ESTUDO DO PROCESSO DE SAZONAMENTO DE ARGILAS

ESTUDO DO PROCESSO DE SAZONAMENTO DE ARGILAS R. Gaidzinski 1, J. Duailibi Fh 2, L. M. M. Tavares 1 1 Universidade Federal do Rio de Janeiro UFRJ/COPPE/PEMM Cx. Postal 68505 CEP: 21945-970, Rio de Janeiro RJ. roberta@metalmat.ufrj.br 2 Instituto Nacional de Tecnologia - INT Av. Venezuela, 82 sala 602 CEP: 20081-310, Rio de Janeiro RJ. RESUMO A utilização do sistema de formação de pilhas de estocagem de argilas proporciona melhorias significativas no processo de fabricação de produtos cerâmicos, pois além de tornar mais uniforme a matéria-prima, também melhora as suas propriedades tecnológicas. Este trabalho tem como objetivo o estudo do processo de sazonamento de argilas através deste sistema e o seu efeito nas propriedades tecnológicas das mesmas. Foram utilizadas dois tipos de argilas, sendo uma do Município de Itaborai e outra do Município do Rio Bonito. Foram formadas duas pilhas de homogeneização, uma para cada tipo de matéria-prima, as quais ficaram estocadas por um período de aproximadamente um ano. Coletas periódicas de amostras de vários pontos de cada pilha foram realizadas. Um tratamento estatístico de todos os resultados obtidos foi feito, por meio da análise de variância, a fim de identificar somente as variáveis que apresentaram elevado grau de significância. Os resultados obtidos demonstraram a contribuição da etapa de sazonamento no processo de fabricação de produtos cerâmicos. Foram observadas melhorias nas propriedades das matériasprimas, como plasticidade, resistência mecânica e absorção de água, o que resulta em um aumento na qualidade do produto final. Os resultados também foram indicativos de que existem determinadas épocas do ano mais favoráveis para a realização deste processo. Palavras-chaves: Argilas, homogeneização, sazonamento, plasticidade. INTRODUÇÃO A grande maioria dos depósitos de argilas secundárias ou transportadas apresenta variações expressivas nas características das matérias-primas ao longo dos depósitos e em seus perfis. Quando se utiliza as argilas sem a devida homogeneização, o controle das etapas do processo produtivo se torna muito difícil, gerando produtos de baixa qualidade e alta variabilidade. Se fossem utilizadas matérias -primas de qualidade constante no processo produtivo, seria mais fácil lidar com problemas de otimização do processo e aplicar um sistema apropriado de monitoramento contínuo a fim de evitar variações na qualidade dos produtos finais (1). Portanto, é fundamental proceder à sua homogeneização desde o jazimento, já que o ajuste dos sistemas de dosagem no interior da instalação é pouco eficaz se os componentes da mistura apresentam variações significativas. Essa homogeneização pode ser realizada a partir da preparação de pilhas, desde que adequadamente preparadas. Mesmo que inicialmente a formação de uma pilha de homogeneização represente um gasto adicional, a longo prazo esse investimento reverterá em uma economia importante, superior ao gasto necessário para sua formação (2). Em um estágio inicial, deve-se escolher como a pilha será construída e subseqüentemente estocada. Isto é ditado pelo grau de variabilidade dos materiais da alimentação, sua faixa de tamanhos, natureza, volume da pilha, etc. (3). A escolha seguinte é ditada pela escala de produção e pelo grau de homogeneização a ser alcançado pela matéria-prima e pela natureza física dos materiais a serem manuseados (2). O sistema de homogeneização mais utilizado é o denominado de empilhamento por camadas lineares. Este sistema consiste na formação de estratos paralelos de argila uniformes. É realizado utilizando-se caminhões para o transporte e descarga da argila no empilhamento de matéria-prima em formação, sendo esta posteriormente repartida, de forma homogênea, com o auxilio de uma pá escavadeira. O número de camadas que podem compor o empilhamento é essencialmente ditado pelo tipo de maquinário empregado (4). 995

De acordo com a teoria de mistura de sólidos em camadas, é possível aplicar a seguinte equação estatística para o sistema atualmente empregado (4) : Sx 2 = Se 2. n 1, (1) na qual Sx 2 é a variância ou dispersão dos parâmetros médios da argila de todas as camadas da pilha de homogeneização, Se 2 é a variância dos parâmetros da argila empregada na pilha(variações existentes entre as argilas de cada caminhão), e n é o número de camadas. Rearranjando a Equação (1), tem-se: Se e = = Sx Se Sx.1/ n = n (2) Como pode ser comprovado pela Equação 2, o grau de mistura é unicamente dependente do número de camadas de armazenamento. O valor de n recomendado para a obtenção de um grau adequado de mistura é o compreendido entre 50 e 500. Quanto maior a variabilidade apresentada pela argila extraída da jazida, maior o número de camadas que devem ser usadas na montagem da pilha. Quanto às dimensões da pilha, as camadas não devem ser muito espessas (50-75 cm, devido ao maquinário empregado) e variações importantes devem ser evitadas no material da mesma camada (5). Por razões de segurança, a limitação de altura é mais crítica, em virtude dos equipamentos usados para a retomada da pilha, devendo variar de 5 a 8 metros (6). A retirada da argila da pilha pode ser efetuada com o auxílio de uma escavadeira de taças ou uma pá mecânica. MATERIAIS E MÉTODOS A primeira etapa do trabalho consistiu no acompanhamento da formação de duas pilhas de homogeneização na Empresa, localizada no Município de Itaboraí (RJ), uma para cada tipo de matéria-prima a ser analisada. Destas matérias-primas, uma é normalmente utilizada pela empresa: uma argila denominada argila forte Itaboraí-IT supostamente de média plasticidade. A segunda pilha constituiu-se de um outro tipo de argila de alta plasticidade, proveniente da Região de Rio Bonito, denominada de argila forte de Rio Bonito RB. As pilhas foram constituídas a céu aberto, em forma de camadas com cerca de 10-20 toneladas cada, espalhadas com o auxílio de um trator de esteira. A pilha da argila de Rio Bonito foi formada no final do mês de setembro de 2000, apresentando um volume total de aproximadamente 200 toneladas. Cada camada referente a um caminhão apresenta espessura em torno de 12 cm. A pilha da argila de Itaboraí foi formada no início do mês de agosto de 2000, apresentando cerca de 160 toneladas. A Figura 1 apresenta um esquema das pilhas de homogeneização, mostrando os pontos de coleta de amostras. Nos pontos citados foram efetuadas também perfurações a profundidades variáveis [superior (A): 0 a 50cm e inferior (B): 50 a 100cm], com extração do material em forma de colunas contínuas, utilizando-se um trado manual com 15cm de diâmetro. As amostras de cada ponto e de cada intervalo de profundidade das perfurações, foram quarteadas manualmente após sua extração, visando-se a obtenção de amostras médias representativas contendo cerca de 5kg de amostra de cada ponto, para posterior ensaios de laboratório. Imediatamente após o quarteamento, as amostras foram acondicionadas em sacos plásticos, a fim de garantir a manutenção da umidade das mesmas. Três coletas de amostras, no intervalo de alguns meses, foram realizadas a fim de avaliar as mudanças provenientes do sazonamento das matérias-primas. A Tabela I apresenta a data das coletas e o tempo transcorrido de sazonamento para cada matéria-prima. 996

Figura 1 Esquema de malhas de amostragem das pilhas de homogeneização Tabela I - Data das coletas e tempo transcorrido de sazonamento para cada matéria-prima Coleta Data Tempo transcorrido de sazonamento 1 10 de outubro de 2000 2 meses (IT), 10 dias (RB) 2 23 de maio de 2001 10 meses (IT), 8 meses (RB) 3 06 de setembro de 2001 13 meses (IT), 11 meses (RB) Após cada coleta de amostra, ensaios foram realizados em duas etapas. A primeira etapa correspondeu aos ensaios de caracterização física das amostras de cada ponto das pilhas (teor de umidade, teor de resíduos, fração abaixo de 2µm, plasticidade (7,8) ). A fração abaixo de 2µm foi determinada utilizando-se o analisador de partículas a laser (CILAS). Em uma segunda etapa, foram preparadas amostras compostas ponderadas. Estas foram preparadas por meio de quarteamento das amostras de cada ponto da pilha e posterior mistura de partes iguais de cada ponto. Estas amostras foram submetidas a ensaios adicionais de caracterização física. Para a realização dos ensaios tecnológicos, foram preparados corpos-de-prova retangulares com as dimensões 11,43 x 2,54 x 1,00cm por prensagem uniaxial a 25MPa e umidade de 6,5%. Estes foram secos em estufa a 110ºC e sinterizados na temperatura de 1050ºC, com taxa de aquecimento de 10ºC/min e patamar de 1 hora. Os seguintes ensaios foram realizados: retração linear, perda ao fogo, absorção de água (9) e módulo de ruptura à flexão em 3 pontos (10). Este último foi realizado utilizando-se uma máquina de ensaios EMIC, modelo DL 2000. Considerando o grande número de ensaios para cada campanha de amostragem e a variabilidade encontrada, tornou-se necessário o tratamento estatístico dos resultados obtidos. A técnica utilizada foi a análise de variância (Tabela ANOVA) (11) usando o software STATISTICA (Mathworks Inc). As variáveis-resposta utilizadas foram o teor de resíduos, o teor de umidade, a fração abaixo de 2µm e a plasticidade. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados obtidos nos ensaios físicos realizados com amostras da primeira coleta, demostraram o elevado grau de variabilidade apresentado pelas pilhas. Pontos de coleta próximos apresentaram valores bastante distintos, tornando necessário o tratamento estatístico dos resultados, conforme previamente mencionado. Foram considerados os resultados obtidos para todos os pontos de coleta de amostra nas pilhas. Foram utilizados os seguintes critérios: α = 0,01(99%) e valor p(p > 0,01) como sendo não significativo () na análise de variância com dois fatores (11). A Tabela II mostra os resultados obtidos nesta análise, onde foram verificados, para todos os ensaios realizados, os efeitos do tempo de sazonamento e da posição ocupada nas pilhas de homogeneização. Enquanto o efeito do tempo permite avaliar a influencia do sazonamento, a influência da posição permite avaliar a eficácia da homogeneização resultante da formação da pilha. Os resultados obtidos no ensaio de teor de resíduos destas argilas foram considerados como não significativos. A seguir são analisados em maior detalhe os dados relativos aos fatores considerados A Tabela III também apresenta os valores dos ensaios de plasticidade, representados por meio do limite de plasticidade. Para a argila de Rio Bonito, observou-se uma variação estatisticamente significativa dessa propriedade durante o tempo de exposição da pilha. Por outro 997

lado, observou-se que tanto a posição quanto o tempo exercem um efeito na plasticidade da argila de Itaboraí. De fato, observou-se que a plasticidade aumenta do topo até a base da pilha. Este fato pode ter sido ocasionado em função do maior grau de umidificação das camadas inferiores, o que, entretanto, não foi confirmado pela análise estatística. Tabela II Influência do tempo de exposição e da posição na pilha nas características tecnológicas das argilas Teor de resíduos Plasticidade Teor de umidade Fração <2 µm Argila Sazon. Posição Sazon. Posição Sazon. Posição Sazon. Posição Rio Bonito (0,4049) (0,2724) S (0,0009) (0,8252) (0,0323) (0,1096) S (0,0003) (0,1718) S S S S Itaboraí (0,0103) (0,5188) (0,0001) (0,0077) (0,0036) (0,1229) (0,0017) (0,8233) Não significativo; S Significativo; Valor p (parênteses) Tabela III Limite de Plasticidade das argilas de Rio Bonito e Itaboraí Amostra Argila de Rio Bonito Argila de Itaboraí Out/2000 Mai/2001 Set/2001 Out/2000 Mai/2001 Set/2001 1A (superior) 26,9 28,3 31,6 21,7 23,8 24,2 1B (inferior) 27,8 29,7 30,4 22,0 23,8 24,1 2A (superior) 27,0 28,9 30,4 22,1 24,1 24,3 2B (inferior) 27,9 28,0 32,1 22,3 24,4 25,0 3A (superior) 26,5 29,1 30,6 ----- ----- ----- 3B (inferior) 27,1 28,7 31,1 ----- ----- ----- Amostra composta 27,4 28,0 31,0 22,1 24,7 24,8 A Tabela IV apresenta os valores encontrados para o teor de umidade da argila forte de Itaboraí, os quais mostraram-se como significativos somente em função do sazonamento. Em relação aos resultados obtidos para o ensaio da fração de finos (abaixo de 2 µm), estes mostraram-se significativos para ambas argilas em função do sazonamento (Tabela V). Tabela IV Teor de umidade da argila de Itaboraí (% em peso) Amostra Out/2000 Mai/2001 Set/2001 1A (superior) 21,1 20,7 19,6 1B (inferior) 22,1 21,2 20,6 2A (superior) 21,4 19,8 18,7 2B (inferior) 22,7 19,8 19,7 Tabela V Fração argilosa (< 2 µm) das argilas de Rio Bonito e Itaboraí (% em peso) Argila de Rio Bonito Argila de Itaboraí Amostra Out/2000 Mai/2001 Set/2001 Out/2000 Mai/2001 Set/2001 1 A (superior) 32,0 53,1 32,6 8,2 33,6 16,9 1B (inferior) 30,1 49,0 29,3 8,6 30,6 17,8 2 A (superior) 34,7 51,0 32,1 9,0 28,7 18,8 2B (inferior) 49,9 53,7 31,6 9,1 29,6 22,1 3 A (superior) 46,7 58,1 30,4 8,9 ----- ----- 3B (inferior) ---- 55,2 32,8 ----- ----- ----- Amostra composta 48,9 53,8 31,3 8,2 30,6 19,0 Os resultados obtidos para as duas argilas revelaram um aumento na proporção de finos durante o tempo de exposição ao sazonamento compreendido entre a primeira e a segunda coleta de amostras. Isto indica a ocorrência do processo de fragmentação dos agregados argilosos durante este período, resultando em um aumento da proporção de partículas com granulometria fina, as quais apresentam maior superfície específica. Os resultados provenientes da terceira coleta (set/2001) revelam um decréscimo neste valor. 998

A Tabela VI mostra os resultados obtidos para as propriedades tecnológicas de queima das argilas de Rio Bonito e Itaboraí, respectivamente. Observa-se um aumento de resistência mecânica e uma diminuição na absorção de água na amostra proveniente da segunda coleta em relação à amostra inicial. Este fato é observado para ambas argilas, sendo mais significativo para a argila de Rio Bonito. O mesmo não ocorre com a amostra relativa à terceira coleta, já que foi observado um pequeno decréscimo na resistência mecânica e um acréscimo na absorção de água. Coleta de amostra Tabela VI - Propriedades Tecnológicas de queima das argilas de Rio Bonito e Itaboraí Argila de Rio Bonito Argila de Itaboraí Perda Retração Resist. Absorção Perda Retração Resist. Ao fogo linear mecânica de água ao fogo linear Mecânica (%) (%) (MPa) (%) (%) (%) (MPa) Absorção de água (%) Out/2000 11,8 8,6 12,2 11,3 7,4 1,1 2,0 15,3 Mai/2001 11,4 8,5 20,2 6,3 7,6 2,2 2,9 12,8 Set/2001 11,7 8,5 19,3 8,9 7,8 2,0 2,3 11,5 Dessa maneira, observou-se que algumas propriedades tecnológicas como a resistência mecânica e a fração argilosa não apresentaram uma variação monotônica durante o período de exposição, com valores ótimos tendo sido obtidos como resultado da amostragem realizada no mês de maio. Formulou-se a hipótese que essa variação poderia ser explicada não somente pelo tempo, mas também pela pluviosidade e pela temperatura durante o período de exposição. A Figura 2 apresenta o índice pluviométrico acumulado e a temperatura média (12) na região durante todo o período de exposição das matérias-primas ao sazonamento. Temperatura (ºC) 28 26 24 22 20 IPA (mm) T (ºC) 250 200 150 100 50 0 IPA (mm) 18 A S O N D J F M A M J J A S Meses Figura 2 Índice pluvimétrico acumulado (IPA) e temperatura média durante o período de exposição das argilas ao sazonamento na região de Itaboraí (RJ) (agosto/2000 a setembro/2001) A análise dos resultados obtidos permitiu concluir que alterações significativas nas propriedades tecnológicas das argilas ocorreram no período compreendido entre a primeira e a segunda coleta. Estas alterações revelaram um aumento na resistência mecânica e uma diminuição na absorção de água para as duas argilas estudadas. Estes fatos podem ser um indicativo de que, na região do estudo, a época do ano mais favorável para a realização do sazonamento é o período de outubro a maio, período este em que tanto a temperatura média quanto o índice pluviométrico apresentam-se mais elevados. Dessa maneira, o estudo sugere que em períodos mais secos e frios o sazonamento pode não somente ser ineficaz como também pode representar uma perda de parte dos ganhos advindos da exposição aos elementos do clima. Essa observação deve ser feita com ressalvas, visto que algumas propriedades, como a plasticidade, apresentaram um aumento para ambas argilas durante o período estudado. CONCLUSÕES Os resultados obtidos durante a execução deste trabalho demonstraram a contribuição da etapa do sazonamento no processo de fabricação de produtos cerâmicos à base de argilas. Foram observadas melhorias nas propriedades tecnológicas das matérias-primas, como plasticidade, resistência mecânica e absorção de água, o que resulta em um aumento na qualidade do produto final. Os efeitos do sazonamento natural, realizado durante cerca de um ano, resultaram, 999

principalmente, em um aumento na plasticidade de todas as matérias-primas estudadas. Observou-se também a existência de períodos mais favoráveis à realização do sazonamento. Por fim, a influência significativa da posição das amostras na pilha sugere que, embora uma maior homogeneidade tenha sido obtida com a formação da pilha, a heterogeneidade espacial da pilha permanece significativa. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo auxílio financeiro à realização deste estudo e à Tijolar Indústrias Cerâmicas Ltda, por ter colocado suas instalações à disposição dos autores para a realização deste trabalho. REFERÊNCIAS 1. W. Bender, Zielindustrie International 7-8 (1989) 399-409. 2. J.M. Gari Guiu, Tecnica Ceramica 205 (1992) 484-492. 3. A.Lorenz, Zielindustrie International 10 (1996) 732-739. 4. E. Sanchez, J. Garcia, F. Ginés, F. Negre, Cerâmica Industrial 01 (03) Julho/agosto (1996) 13-22. 5. E. Facincani, Tecnologia Cerámica los ladrillos, Faenza Editri, Ibérica S.L, 3 a edição, Barcelona (1993). 6. R. Whittemore, American Ceramic Society Bulletin, 73 (6) (1994) 60-62. 7. Associação Brasileira de Normas Técnicas Determinação do Limite de Plasticidade. NBR 6459-84, Rio de Janeiro, 1984, 2p. 8. Associação Brasileira de Normas Técnicas Determinação do Limite de Liquidez. NBR 7180-84, Rio de Janeiro, 1984, 5p. 9. American Standard for Tasting Materials Standard Test Methods for Water Absorption, Bulk Density, Apparent Porosity, and Apparent Specific Gravity of Fired Whiteware Products. ASTM C 373-72, R. 1988, 2p. 10.American Standard for Tasting Materials Standard Test Methods for Flexural Properties of Ceramic Whiteware Materials. ASTM C 674-77, R. 1988, 4p. 11.R.V. Hogg, J. Ledolther, Engineering statistics, Collier Macmillan Publishers, London (1989). 12.Instituto Nacional de Meteorologia, 6 o Distrito, Rio de Janeiro. Coleta: Estação Rio Bonito. 1000

STUDY OF THE AGING PROCESS OF CLAYS R. Gaidzinski 1, J. Duailibi Fh 2, L. M. M. Tavares 1 1 Universidade Federal do Rio de Janeiro UFRJ/COPPE/PEMM Cx. Postal 68505 CEP: 21945-970, Rio de Janeiro RJ. roberta@metalmat.ufrj.br 2 Instituto Nacional de Tecnologia - INT Av. Venezuela, 82 sala 602 CEP: 20081-310, Rio de Janeiro RJ. ABSTRACT The clay stockpile system allows a significant improvement in the fabrication of ceramic products, since it helps making the raw materials more uniform and improve their technological properties.. This investigation aims at studying the aging process of clays through the stockpile system and analyzing the influence of this process in selected technological properties of the raw materials. Two stockpiles were prepared with clays from Itaboraí and Rio Bonito regions. Periodic sampling was conducted. Statistical analyzes were conducted to identify only the most significant results. The results demonstrated the importance of the natural aging stage in the ceramic products fabrication. An improvement in technological properties such as plasticity, mechanical strength and water absorption was observed. This increase was observed to be more significant in some periods of the year, when temperatures and rainfall levels are higher. Key-words: clays, homogeinization, aging process, plasticity. 1001