durante a secagem são geradas tensões que podem levar ao aparecimento de
defeitos que comprometem a qualidade das peças. A evolução da retração linear de
secagem em função da perda de água de conformação é representada através da
chamada curva de Bigot. Assim, a curva de Bigot é uma representação gráfica da
percentagem de água de conformação em função da retração de secagem. O
conhecimento desta curva auxilia no estabelecimento de um ciclo de secagem. Isto
permite otimizar o tempo de forma que as peças não apresentem defeitos e, por
outro lado, não permaneçam secando por tempos demasiadamente longos o que
implicaria em aumento de custo.
A curva de Bigot está sendo representada na Figura 7, ela descreve a evolução
da retração de secagem em função da perda de água de conformação.
A quantidade de água de umidade que as peças apresentam no início da etapa
de secagem é representada no ponto (A), na ordenada (ponto E). Na abscissa,
pode-se obter a retração total de secagem que irá ocorrer. A primeira fase de
secagem, aquela em que ocorre eliminação da água de plasticidade é representada
na linha (A-B). Essa água está localizada entre as partículas, e por isso sua
eliminação é muito complicada, já que ela é acompanhada de retração, que aumenta
o risco de aparecimento de defeitos. A segunda fase de secagem, caracterizada
pela eliminação de água intersticial, é representada na linha (B-C). Teoricamente, o
ponto (B) deveria situar-se no eixo da abscissa, indicando ausência de retração de
secagem quando se iniciar a eliminação de água intersticial.
Figura 7: Variação da retração de secagem em função da água de
conformação – curva de Bigot. [9]
Contudo, na prática, não são todas as partículas que entram em contato ao
mesmo tempo, pois a superfície seca com mais rapidez que o interior da peça.
Consequentemente parte da água evaporada ainda se origina da interposição entre
partículas. Por outro lado, à medida que evapora esta água de plasticidade a água
intersticial proveniente dos capilares e que não produzem retração, vai tornando-se
predominante1. O ponto (D) separa os dois tipos de água de umidade. A água de
plasticidade corresponde ao valor (D-E), enquanto que a água intersticial é
representada pelo segmento (D-C). A Figura 8 descreve esquematicamente a
evolução da eliminação de água de conformação e retração de secagem de uma
massa cerâmica plástica. Em I está representado o sistema argila-água no início da
etapa de secagem. Em II, após um certo período de tempo, já não há mais a água
de plasticidade que separa as partículas. Por outro lado, ainda há água nos
capilares, denominada de água intersticial. Observa-se também que houve retração
em relação ao estágio inicial. Já em III toda a água intersticial já foi eliminada e a
peça não apresenta retração em relação ao estágio II.
Figura 8: Representação esquemática da secagem do sistema argila-água. [9]
5 Técnicas de Secagem
5.1 Secagem por atomização – Spray Drying
O processo de secagem consiste em pulverizar o produto dentro de uma câmara
submetida a uma corrente controlada de ar quente e, dessa maneira, se consegue
uma evaporação dos solventes, em geral água, obtendo-se uma separação ultra-
rápida dos sólidos e solúveis contidos, com a mínima degradação do produto a
secar, terminando esse processo com a recuperação do produto já em pó.
5.2 Secagem de umidade controlada
Quando se secam produtos grossos, a secagem deve ser conduzida de forma
que os gradientes de concentração não sejam muito grandes.
Para cada produto com um encolhimento de secagem finito, existe uma
velocidade crítica de secagem que causará defeitos no produto. Uma velocidade
segura de secagem pode ser aumentada usando a secagem de umidade controlada.
O aquecimento de um produto em ar úmido diminui a evaporação da superfície e
reduz a viscosidade do líquido a ser secado.
5.3 Secagem de microondas
As microondas se refletem por condutores elétricos, se transmitem por isolantes
elétricos e se absorvem por dielétricos, sendo a água dielétrica por ser polar. A
absorção de microondas causa um aquecimento proporcional à intensidade e ao
produto da frequência do fator de perda.
As microondas podem ser usadas para aquecer e evaporar líquido de forma
rápida em seções largas, independentemente da condutividade térmica do sólido.
Na secagem de isolantes cerâmicos, as ondas são absorvidas pela água, sendo que
a temperatura não deve exceder 50º C, evitando altas temperaturas na superfície
que se utiliza na secagem convencional.
Este tipo de secagem é usado para produtos que são sensíveis á temperatura,
para uma secagem mais rápida, para secagem de produtos que contem materiais
coloidais e para argila de permeabilidade muito baixa.
5.4 Secagem de suspensões
Um material em suspensão sobre uma banda metálica e as películas do tape-
casting são secados continuamente e de forma rápida. Na secagem de uma
suspensão sobre uma banda metálica, se fornece calor por condução através da
banda e pelo ar de secagem que ultrapassa 400º C. A turbulência produzida durante
a evaporação pode retardar a formação de uma capa superficial de baixa
permeabilidade.
Figura 9: Comportamento de secagem em uma suspensão aquecida rapidamente a 500°C.
Suspensões floculadas desenvolvem uma película de baixa permeabilidade. [8]
No tape-casting, a fina suspensão não pode ser secada muito rápido, porque a
secagem é unidirecional e a permeabilidade do tape é muito baixa.
A concentração de líquido no ar é relativamente alta durante o início da secagem
e a temperatura máxima do líquido deve estar muito abaixo do ponto de ebulição
durante o período de velocidade constante.
O fluxo de ar e a temperatura são controlados cuidadosamente para maximizar o
período de velocidade constante e minimizar gradientes de concentração de líquido,
até que a contração tenha acabado.
Figura 10: Comportamento de uma suspensão tape-casting. [8]
5.5 Secagem supercrítica e secagem por congelamento
Pode ser usado para minimizar os efeitos da tensão superficial do líquido durante
a secagem.
Na secagem supercrítica, o produto é aquecido até que o líquido se torne um
fluido supercrítico. A secagem supercrítica ocorre durante a despressurização
isotérmica.
A secagem por congelamento é usada para secar produtos onde se procura
evitar a formação de líquido e o aquecimento do produto.
6 Secadores
Antigamente, realizava-se a secagem empilhando as peças em lugares abertos
ou em locais fechados ventilados. Existem numerosos tipos de secadores, tais
como: naturais, artificiais, de câmara, túnel, fontes de calor, etc. Os atuais
procedimentos industriais são os secadores de câmaras ou túneis a base de
vagonetes que circulam em contra corrente do ar corrente que vem do forno. Abaixo
serão descritos brevemente alguns dos secadores existentes.
6.1 Secadores com circulação de ar ou de câmaras
Neste caso, consiste em aquecer ou enviar ar quente ao deposito de peças a
secar. É o sistema mais antigo e mais usado, que se aproxima a secagem natural. A
velocidade de secagem é lenta, deve-se dotar uma temperatura baixa,
especialmente nas duas primeiras fases. São, geralmente, células por onde passa o
ar quente ou funcionam com calefatores. O ar fica em agitação turbulenta mediante
ventiladores. Isto se deve ao fato do ar quente em contato com as superfícies a
serem secas se esfriar e tender a descer, o que criará zonas de diferente
temperatura de cima até baixo, e ademais por haveres correntes em todas as
direções para que o secador seja homogêneo. Convém dividir o secador de modo
que todo o material de cada zona se encontre na mesma de secagem, cuidando de
renovar o ar, pois se aproxima da saturação, e o processo se prolongaria mais do
que o necessário e poderiam ser formadas névoas e condensações que danificam o
material.
6.2 Secadores de ar úmido
Para encurtar e facilitar a fase de pré-aquecimento, que é a mais delicada do
secado, são introduzidas as peças num ambiente que já está a alta temperatura,
mas com uma atmosfera saturada de umidade. Assim as peças se aquecem sem
secar e contrair-se.
Diminuindo depois gradualmente a umidade, obtém-se uma secagem constante,
racional e que pode ser considerada que acontece de dentro até fora.
Construtivamente, estes secadores são como os primeiros; porém são
alimentados por ar mais quente (60-80ºC) e dispõem de injetores de vapor para
corrigir a umidade.
Este sistema tem a vantagem de reduzir até 40% o tempo de secagem,
reduzindo-se notavelmente a descarte por ruptura e grande parte dos
inconvenientes típicos do mesmo.
6.3 Secadores Contínuos
Atualmente tende-se, por evidentes razões de rendimento, ao uso de secadores
de ciclo contínuo. O material a secar é colocado sobre vagonetes ou gangorras que
percorrem o canal de secagem em contracorrente com o ar quente. Ele entra quente
e seco pela saída de peças e percorre o canal saturando-se até sair pela entrada
das peças, quase completamente saturado.
Tem-se uma magnífica aplicação do secador de ar úmido, com a vantagem de
uma grande e rápida produção e de uma secagem mais constante, sendo
relativamente pequeno o da câmara. Ademais, têm-se uma grande possibilidade de
regulação das curvas de temperatura e de umidade.
6.4 Secador túnel
É aquele no qual o material a ser seco se situa sobre vagonetes que atravessam
um corredor desde o extremo mais frio e úmido até o mais quente e seco, ou seja,
em contra-senso em relação ao ar que circula pelo túnel, cujas condições variam
gradualmente ao longo de todo o percurso, pois as peças se aquecem e secam a
custo de umedecer e esfriar ao ar. Em nenhum momento há choque térmico brusco.
Ainda que convenha fazer secagem da maior superfície possível, por razão de
rendimento e aproveitamento de espaço, se conveniente este requisito, empilhar as
peças a secar até o limite que consentir seu peso e sua plasticidade, pois cada peça
deve contrair suportando o peso das pilhas sobre ela e a maior plasticidade, maior
contração. Às vezes fraciona-se a altura de empilhamento usando estantes.
Para contrapesar a tendência que se tem a temperaturas se estratifiquem, já que
os gases quentes menos densos tendem a subir e aumentar a pressão interior com
objetivo de uniformizar e ajudar na penetração do ar nos espaços reduzidos, se
estabelecem, com ventiladores auxiliares, recirculações de ar da parte superior para
a inferior e de uma zona de secagem a outra.
Para evitar manipulações suscetíveis de provocar danos, os vagonetes,
construídos em materiais refratários, são carregados na seção de conformação das
peças e percorrem a zona de espera (pré-secador), secador e forno (tipo túnel, até a
seção de seleção, exceto se a pasta é muito plástica e sensível e que não seja
possível que a secagem das peças colocadas de uma em uma. Neste caso utilizam-
se para secar vagonetes diferentes dotados de umas bateias sobrepostas, sendo
necessário trasfegar as peças até os vagonetes refratários entre o secador e o forno.
É o secador mais utilizado para produções seriadas a escala industrial. Aproveita
o ar quente procedente do forno túnel com um ciclo aproximado de 48 horas e uma
longitude de 70 a 100 metros; por tanto, com grande necessidade de espaço, mas
de grande rendimento, somente superado pelo secador acelerado.
6.5 Secador Acelerado
Como mesmo conceito que o anterior, mas se trata de uma torre vertical, como
um elevador, com uma altura de 12-16 metros, em dois vãos consecutivos de subida
e descida, ou seja, um único canal vergado 180°, que as peças percorrem de modo
individual, sem acumular, sustentadas por balanços ou pentes de barrotes, em
contracorrente com o ar quente procedente de um gerador a combustão, geralmente
de gás natural ou gás de petróleo liquefeito (propano, butano).
Só pelo fato de tratar de peças individualmente, sem suportar o peso ao contrair
e dado o rigoroso controle de temperatura, pressão e umidade relativa do ar em todo
o percurso, é possível reduzir o ciclo de secagem em 1 hora aproximadamente.
Além do mais, comparando com o secador de túnel, este ocupa muito pouca planta
de edifício, e tem menor inércia térmica que o permite apagar e voltar ao regime em
tempo escasso, podendo-se ajustar aos turnos de trabalho necessário. O secador de
túnel funciona 24 horas, todos os dias do ano, exceto nas manutenções ou reparos.
7 Defeitos de secagem
Alguns possíveis efeitos que aparecem depois da secagem, assim como suas
respectivas soluções, são apresentados na Tabela 2.
Tabela 2: Defeitos de secagem e respectivas soluções.
Defeitos Soluções
Rachaduras, fissuras; Uniformizar a espessura da peça;
Aumentar a plasticidade da massa;
Deformidades (devido às ações
mecânicas externas, peso, vibração,
mudança de lugar, esforço ao
desenformar);
Evitar a mudança de lugar antes da
secagem;
Casca (peça seca na superfície mais
úmida no interior).
Fazer a evaporação da água
superficial mais lentamente
(temperatura, umidade, renovação do
ar);
Acelerar encaminhamento da água
através da massa, do miolo à
superfície (temperatura da peça: a
água é mais fluida a 80°C).
7.1 Casos de secagens específicos
7.1.1 Secagem de Placas
Uma placa apoiada sobre uma das faces perderá água pela parte superior e
pelas laterais, mas não pela parte apoiada. Esse processo promoverá uma secagem
mais pronunciada e, consequentemente, uma retração maior nos cantos, o que
causará o levantamento dessas áreas (empenamento), e se ela não conseguir se
movimentar na superfície na qual está apoiada aparecerá trincas típicas no centro
dos lados, com está esquematizado na Figura 11. Isso pode ser atenuado,
colocando-se as peças sobre jornais, pois ele ao mesmo tempo em que retira
umidade da parte de baixo da peça, permite sua movimentação.
Figura 11: Secagem de placa com retração nos cantos, ocasionando o empenamento. [2]
7.1.2 Secagem de Pratos, Travessas, Tigelas e Peças Assemelhadas
O problema é semelhante ao das placas, pois partes das peças, principalmente
as abas, tem mais facilidade de perder umidade, retraindo-se mais rapidamente,
causando trincas nas abas. Às vezes, as abas secam e o fundo com espessura
maior, quando secar e retrair, trinca no meio ou circularmente, como no esquema da
Figura 12.
Figura 12:Secagem de pratos com retração diferencial, ocasionando trincas. [2]
Nesse caso, deve-se sempre que possível fazer a peça com espessura
constante, e não o fundo mais espesso ou com ranhuras ou saliências que poderão
interferir na secagem.
Para minimizar esses problemas, devemos também colocar jornal sob as peças,
para que elas possam se movimentar e perder a umidade o mais rapidamente
possível. Recomendamos, também, que o início da secagem seja feito de modo
lento e, se necessário protegido.
7.1.3 Vasos e Esculturas
Vasos grandes, feitos em torno, ou com espaguetes ou ainda com pedaços de
argila, normalmente apresentam problemas de secagem, minimizados desde que se
tomem algumas providências durante a sua construção. A espessura do fundo e das
paredes deve ser a mais homogênea possível. A concordância do fundo com as
paredes não deve ser em ângulo reto, mas formando uma curva suave. No caso de
se trabalhar com espaguetes, deve-se tomar cuidado na junção deles e,
prioritariamente, que tenham todos a mesma umidade.
Quando usamos pedaços de argila para compor a nossa peça, devemos tomar os
mesmos cuidados que tomamos quando usamos espaguetes, tomar cuidado
também com bolhas de ar, que podem destruir a peça durante a queima.
Quando fazemos em torno vasos altos, com vários segmentos torneados
separadamente, temos que tomar cuidado para que, ao juntá-los, eles estejam com
o mesmo teor de umidade, para evitar que cada segmento tenha contração
diferente, durante a secagem, e apareçam trincas nas imediações das emendas.
Quanto mais pesada for a peça e quanto mais espesso for o fundo, maior deverá
ser o cuidado com a secagem e, sobretudo, com a movimentação da peça nesse
período. Recomendamos uma camada generosa de jornal na base.
No caso de esculturas, considerando-se mais as grandes, pesadas e não-
homogêneas, como por exemplo, bustos, corpos, animais ou peças abstratas, os
problemas da secagem são ainda maiores, e agravados pelo tempo que demora
fazer um trabalho desse tipo. Nesses casos, massas com chamote fino são de muita
utilidade, pois diminuem a retração na secagem.
O ambiente onde essas peças são feitas também é importante. Ambientes muito
quentes e secos aceleram a secagem, enquanto as peças estão sendo feitas e,
neste caso, é interessante que a peça seja umedecida de tempos em tempos, e
também bem protegida durante o período total que estiver sendo feita.
Peças como rostos, caras de animais, braços, pernas, nas quais existem partes
finas e salientes, como por exemplo, orelhas na ou nos dedos das mãos, representa
problemas na secagem, pois estas partes além de serem mais finas, têm mais
superfície exposta e, portanto, secam muito mais rápido, diminuindo de tamanho e
apresentando trincas de secagem nos contatos e até chegam a se separar do
restante da peça. Para minimizar isso é importante manter essas partes fechadas
em sacos plásticos e até, se necessário, umedecê-las.
Também esses tipos de peças devem ser colocadas sobre camadas de jornal,
para que possam se movimentar durante a secagem, evitando trincas,
principalmente na base.
Elementos como madeira, ferro, plásticos e outros materiais, usados como
auxiliares na confecção das peças, não devem ser mantidos no seu interior, durante
a secagem, pois o fato deles não mudarem de tamanho pode causar trincas e
rachaduras no processo de secagem, quando a argila diminui de tamanho.
Portanto, os cuidados para evitar trincas de secagem devem começar durante a
feitura das peças cerâmicas, principalmente as de grande porte. Espessuras muito
desiguais, variações de umidade da argila durante o preparo da peça e muito tempo
para confeccionar a peça são elementos que aumentam a chance de problemas
durante a secagem.
Argila com chamote, um ambiente com temperatura moderada, circulação de ar
constante, umidade relativa do ar média, apoio no qual a peça possa se movimentar
são fatores que auxiliam a secagem e diminuem o risco do aparecimento de trincas.
8 Otimização do processo de secagem
O que se pretende com essa operação é conseguir a secagem das peças com o
mínimo de consumo térmico e elétrico, no mínimo tempo e sem que se produzam
rupturas.
Caso a peça seja seca a temperatura ambiente, a evaporação da água produzira
uma leve queda da temperatura na superfície. Ao diminuir a temperatura, a energia
de ligação será maior na superfície que no interior, o que conduz a um
deslocamento ou fluxo de água até a superfície da peça, facilitando o processo.
Se ao invés de secar a temperatura ambiente, introduz-se a peça num forno
aquecido, a superfície se aquecerá antes do interior, com o qual o fluxo de água irá
da superfície ao interior, acrescentando as diferenças de umidade que durante a
secagem realizam-se entre ditas zonas das peças.
Para evitar este fenômeno, a secagem não deve começar até que toda peça
tenha alcançado a mesma temperatura. Isto é conseguido mantendo uma umidade
relativamente alta dentro do forno, mas mantendo o ambiente a máxima
temperatura, para aquecer o material. Daí vem o ditado do velho tijoleiro de que
“antes de começar a secagem, a peça deve suar”.
Uma vez que as temperaturas são igualadas, ainda que seja pequena a
quantidade de água evaporada na superfície, se produzirá uma leve diminuição da
temperatura, dando lugar ao fluxo correto.
Uma vez que conhecemos os parâmetros básicos da argila, como a porcentagem
de umidade de molde, a umidade de contração ou umidade crítica, a umidade de
porosidade, etc., se divide o ciclo de secagem em três zonas A, B e C, tal como é
mostrado na Figura 13. A duração destas zonas se determina experimentalmente e
são analisadas abaixo:
8.1 Aquecimento da peça
No exemplo da Figura 13, a princípio demos a zona A uma duração de 2.45
horas, que é o tempo que é considerado necessário para o aquecimento do material.
Durante esta fase, a alta umidade relativa do forno (ao redor de 95%) evita a
secagem da peça. Inclusive a umidade condensada sobre as superfícies frias podem
conduzir a um leve incremento da quantidade de água da peça, tal como pode ser
visto na curva da Figura 13.
Se há muita diferença entre a temperatura do material ao entrar no forno e a
temperatura de saída dos gases na chaminé, pode ser gerado uma condensação
excessiva, molhando-se a peça. O ideal é que a temperatura da pela ao entrar no
forno coincida com a temperatura de saturação dos gases na zona de entrada.
Para conseguir isso, o recomendável é trabalhar com vapor na amassadeira da
extrusora e se isto não for possível por causa da alta quantidade de umidade na
argila, dispor de um pré-aquecedor. Isto é muito útil no inverno, quando o tempo é
frio e a temperatura do produto está muito abaixo da temperatura dos gases que
saem do forno.
Além do problema da condensação, expor ao ar do forno a menor temperatura
implica trabalhar com ar em abundancia e diminuição da eficiência térmica da
instalação.
É importante não permitir que no processo de pré-secagem o estacionamento
prévio do material verde não se dê na secagem, devido ao fato de que se essas
instalações não estiverem preparadas, fissuras seriam geradas.
Figura 13: Ciclo de secagem. [1]
8.2 Eliminação de água de contração ou crítica
A secagem propriamente dita começa na segunda zona, da qual chamamos de
B. Nesta zona o perigo de rupturas é máximo já que nela acontece a contração da
peça e são as diferenças de contração que levam a tensões e rupturas no material
seco. É preciso conseguir uma grande uniformidade de secagem, o qual se
consegue estabelecendo uma boa recirculação de ar através da peça.
A uniformidade de ventilação através da peça dependerá da velocidade de
secagem que se pode conseguir nessa zona. A velocidade a qual realmente se
produz na secagem é determinada pela umidade relativa do ar, portanto o forno
deve dispor na zona B de sondas de umidade relativa. A diferença de umidade
relativa onde a sonda colocada ao começo é situada ao final da zona B e nos dá a
velocidade com a qual realmente se produzirá a secagem. As peças têm uma
velocidade limite de secagem, se ela for superada, rupturas serão produzidas.
A velocidade limite depende da natureza das argilas e de sua história antes de
entrar ao forno. Se não têm dados obtidos no laboratório da máxima velocidade de
secagem, deve-se determiná-la experimentalmente, em função da umidade relativa
do ar e de sua velocidade sobre as peças. As condições do interior do forno deverão
ser reguladas para que acompanhem a curva de secagem das peças à máxima
velocidade de secagem admissível.
É imprescindível uma ótima agitação do ar em cada seção transversal do forno,
para evitar que haja demoras na secagem das peças em determinados lugares, por
falta de circulação do ar. A demora da secagem das peças de um determinado setor,
é feito em outro setor, sendo que em ambos são geradas fissuras curtas ou largas.
A pressão de ar não é um fator que influí na secagem. Contudo, influi
indiretamente de maneira significativa. Se a pressão interna for muito alta, são
geradas fugas do forno com uma conseqüente perda de rendimento térmico. Se pelo
contrário, a pressão for muito negativa, se produzem entradas de ar frio que podem
induzir fissuras ou outros inconvenientes similares.
8.3 Eliminação de água de porosidade
A passagem da zona B para C acontece no momento em que a peça alcançou o
ponto crítico, muito próximo ao final da contração.
Ao não se produzir contrações na peça, as condições de secagem podem ser
forçadas elevando a temperatura e reduzindo a umidade relativa do ar.
Nesta zona o agente principal de secagem é o efeito da temperatura, deixando de
ser a velocidade do ar o principal fator na velocidade de secagem. Contudo, para
conseguir uma boa transferência térmica uniforme, segue sendo fator importante a
velocidade do ar.
Nesta etapa o fator determinante de secagem é conseguir a separação das
moléculas de água unidas por fortes uniões elétricas às partículas de argila. Esta
separação é conseguida basicamente pela temperatura.
A duração desta etapa depende do tempo necessário para que a quantidade de
umidade da peça fique situada entre 2 e 3%. Se depois houver cozimento, essa taxa
deverá ser inferior a 1%.
Em resumo temos:
O tempo de secagem na mesma argila é diretamente proporcional:
I- A espessura do produto, desde o começo do processo até a eliminação de água
livre (ponto crítico), zona B.
II- A espessura do produto elevado a uma potência máxima próxima a 2, durante a
eliminação da água de porosidade, zona C.
III- Inversamente proporcional à diferença de temperaturas entre a peça e o ar
durante o período de eliminação da água livre e grande parte do período
correspondente à perda de água de porosidade.
Enquanto se elimina a água de contração ou água intersticial, a temperatura da
peça permanece constante coincidindo com a temperatura do úmido do ar.
9 Conclusão
O processo de secagem na cerâmica é uma etapa extremamente importante na
confecção das peças, sendo fundamental para manter a integridade daquilo que foi
construído, independente da técnica utilizada. Mas o processo de secagem não
pode ocorrer de qualquer maneira. É preciso prestar atenção em alguns detalhes
para que não ocorram rachaduras, quebras ou deformações na peça. Esses
problemas podem acontecer no caso de secagem muito brusca, onde o processo
não se dá de maneira homogênea.
Como já foi dito a secagem de uma peça ocorre de fora para dentro, ou seja, a
água contida nas extremidades evapora primeiro. Sendo assim, uma grande
diferença de umidade entre as extremidades e as partes mais internas ou grossas
da peça pode provocar rachaduras.
Quanto mais homogêneo for o processo de secagem, e quanto mais uniforme for
a espessura da peça, melhor. O ar é fundamental nesse processo, bem como as
condições de calor e umidade do ambiente. Ambientes muito quentes podem
acelerar o processo e exigir um cuidado maior para que a peça seque de maneira
uniforme. Ambientes muito úmidos pode atrasar o processo de secagem, levando
dias para que a peça fique pronta para a queima. Durante a secagem, a água que
evapora deixa espaços vazios entre as partículas da argila que se acomodam
naturalmente. Normalmente, ocorre um ligeiro encolhimento da peça em relação ao
tamanho original. Esse fator de redução varia de acordo com a argila utilizada.
O cuidado na confecção e secagem da peça é fundamental para o sucesso do
resultado final no trabalho cerâmico.
Referências
[1] ALVAREZ, B. Lección 6.- Cerámicas/Secado. Disponível em:
<http://www.etsimo.uniovi.es/usr/fblanco/Leccion6.SECADO.pdf>. Acesso em 19 jun.
2010.
[2] Arte Brasil Materiais (2010). Cerâmica, Porcelana, Vidro e Mosaico. Disponível
em: <http://www.artebrasilmateriais.com.br>. Acesso em 23 jun. 2010.
[3] BATISTA, V. R., NASCIMENTO, J. J. S., LIMA, A. G. B. Secagem e queima de
tijolos cerâmicos maciços e vazados incluindo variações dimensionais e danos
estruturais. Revista Eletrônica de Materiais e Processos, v.3.1, pp. 46-61, 2008.
[4] Central da Cerâmica (2010). Defeitos que aparecem depois da secagem.
Disponível em:
<http://www.b2b-bc.com.br/Central/web/informa/dicas/defeitos_secagem.htm>.
Acesso em 23 jun. 2010.
[5] Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, Departamento de Engenharia
Metalúrgica e de Materiais. Materiais Cerâmicos. Disponível em:
<http://www.poli.usp.br/d/pmt2100/Aula10_2005%201p.pdf>. Acesso em 20 jun.
2010.
[6] GIARDULLO, C.; GIARDULLO, P.; SANTOS, U. P. O Nosso Caderno de
Cerâmica – introdução à técnica para cerâmica artística. 1ª Edição, 2005. Disponível
em: <http://www.ufrgs.br/lacad/secagem.html>. Acesso em 20 jun. 2010.
[7] PUKASIEWICZ, G. M. A. Tecnologia dos Processos de Fabricação IV –. Materiais
Cerâmicos. Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná. Ponta Grossa,
Paraná, 2001.
[8] QUINTANA, L. Secado. Disponível em: <http://www.ocw.espol.edu.ec/facultad-
de-ingenieria-en-mecanica-y-ciencias-de-la-produccion/procesamiento-de-
ceramicos/265/20800/09.%20Secado.ppt>. Acesso em 20 jun. 2010.
[9] VIEIRA, C.M.F., FEITOSA, H.S., MONTEIRO, S.N. Avaliação da secagem de
cerâmica vermelha através da curva de Bigot. Cerâmica Industrial, v. 8, n. 1, pp. 42–
46, Janeiro/ Fevereiro 2003.