UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE Curso de Tecnologia em Cerâmica Trabalho de Conclusão de Curso

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1 UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE Curso de Tecnologia em Cerâmica Trabalho de Conclusão de Curso COMPORTAMENTO de pó atomizado em silos industriais Cristian Taufembach Rocha Vilmar Menegon Bristot 1 Resumo: As condições de armazenamento do pó atomizado no interior do silo e as características de conservação no mesmo interferem no produto final, surgindo a necessidade de buscar alternativas constitutivas para uma melhor homogeneidade deste material. Para tanto foram realizados ensaios com pós atomizados armazenados em um silo protótipo, sendo que o mesmo foi equipado com um visor, possibilitando uma visão do comportamento do pó no seu interior. O protótipo também foi carregado de diferentes formas e o cone de saída foi alterado, sendo adicionado um contra cone visando interferir na fluência do pó na parte central do silo para facilitar seu escoamento e assim obter uma melhor homogeneidade do mesmo. Como resultado, as diferenças de fluidez obtidas foram diretamente relacionadas com o ângulo de saída e com a forma de carregamento do silo, sendo que a combinação entre a forma de carregamento e o ângulo de saída do silo gera um fluxo mássico ou um fluxo tubular que caracterizarão a homogeneidade ou não do pó atomizado. Palavras-chave: pó atomizado, silo, homogeneidade. 1. Introdução No processo de fabricação de produtos cerâmicos a maior parte das matériasprimas utilizadas encontra-se na forma de materiais sólidos caracterizados como pó. 1 Professor orientador

2 O comportamento reológico dos materiais na forma de pó é tão complexo que não pode ser tratado como o dos líquidos ou suspensões. Isto faz com que ocorram, freqüentemente, problemas em seu manejo: segregações, interrupções no fluxo durante a descarga dos materiais dos silos, descarga descontrolada de sólidos, etc., que podem afetar negativamente o processo produtivo (AMORÓS, 2002, p.12). Por tais motivos torna-se necessário realizar uma análise do pó no momento do seu carregamento, armazenamento e descarregamento. Desta forma, este estudo é continuidade do trabalho de conclusão de curso intitulado Importância do controle de granulometria no silo para a produção de porcelanato (LOPES, 2010), e objetiva mapear a distribuição granulométrica do pó atomizado, para mostrar o comportamento do mesmo durante o processo de armazenamento em silos. Também serão propostas soluções na forma construtiva mecânica do silo para eliminação da segregação visando à obtenção de um pó com melhores características técnicas para os processos futuros. 2. Revisão de Literatura O processamento cerâmico pela via úmida nos dias atuais ainda apresenta as melhores características em relação à qualidade do produto final. Segundo Negre e Sanches (1998 p.22), a atomização após processo de moagem por via úmida oferece as seguintes vantagens: a) Fragmentação do material argiloso contido na barbotina ao se submeter a suspensão a enérgicos processos de dispersão; b) Redução do tamanho de partículas, principalmente das impurezas; c) Mistura íntima dos constituintes da massa, principalmente dos componentes minoritários; d) Maior reatividade do pó; e) Melhor fluidez do pó e facilidade de manuseio do pó granulado; f) Comportamento adequado do pó granulado sob compressão.

3 A operação de atomização consiste basicamente de três etapas: formação das gotículas, secagem das mesmas em ar quente ao serem transportadas e separação do pó seco. A secagem ocorre enquanto a gotícula estiver suspensa no ar. A névoa criada pela atomização da barbotina dá lugar a uma vasta superfície para que a transferência de calor e massa ocorra evaporando a água das gotículas rapidamente e reduzindo a temperatura da corrente do ar. Sob o ponto de vista da engenharia, a atomização é uma operação complexa, uma vez que três fenômenos da transferência ocorrem simultaneamente: movimento (deslocamento das gotículas), calor e massa. Por outro lado após certo tempo, a operação entra em regime, ou seja, varia pouco, desde a formação das gotículas até a obtenção de um aglomerado com o teor de umidade desejado (NEGRE e SANCHEZ, 1998, p.25). Após a atomização vem o processo de armazenagem, que por sua vez apresenta problemas relacionados à estrutura do silo e à forma pela qual o mesmo é carregado e descarregado. A descarga de um material na forma de pó pode ser apresentada de duas maneiras: por fluxo tubular ou por fluxo mássico. O fluxo mássico (figura 1a) é caracterizado pelo fato de todo o material se mover conjuntamente durante a operação de descarga. Particularmente, o material em contato com as paredes desliza sobre estas, fluindo junto com o restante do pó. Desde o início da descarga nenhuma partícula ou aglomerado permanece em sua posição original, todas se movendo, impedindo a formação de zonas mortas. O material que entra primeiro é o primeiro a sair, o que tende a manter constante o tempo de residência ou permanência do material no silo em um processo contínuo (AMORÓS et al., 2002, p.13). O fluxo tubular (figura 1b) consiste na formação de um canal de fluxo, alinhado com a boca de saída do silo, rodeado por uma zona na qual o material permanece inicialmente estático. Durante a descarga do silo, se o material é pouco coeso, a parte mais alta, em contato com as paredes vai desmoronando, alimentando o canal central. Se o material é muito coeso, o esvaziamento do silo pode chegar a ser interrompido, com a formação de um canal central vazio, cercado por material estático (AMORÓS et al, 2002, p.12).

4 a b Figura 1. Fluxo do pó atomizado dentro de um silo: a) Fluxo mássico; b) Fluxo tubular Fonte: Amorós et al., 2002 Com isso, os silos podem ter graves problemas relacionados ao pó que fica em seu interior. A partir dessas características, geralmente são descarregados primeiramente os grânulos com tamanhos menores, e depois são descarregados os maiores, surgindo assim poros entre os grânulos. O controle de granulometria (grânulos de matéria-prima) é um dos tópicos importantes no controle de processamento do material. A partir desse controle é que o material terá mais ou menos poros no momento de sua prensagem. Os grânulos devem ser roliços e geralmente de tamanhos diferentes, para então fluírem melhor e assim ocasionar o preenchimento total do estampo de prensagem. Os grânulos menores ficarão nos espaços vazios formados entre os grânulos maiores (LOPES, 2010). Durante a descarga do silo, uma maior ou menor homogeneidade do pó na saída pode variar dependendo do tipo de fluxo. Se o esvaziamento do silo se dá através do fluxo tubular, os primeiros aglomerados a serem descarregados devem ser os mais finos e os últimos os mais grossos, o que deve fazer com que a distribuição de tamanhos de grânulo do pó na saída varie com o tempo (AMORÓS et al., 2002, p.19). Ao contrário, se a descarga do silo acontece por fluxo mássico, o efeito de mistura produzido na boca de saída deve reduzir ou mesmo eliminar o efeito da segregação produzido durante o carregamento do silo.

5 3. Materiais e Métodos Primeiramente, para realizar os ensaios foi estabelecida uma metodologia. Uma empresa cerâmica da região sul catarinense forneceu o projeto do seu silo que se encontra atualmente em uso. Com o projeto em mãos, o silo foi redesenhado com redução de sua escala, porém respeitando suas proporções, para que os resultados alcançados nos ensaios fossem mais realistas. Em seguida foi construído um silo protótipo (figura 2), com chapa de 2 mm e com as seguintes dimensões: 150 mm de diâmetro, 700 mm de comprimento e o cone da saída com um ângulo de 55º. Na parte frontal foram adicionados dois visores a fim de visualizar o comportamento do pó atomizado colorido cedido pela mesma empresa para mostrar o fluxo da matéria-prima. Figura 2: Silo protótipo carregado com pó atomizado colorido Fonte: Autor, 2010

6 O silo protótipo sofreu nos ensaios o mesmo processo realizado na empresa cerâmica no seu cotidiano: carregamento, armazenamento e descarregamento do material. Inicialmente, para os ensaios foram utilizados g de pó atomizado. O silo foi carregado de forma que o pó fosse caindo no centro do mesmo (figura 3a). Para isso foi utilizado um alimentador. Então, o material foi sendo descarregado, e quando atingia uma determinada marca feita no silo era recolhida uma amostra. Isso ocorreu até o momento em que o silo ficou totalmente vazio. As cinco amostras coletadas, num total de 500 g foram submetidas à análise de granulometria. A etapa seguinte foi a de carregá-lo distribuindo então a massa uniformemente por toda sua extensão (figura 3b). Da mesma maneira como foi citado anteriormente, o silo foi descarregado e amostras foram coletadas, para análise de granulometria. Por último, o silo foi carregado alternando-se o sentido de carregamento da matéria-prima (figura 3c). Repetiu-se o descarregamento e a coleta das amostras. a b c Figura 3: Carregamento do pó no silo protótipo: a) Carregamento central feito com alimentador; b) Carregamento uniforme; c) Carregamento alternado Fonte: Autor, 2010 Também foi construído um contra cone de alumínio do mesmo ângulo de saída do protótipo visando interromper o fluxo criado no centro do cone, que se caracterizava por um fluxo tubular, para assim criar um fluxo mássico. As três formas de ensaios antes descritas foram realizadas novamente utilizando o mesmo material, porém com o contra cone já instalado. (Figura 4).

7 Figura 4: Projeto do silo protótipo com contra cone Fonte: Autor, 2010

8 3.1. Análise de Condições Granulométricas Após cada ensaio de distribuição do pó no silo, o pó foi submetido ao ensaio de granulometria. Foram utilizadas peneiras com malhas 500, 425 e 200 mesh ABNT, e o conjunto permaneceu no agitador de peneiras durante dois minutos para cada amostra, e todas foram agitadas com freqüência de vibração 5. Para um melhor entendimento foi feita uma classificação de acordo com as malhas utilizadas, conforme quadro 1: Quadro 1: Classificação dos pós Malha Classificação >425 µm Grosso 425 x 300 µm Médio <300 µm Fino Fonte: Autor, Resultados e Discussões Com os resultados do ensaio de granulometria para cada amostra verificou-se o comportamento do pó atomizado durante a descarga em função da forma de carregamento e da inserção ou não do contra cone dentro do silo. Analisando os resultados, obtidos pode-se observar que à medida que se altera a forma de carregamento sem a inserção do contra cone tem-se uma variação na distribuição da entrada para a saída dos pós no silo. A figura 5 mostra os resultados do ensaio de distribuição granulométrica realizado sem o contra cone e utilizando-se o carregamento central. Como pode ser visto, há uma predominância de grânulos finos na distribuição ao longo do tempo de descarga do silo, sendo que os grânulos médios e grossos têm distribuição similar. Há também uma variação maior da distribuição de pós finos em função do tempo de descarga do silo. Houve uma tendência de aumento dos pós finos do início para o final da descarga e um pequeno decréscimo dos pós grossos. Observou-se neste caso uma alteração de granulometria do início para o fim do processo.

9 Figura 5: Distribuição granulométrica com carregamento central no silo sem a inserção do contra cone. Fonte: Autor, A figura 6 mostra os resultados do ensaio de distribuição granulométrica realizado sem o contra cone e utilizando-se o carregamento uniforme no silo. Neste caso, novamente há uma predominância de grânulos finos na distribuição ao longo do tempo de descarga do silo, e os grânulos médios e grossos têm distribuição similar. Todos apresentam pequena variação da distribuição dos pós em função do tempo de descarga do silo. Na alimentação com carregamento uniforme praticamente não houve alteração na distribuição dos pós. Figura 6: Distribuição granulométrica com carregamento uniforme no silo sem a inserção do contra cone. Fonte: Autor, 2010.

10 Finalmente, a figura 7 mostra os resultados do ensaio de distribuição granulométrica realizado sem o contra cone e utilizando-se o carregamento alternado no silo. Mais uma vez há uma predominância de grânulos finos na distribuição ao longo do tempo de descarga do silo, e os grânulos médios e grossos têm distribuição similar. Todos apresentam pequena variação da distribuição dos pós em função do tempo de descarga do silo. Houve uma inversão em relação aos resultados da alimentação com carregamento central, havendo também uma alteração de granulometria do início para o fim do processo. Figura 7: Distribuição granulométrica com carregamento alternado sem a inserção do contra cone. Fonte: Autor, Com relação aos resultados obtidos com os ensaios realizados com a inserção do contra cone observou-se que no carregamento central houve uma constância na variação da distribuição dos pós finos do início para o fim do processo e uma alteração da distribuição dos pós médios e grossos. A figura 8 mostra os resultados do ensaio de distribuição granulométrica realizado com o contra cone e utilizando-se o carregamento central. Como pode ser visto, há uma menor predominância de grânulos finos na distribuição ao longo do tempo de descarga do silo, sendo que os grânulos médios apresentam uma variação na distribuição do início ao fim da descarga, e os pós grossos têm distribuição mais uniforme. Os pós finos apresentam uma distribuição granulométrica uniforme em função do tempo de descarga do silo. Houve uma tendência de diminuição dos pós

11 finos do início para o final da descarga e um pequeno aumento dos pós grossos. Observou-se neste caso uma alteração de granulometria do início para o fim do processo. Figura 8: Distribuição granulométrica com carregamento central no silo com a inserção do contra cone. Fonte: Autor, Na alimentação com carregamento uniforme houve um pequeno decréscimo dos pós finos e uma alternância entre os pós médios e grossos. A figura 9 mostra os resultados do ensaio de distribuição granulométrica realizado com o contra cone e utilizando-se o carregamento uniforme no silo. Há predominância de grânulos finos na distribuição ao longo do tempo de descarga do silo, e os grânulos médios e grossos apresentam distribuição invertida do início para o fim da descarga do silo. Os pós finos apresentam distribuição constante ao longo do tempo de descarga do silo, o mesmo ocorrendo para os pós médios e grossos, com exceção do 3 tempo de descarga, onde houve uma alteração entre as distribuições destes pós.

12 Figura 9: Distribuição granulométrica com carregamento uniforme no silo com a inserção do contra cone. Fonte: Autor, Por fim, na alimentação com carregamento alternado observou-se uma diminuição da quantidade de pós finos e um aumento na quantidade de pós médios e grossos ao longo do tempo de descarga do silo, figura 10. Figura 10: Distribuição granulométrica com carregamento alternando o sentido no silo com a inserção do contra cone. Fonte: Autor, Em todos os casos houve uma alteração de granulometria do início para o fim da descarga do silo.

13 5. Considerações Finais Ao analisar os resultados pode-se observar que a granulometria na descarga do silo não é uniforme, o que acarreta a possibilidade de uma má homogeneidade durante o armazenamento do pó atomizado, ocorrendo na maioria dos casos estudados uma segregação do início para o fim da descarga do silo. As diferenças resultantes expressadas nos ensaios estão diretamente relacionadas com o ângulo de saída do silo e com a forma de carregamento, e desta relação resulta o fluxo mássico ou fluxo tubular que caracterizarão a homogeneidade ou não do pó atomizado, resultando em uma melhor ou pior característica técnica do pó para processos posteriores. Pode-se observar que o melhor resultado, em que o pó se manteve mais homogêneo foi com a alimentação uniforme e sem a inserção do contra cone. Isto acontece porque este tipo de alimentação faz com que seja criado no silo um fluxo mássico e com isso obtém-se uma melhor homogeneidade na saída do pó. Desta forma, o objetivo principal do trabalho foi alcançado, ou seja, mostrar que existe uma relação direta entre a forma de carregamento de pó no silo, o ângulo de saída do mesmo e a homogeneidade ou não do pó atomizado no momento da descarga do silo. Para trabalhos futuros tem-se como sugestão, estudar um ângulo diferente para o contra cone e também uma alteração na posição de montagem deste contra cone no interior do silo, e criar uma relação do ângulo de saída com a forma de carregamento verificando o tempo de fluidez do pó atomizado. 6. Referências Bibliográficas ABNT, Associação Brasileira De Normas Técnicas. Placas cerâmicas para revestimentos: especificação e métodos de ensaios, NBR Rio de Janeiro, 1997.

14 ALBERO, J. L. A. A operação de prensagem: considerações técnicas e sua aplicação industrial parte I: o preenchimento das cavidades do molde. Cerâmica industrial, n.5, p.23-28, ALVES, H. J.; MELCHIADES, F. G.; BOSCHI, A. O. Efeito da granulometria do pó atomizado sobre a microestrutura porosa de porcelanato polido. Cerâmica industrial, n.14, p.22-27, AMORÓS, J. L. et al. Projeto de silos para o armazenamento de materiais na forma de pó. Problemas associados à etapa de descarga. Cerâmica industrial, n.7, p.12-23, CALLISTER Jr., W. D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 5.ed Rio de Janeiro: LTC, p. LOPES, M. B. M. Importância do controle de granulometria no silo para a produção de porcelanato f. Trabalho de Conclusão de Curso Tecnólogo em Cerâmica Universidade do Extremo Sul Catarinense, Criciúma. PALMA, G. Pressões e fluxos em silos esbeltos (h/d 1,5) p. Dissertação de Mestrado Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo. NEGRES, F.; SÁNCHES, F. Avanços no processamento de pós atomizados para a fabricação de revestimentos cerâmicos. Parte I. Cerâmica industrial, n.3, p.22-29, 1998.