Análise do processo de transferência térmica na sinterização. Fornos utilizados para queima de produtos cerâmicos

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Marcelo Santos Nobre
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1 Análise do processo de transferência térmica na sinterização Fornos utilizados para queima de produtos cerâmicos 16/11/16

2 Análise do processo de transferência térmica na sinterização

3 Análise do processo de transferência térmica na sinterização As propriedades dos corpos cerâmicos mudam durante a secagem e sinterização? As propriedades dos materiais mudam com a temperatura?

4 Análise do processo de transferência térmica na sinterização Lembrando Fonte de calor condução convecção radiação Peça cerâmica

5 Análise do processo de transferência térmica na sinterização Breve revisão de Calor específico e coeficiente de transferência de calor

6 Capacidade calorífica Material A T i Material B T i Mesma massa Calor cedido T final de A T final de B Capacidade térmica é a propriedade que indica a aptidão do material em absorver calor do meio externo. Matematicamente a capacidade térmica (C) é descrita pela equação: C dq dt (J.mol -1.K -1 ) dq é a energia necessária para produzir uma mudança dt de temperatura Frequentemente, utiliza-se o termo CALOR ESPECÍFICO para representar capacidade térmica ou calorífica por unidade de massa (J.kg -1.K -1 ) a

7 Capacidade calorífica Calor específico ou capacidade calorífica Quantidade de calor que é necessária para elevar de 1 C (ou 1 K) a unidade de massa desse corpo, desde que o mesmo não sofra mudança de estado. Corpo + calor volume constante C V Corpo + calor sem alteração da pressão C P J.kg -1 K -1 ou J.mol -1 K -1 Na prática tem-se o calor específico médio, entre duas temperaturas T 1 e T 2 C p H H T 2 T 1 T2 T 1 a bt ct Para pressão constante 2 H dt T T 2 1 C p dh T dt dq C p H T T 2 1 Q C T p 2 T T dt 1

8 Capacidade calorífica Dulong e Petit propuseram que a capacidade calorífica para um sólido deveria ser constante e próxima a 6 cal.mol -1.K -1 Einstein e Debye cp constante a partir de determinada temperatura A capacidade calorífica depende muito pouco da estrutura e da microestrutura do material A capacidade calorífica é influenciada significativamente pela porosidade. Fonte: Padilha

9 Capacidade calorífica H T2 T 1 a bt ct 2 dt Fonte:Fett

10 Capacidade calorífica

11 Coeficiente de transferência de calor Material Fluxo de calor Material T h Equilíbrio térmico T m T l Condutividade térmica caracteriza a habilidade de um material para transferir calor Para um fluxo estacionário de calor podemos escrever: q k dt dx q é o fluxo de calor é a quantidade de calor transportada por unidade de área e por unidade de tempo (J.m -2.s -1 ou W.m -2 ) k é a condutividade térmica (W.m -1.K -1 ) dt/dx é o gradiente de temperatura no meio Transferência unidimensional de calor por condução

12 Coeficiente de transferência de calor Como o calor é transportado nos sólidos? Componentes da condução térmica: k fônons + k elétrons k fônons Vibrações elásticas da rede cristalina Pouco eficientes, mas abundantes Espalhamento dificulta condução: - Defeitos cristalinos (contornos de grão, trincas, discordâncias...) k elétrons Elétrons móveis Altamente eficaz Também podem ser espalhados: -Defeitos, átomos estranhos... k = k fônons + k elétrons

13 Coeficiente de transferência de calor a condutividade térmica é severamente afetada pela porosidade dos materiais cerâmicos k p 1 p k k 1 1 0,5 p p k do AR ~ 0,02 W/m.K

14 Coeficiente de transferência de calor Efeito da temperatura na condutividade térmica dos materiais imaginar elétrons e fônons sendo partículas de um gás a condutividade térmica é diretamente proporcional à densidade de elétrons livres (e - ) ou fônons (n) velocidade média das partículas (v) calor específico (C v ) distância média de colisões ( ) k nvc v

15 Condutividade térmica Efeito da temperatura na condutividade térmica dos materiais 3 grupos de materiais Metais: o aumento da temperatura aumenta a energia média e a velocidade dos elétrons e dos fônons distância média entre as colisões diminui efeitos praticamente se cancelam (ex: Pt) Cerâmicos densos: a condutividade térmica geralmente diminui com o aumento da temperatura (ex: BeO, MgO, Al 2 O 3 ) ZrO 2 estabilizada e densa, sílica fundida, materiais refratários porosos apresentam aumento da condutividade com o aumento da temperatura Para cada caso analisar a influência da temperatura nos fatores envolvidos Não é fácil, mas não impossível!!! Efeito da temperatura na condutividade térmica de vários materiais - Padilha

16 Fornos parte 1

17 Fornos Sistema onde se dá a queima de materiais cerâmicos Intermitentes (batelada) Quanto a operação Contínuos túnel vagonetas rolos Classificação Quanto ao aquecimento elétricos combustíveis lenha carvão óleos gás

18 Fornos Seleção de fornos Elétrico ou a combustível? Isso pode ser melhor observado considerando as vantagens e as desvantagens do sistema de queima. Algumas vantagens dos fornos elétricos sobre os a combustíveis: atmosfera especial limpeza Vamos ver cada caso pequeno investimento em pequenos fornos

19 Fornos Seleção de fornos Algumas vantagens dos fornos elétricos sobre os a combustíveis: - Não tem gases exaustão atmosfera especial - São fechados - São ideais para queima de cerâmicas especiais, principalmente para aquelas que exigem atmosferas controladas ou diferentes de ar limpeza - Limpos isentos de poeiras - Especiais para decoração - Especiais para porcelanas artísticas pequeno investimento em pequenos fornos - Preços e custos iniciais bem menores

20 Fornos Seleção de fornos Elétrico ou a combustível? Algumas vantagens dos fornos a combustíveis sobre os elétricos: baixo custo de operação melhor uniformidade de temperatura principalmente para forno grandes menor custo de capital para forno de grande escala menor custo de manutenção

21 Fornos Seleção de fornos Intermitentes ou contínuos? Algumas vantagens dos fornos contínuos: menor consumo de combustível menor custo de capital para grandes tamanhos facilidade de automatização pode queimar em ciclos rápidos - Por exemplo: 30 minutos

22 Fornos Seleção de fornos Intermitentes ou contínuos? Algumas vantagens dos fornos intermitentes: flexibilidade menor custo de capital para pequenos tamanhos pode queimar por tempos muito longos com bom controle pode queimar com ciclos não usuais

23 Fornos Produtos usais queimados em fornos contínuos: Produtos usais queimados em fornos intermitentes: placas refratárias pisos e revestimentos porcelanas sanitárias primeira queima porcelanas de mesa telhas ferritas isoladores elétricos pequenos tubos pequenos de argila tijolos refratários padrões cerâmicas avançadas abrasivos tijolos refratários não padrões isoladores elétricos médios e grandes produtos de carbono pigmentos e cerâmicas coloridas grandes tubos cerâmicos de argila porcelanas sanitárias segunda queima

24 Fornos oxidantes oxigênio presente Atmosferas redutora hidrogênio e CO presentes neutra gases nobre e nitrogênio presentes

25 Fornos Atmosferas A maior parte das cerâmicas são queimadas em atmosferas oxidantes CH O 2 CO 2 + H 2 O oxigênio em excesso atmosfera oxidante Condição % de excesso de ar % livre de oxigênio Estequiométrica ,3 Fora da estequiométrica , ,1 garante queima total do combustível oxigênio em excesso previne redução de algum elemento queima de aditivos

26 Fornos Mobílias mobílias de fornos é o termo que geralmente descreve formas especiais de refratários que são usados para suportar peças cerâmicas a verde durante a queima usos: queima de peças que não podem ser feitas diretamente em fornos tipo rolos ou por questões de empilhamento Material Temperatura máxima de uso (ºC) materiais mais comuns para produção de mobílias Cordierita 1275 Mulita 1750 Carbeto de silício 1500 Alumina (90-99%) 1750 Zircônia 1650

27 Fornos Mobílias mais comuns Mobília para forno de queima de cerâmicas estruturais de argila (suporte furado para queima de tubos - cordierita) Mobília para forno de queima de porcelanas de mesa Fonte: Bickley

28 Fornos Mobílias mais comuns Mobília para forno de queima de cerâmicas para aplicações eletrônicas. Mobília para forno de queima de porcelanas sanitárias Mobília para forno de queima de porcelanas elétricas Fonte: Bickley

29 Fornos Batelada ou contínuo? Combustível: gás período: por volta de 1950 Forno a carvão convertido para gás Fonte: Bickley

30 Fornos Construção dos fornos Revestimentos refratários Material: fibra cerâmica Paredes pré-fabricadas para forno túnel Fonte: Bickley

31 Fornos Construção dos fornos Revestimentos refratários Material: tijolos refratários Instalação com isolamento de tijolos Fonte: Bickley

32 Fornos Construção dos fornos Revestimentos refratários Forno revestido com fibra Fonte: Bickley

33 Fornos Construção dos fornos Carro do forno com piso para carregamento pesado - Fonte: Bickley

34 Fornos Fornos elétricos 10/11/14

35 Fornos elétricos Elementos de aquecimento de arames metálicos (Fe-Cr-Al) - Fonte: Bickley Elementos de aquecimento de fitas metálicas - Fonte: Bickley

36 Fornos elétricos Elementos de aquecimento de SiC Fonte: Bickley Elementos de aquecimento de dissiliceto de molibdênio Fonte: Bickley

37 Fornos elétricos Fonte: Bickley

38 Fim

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