UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE Curso de Tecnologia em Cerâmica Trabalho de Conclusão de Curso ESTUDO da origem do defeito denominado “bola de massa” em revestimento de monoqueima José Clair G. do Prado Gilson Menegali1 Resumo: Neste trabalho buscou-se encontrar a origem do defeito denominado “Bola de Massa” presente em uma empresa do ramo cerâmico da região sul, o que vêm prejudicando a qualidade da produção. Para isso foram realizados alguns testes com o pó atomizado e com a barbotina de monoqueima a fim de verificar o desvio de algum parâmetro que pudesse estar provocando o defeito. Além de tentar reproduzir o defeito encontrado, simultaneamente procurou-se estabelecer um procedimento adequado para a eliminação do problema. Uma vez realizados estes procedimentos pode-se verificar a importância da etapa de peneiramento, de modo que foram encontradas contaminações com dimensões consideráveis que provocam o defeito. Pode-se também verificar que o defeito pode ser provocado com grânulos que apresentam dimensão superior ou igual a 50µm Sugere-se uma alteração na curva de queima como uma das medidas para solucionar o problema. Palavras-chave: Bola de massa, peneiramento, ciclo de queima, contaminações. 1. Introdução A qualidade do produto final em conjunto com a maior produtividade são fatores essenciais para o bom desempenho da produção industrial e da satisfação do cliente final. A presença de defeitos em revestimentos pode fazer com que as peças sejam desclassificadas ou então enquadradas nas categorias de menor qualidade, dependendo da indústria e das dimensões do defeito. O defeito conhecido como “bola de massa” é constituído por uma saliência na superfície da peça, que parece ser proveniente de uma liberação gasosa do interior da massa, causando a deformação da superfície da peça. Podendo assim ser considerada como um coração negro localizado/pontual. O "coração negro" ocorre com muita freqüência no caso da queima rápida. Para se obter um produto de melhor qualidade, é melhor uma queima mais lenta, embora isto nem sempre seja 1 Professor Orientador possível, devido à grande demanda requerida pela indústria. O “conhecimento dos fatores que influenciam sua formação é necessário para sua eliminação”. (BOSHI,1997. p.29). A principal causa do defeito deve-se aos resíduos de carbono formados por decomposição térmica da matéria orgânica contida nas argilas, mas a cor escura do centro é devido ao ferro ou compostos de ferro que estão presentes em estado reduzido. A principal fonte de redução do óxido férrico (Fe2O3) para óxido ferroso (FeO) é a presença de um resíduo carbonáceo resultante da carbonização de impurezas orgânicas. Devem-se levar em consideração, além das impurezas de origem natural presentes, impurezas adicionadas durante o processo, como graxas, óleos e borrachas. Considerando isso, este trabalho tem como objetivo encontrar a origem do defeito denominado “Bola de Massa” presente na empresa do ramo cerâmica da região sul, o que vem prejudicando as características estéticas e a qualidade do produto. 2. Revisão de Leitura 2.1 Etapas do processo estudadas que podem proporcionar o aparecimento do defeito A queima é a mais importante etapa do processamento ligado á formação do defeito. Em uma atmosfera oxidante, que é o caso da maioria dos fornos, a ocorrência da bola de massa é mínima. A afinidade do oxigênio pelo carbono é muito maior que pelo ferro, e é, portanto necessário empregar uma atmosfera altamente oxidante na primeira etapa da queima, ou seja, no pré aquecimento. Em atmosfera redutora, gerada pela oxidação parcial da matéria orgânica e a redução dos compostos de ferro, diminuem a temperatura de sinterização e, portanto maior a incidência do defeito. É fundamental que durante a queima, as peças permaneçam por um período suficiente entre 600-650°C, onde tem inicio a oxidação do material orgânico, e entre 800-850°C, onde, o esmalte está num estado avançado de fusão e a massa já está parcialmente gresificada e, portanto, dificulta a saída dos gases provenientes do compacto a verde. O peneiramento desenvolve o papel de controlador do processo, é ele que permite a passagem das partículas como os tamanhos adequados ao processo. Caso a barbotina apresente alguma partícula que não seja adequada para o processo e de tamanho fora do normal, será retida. Muitas vezes ocorre algum dano, rasgo ou furo na peneira devido ao seu sub dimensionamento, assim ocorre grande risco da passagem de materiais contaminantes. Para isto não ocorrer é utilizado outro conjunto de peneiras para a segurança, chamada de peneiras fusível, de modo que estas devem garantir a eficiência do peneiramento. A extração das matérias-primas requer um grande grau de cuidado uma vez que deve evitar o contato do material extraído com contaminantes a fim de garantir as propriedades e características apresentadas pela matéria-prima. A fim de evitar isso se deve fazer o decapeamento do solo de modo a retirar a primeira camada que apresenta um grande percentual de material orgânico e outros contaminantes. Outra prática seria deixar a matéria-prima extraída por um bom tempo na etapa de sazonamento para assim garantir uma menor quantidade de matéria orgânica, de modo que essa etapa deve ocorrer em um local limpo e sem riscos de contaminações. A etapa de moagem pode influenciar no aparecimento do defeito uma vez que o revestimento dos moinhos de bola é de borracha, um dos principais contaminantes, fonte de matéria orgânica. Após algum tempo de uso a mesma começa a se desprender, por meio de pequenas partículas que contaminam a barbotina e que em alguns casos não são retidos na etapa de peneiramento, seguindo para as demais etapas do processo. O transporte da massa atomizada até os silos e até a etapa de conformação se dá na maioria das vezes através de correias (esteiras), de borracha, estas por sua vez após certo tempo de uso se gastam, e pequenos pedaços da mesma podem se desprender contaminando a massa. Em alguns casos além do transporte por correias, a massa atomizada tem que ser transportada por caminhões como é o caso atual empresa. Com isso deve-se ter muito cuidado em manter a limpeza do mesmo a fim de evitar a contaminação da massa por outros materiais. Com a finalidade de certificar-se da origem do defeito foi realizada a análise química, que comprovou que é originado da matéria orgânica. Sabendo disso algumas hipóteses foram levantadas a fim de descobrir a origem do defeito tais como: - Se há influência da granulometria do pó atomizado no aparecimento do defeito e a presença de grânulos estranhos no mesmo; - Deficiência do peneiramento da barbotina; - Presença de contaminantes nas matérias-primas utilizadas na formulação de massa. 3. Materiais e Métodos Para todas as etapas alguns padrões dos métodos de ensaios foram estabelecidos. Sendo que para a compactação foi utilizada uma prensa hidráulica manual laboratorial com estampo de dimensões 12x5 cm, sendo que para cada corpo-deprova foram utilizados 100g de pó atomizado a fim de reproduzir a espessura do biscoito produzido em escala industrial. A pressão utilizada foi de 150 kgf/cm2 para desaeração e 300 kgf/cm2 para compactação. A etapa de secagem se deu em uma estufa laboratorial durante 45 minutos em uma temperatura de 155°C. Os corpos-deprova foram engobados e esmaltados em véu campana com esmalte brilhante (que dificulta a desgaseificação na queima) utilizado para a produção da referência Illusione Ice (30 x 30), uma vez que a bola de massa aparece com maior freqüência quando esta é produzida. Após a decoração os corpos-de-prova sofreram a etapa de queima em um forno industrial com ciclo de 33 minutos e temperatura máxima de 1170° C. Peneiramento e estudo da granulometria do pó atomizado Com a finalidade de verificar se o defeito aparece mais na granulometria grossa ou fina, foram coletados ao longo de 5 dias, 20 kg de pó atomizado de monoqueima após o silo. Em seguida esta amostra passou por uma distribuição granulométrica nas malhas 500µm (Grossos) e 106µm (Finos), de modo que o peneiramento aconteceu com auxílio de um vibrador de peneiras, sendo que a amostra permaneceu por 15 minutos no mesmo. Tendo então as amostras retidas nas malhas, foram compactados 60 corpos-de-prova com o pó retido na malha 500µm e 60 corpos-de-prova com o retido na malha 106µm. Peneiramento da barbotina, para isso foi coletada a barbotina de monoqueima após ter passado pela etapa de peneiramento nas malhas 90 e 60µm, na Central de Massa. A barbotina coletada foi peneirada e lavada em água corrente respectivamente nas malhas 60 e 70µm, foram peneirados em torno de 250L de barbotina. Com isso pode-se verificar a presença de diversas partículas grossas que não deveriam ter passado pelas malhas das peneiras da central de massa, além da presença de uma grande porção de “fios” de madeira em ambas as peneiras e um partículas de borracha retida na malha 60µm. As partículas retidas nas peneiras foram separadas, classificadas e introduzidas em pontos conhecidos nos corpos-de-prova, uma vez que para a compactação seguiuse os padrões descritos anteriormente. Os corpos-de-prova foram secos, decorados e queimados. Adição de resíduo das matérias-primas em massa de monoqueima. A fim de verificar se as matérias-primas que compõem a formulação de massa de monoqueima utilizadas poderiam se apresentar como fonte de materiais orgânicos foi então realizado um estudo de modo a adicionar o resíduo destas na massa de monoqueima, para isso seguiu-se o procedimento laboratorial descrito em seguida. Tabela 1: Composição da Massa de Monoqueima Matéria-Prima Percentual (%) Anortosito Argilito 1 5 26 Argilito 2 23 Argilito 3 7 Argila 30 Caulim Talco Composto de Monoqueima Fonte: Autor, 2010 5 4 7 Sendo que o composto de monoqueima são os retornos do processo (quebras de biscoitos crus, bolachas do filtro-prensa, entre outros) inseridos novamente na massa. Essas amostras passaram por um britador de mandíbulas no caso de argilitos, e em seguida em um moinho de martelos para reduzir ainda mais a granulometria das amostras. O material resultante de cada matéria-prima foi de 6,5 kg. A moagem ocorreu em moinho revestido de alta alumina, para evitar possíveis contaminações de borracha durante a moagem. A proporção de água e sólidos foi de 60/40, já que não havia a utilização de aditivos químicos para melhorar as características reológicas da suspensão resultante. O tempo de moagem variou conforme o resíduo bruto de cada matéria-prima. Vale ressaltar que o resíduo de moagem não foi controlado, pois o objetivo dessa moagem foi à dispersão da matéria-prima em água, e uma pequena redução da granulometria, para facilitar a identificação de materiais indesejados. Vale ressaltar que a cada moagem o moinho era devidamente lavado, retirados os elementos mascinantes e lavado com alumina na malha 325µm, para não interferir nos resultados. Essa etapa foi realizada duas vezes para a confirmação do resultado, com amostras de lotes diferentes de matéria-prima. Tabela 2: tempo de moagem das matérias-primas. Matéria-Prima 1º Moagem 2º Moagem Argilitos 1h 1h Anortosito 2h e 15 min 2h e 15 min Composto 1h 1h Talco 30 min 30 min Caulim 40 min 40 min Caulim 15 min 15 min Fonte: Autor, 2010 Peneiramento da barbotina, após a moagem a barbotina cerâmica foi peneirada com água em uma peneira de malha (212µm), a fim de encontrar possíveis fontes de material orgânico. O material retido foi seco em estufa laboratorial. Prensagem de corpos-de-prova com resíduo, o resíduo de cada matéria-prima foi semeado em meio a dois corpos-de-prova. Sendo assim para cada 200 gramas de pó atomizado retido na peneira de 106µm, foi colocado 1g de resíduo de determinada matéria-prima. Estudo da partícula da borracha, sabendo que a borracha é grande fonte de matéria orgânica que provoca a bola de massa, e esta pode ser encontrado facilmente retido nas malhas das peneiras da central de massa, uma vez também que o revestimento do moinho é borracha, foi então realizado um estudo para verificar qual o tamanho da partícula de borracha que pode provoca o defeito. Para isso foi então coletada a borracha proveniente do revestimento do moinho de bolas, que foi picada com auxílio de um estilete até atingir um tamanho desejado. Em seguida as partículas de borracha foram agitadas com água em um moinho gira - rápido com bolas de alta alumina, e em seguida foi feita a distribuição de tamanho/ Peneiramento nas malhas 12, 20, 35, 50, 60, 70 e 80µm, sendo que na malha 12µm não ficou retida borracha. As partículas de borracha retidos nas malhas foram secas separadamente ao ar livre. Foram introduzidas três partículas de cada tamanho no centro dos corpos de prova separadamente. Estudo da granulometria do pó atomizado contaminado por óleo foi realizado um estudo de mesmas características com o óleo (grande fonte de matéria orgânica) de modo que foram introduzidos nos corpos-de-prova grânulos contaminados por óleo encontrados no secador, de maneira que estes grânulos passaram por uma distribuição granulométrica nas malhas 12, 20,35 e 50µm, sendo estas separadamente introduzidas nos corpos-de-prova. Estudo da curva de queima, uma vez que com os estudos realizados não se obteve uma origem exata do defeito, partiu-se então para o estudo de uma curva de queima do processo de monoqueima para eliminar de vez o defeito de modo a ajustá-la na zona de aquecimento. Para isso inicialmente foram verificadas duas curvas de queima das unidades da empresa do ramo cerâmico da região sul Unidade II (onde não apresenta o defeito) e outra da Unidade I a fim de fazer uma comparação entre ambas. O estudo posterior foi de verificar o aparecimento da “bola de massa” nos corpos-deprova com óleo e borracha no seu interior, ao permanecerem por mais tempo nas temperaturas de 700, 800 e 900° C, para assim determinar a temperatura de decomposição dos compostos orgânicos ideal para a total desgaseificação dos mesmos. Para isso inicialmente verificou-se a curva de queima apresentada pelo forno um da unidade I o qual foi utilizado para o teste, a fim de verificar o tempo que o mesmo levava para alcançar cada uma das temperaturas a serem estudadas. Como metodologia adotada foi colocada pelo lado de fora do forno apoiada sobre os rolos um “filete” de uma peça de bitola 31x31, e disparado o cronômetro para verificar o tempo em que a peça passou por cada termopar. Em seguida foram coletadas as respectivas temperaturas registradas por cada termopar e montada a curva de queima do forno um. Para realização da prova da curva de queima foi estabelecida a mesma metodologia utilizada anteriormente, assim no momento que o mesmo atingisse a temperatura estabelecida o forno parou por cerca de 6 minutos (tempo estabelecido). Prensou-se novos corpos-de-prova, com inclusões de óleo (através de grânulos contaminados encontrados na prensa) este com granulometrias conhecidas de 12<20µm e 20<35µm, e borracha com partícula de 20<35µm e 35<50µm; sendo que estes tamanhos foram selecionadas uma vez que após a queima dos corpos-deprova que continham as mesmas em testes anteriores, houve o aparecimento de “bola de massa”. Estes corpos-de-prova foram secos e engobados/esmaltados segundo as condições estabelecidas como padrão. Sendo que para a prova foram preparados 2 corpos-de-prova de cada granulometria para cada temperatura. Foi colocada inicialmente no forno uma placa refratária com os corpos-de-prova com os respectivos contaminantes e granulometrias segundo a curva de queima normal a fim de estes servirem de padrão a ser comparado com os testes posteriormente. Com isso pode-se então colocar a primeira placa refratária com os corpos-de-prova acompanhada pelo lado de fora pelo filete (sendo que esta iria parar em 900° C) e ao mesmo tempo disparado o cronômetro. Uma vez que para o teste foi utilizado o forno industrial em produção, buscou-se evitar perdas na produtividade, para isso foi calculado o intervalo apresentado pelo forno entre as temperaturas para estudo, sendo este de 45 segundos. Então após 45 segundos foi colocada a segunda placa refratária (800°C), e por fim, após 45 segundos a última placa refratária (700°C) com os corpos-de-prova. Desse modo então quando a primeira placa atingiu 900°C e conseqüentemente o forno parou por 6 minutos, a segunda placa parou em 800 °C e a terceira em 700°C. Após o tempo da parada as placas completaram a etapa de queima que foi acompanhada e cronometrada. 4. Resultados e Discussões Desse modo constatou-se que o defeito é proveniente com maior freqüência de grânulos grossos, o que implicou num estudo mais detalhado sobre o mesmo. Com intuito de verificar se algum grânulo grosso em específico poderia estar provocando o defeito, foram separados os grânulos estranhos analisados visualmente presentes na amostra de grânulos grossos, classificados de acordo com seu formato, textura e cor. Em seguida estes foram introduzidos separadamente dentro dos corpos-deprova, em condições de compactação semelhantes à descrita anteriormente, uma vez que para introduzir os grânulos estranhos, foram depositados 50g de pó fino na cavidade da prensa, em seguida introduzido o grânulo e por fim adicionado os 50 g restantes de pó fino. Após a queima pode-se descartar a hipótese de que um dos grânulos separados em específico poderia estar causando o defeito, uma vez que não houve o aparecimento do mesmo em nenhum dos corpos-de-prova. Como não foi encontrada nenhuma origem suspeita no pó atomizado passou-se então para o estudo e análise da barbotina, através do peneiramento da mesma após já ter passado pelo peneiramento no processo, com a finalidade de verificar se poderia estar passando alguma partícula causando o defeito. Peneiramento da barbotina. Verificou-se a presença de diversa partícula grossa que não deveriam ter passado pelas malhas das peneiras da central de massa, além da presença de uma grande porção de “fios” de madeira em ambas as peneiras e em especial uma partícula de borracha retida na malha 60µm proveniente da amostra de barbotina coleta antes de passar pela etapa de peneiramento. Pode-se observar o aparecimento de “bola de massa” nos corpos-de-prova que continham fios de madeira separados, fios de madeira aglomerado e a partícula de borracha, sendo que este último apresentou característica e proporção semelhante à bola de massa que aparece na unidade fabril. Tendo então verificado que a madeira pode provocar o defeito, foi realizado um estudo para quantificar a quantidade de fios de madeiras que poderiam provocar a bola de massa, de modo que foi introduzido no centro de corpos-de-prova separadamente 1, 3, 6,15 e mais de 15 fios de madeira. Sendo que estes foram secos, decorados e queimados. Após a etapa de queima pode-se verificar que a partir de 6 fios de madeira, pode-se formar o defeito, este percebido na superfície do corpo-de-prova, sendo que de 15 ou mais o defeito apareceu em proporções maiores. Contudo pode-se verificar que para a formação da bola de massa é necessário um grande aglomerado de fios de madeira. Adição de resíduo das matérias-primas em massa de monoqueima Após a queima pode-se verificar o aparecimento do defeito em grande maioria das matérias-primas. Na tabela abaixo, estão descritas as matérias-primas que apresentaram o defeito bola de massa nos corpos-de-prova. Vale ressaltar que o formato do defeito variou na maioria das matérias-primas de uma moagem para a outra. Tabela 3 – Incidência do defeito nos corpos-de-prova Matéria-prima 1º Moagem 2º Moagem Caulim Anortosito Não Apresentou Apresentou Apresentou Apresentou Argilito 3 Apresentou Apresentou Composto Não realizado Apresentou Argilito 2 Argilito1 Argilito Apresentou Apresentou Apresentou Apresentou Apresentou Apresentou Talco Não Apresentou Não Apresentou Fonte: Autor, 2010 Estudo de tamanho da borracha, após a etapa de queima pode-se verificar o aparecimento do defeito nas partículas retidas nas malhas 20,35 e 50µm; nas demais não houve o aparecimento do defeito. Estudo da granulometria do pó contaminado por óleo, após a queima dos corpos-deprova pode-se verificar que as granulometrias que apresentaram o defeito foram: 12<20µm e 20<35µm, sendo estas utilizadas para posteriores estudos. Peneiramento do pó atomizado e barbotina - Central de massa. Com esse estudo pode-se verificar que a eficiência do peneiramento está muito ruim, o que facilita a passagem de grumos contaminados que provocam o defeito. Mostrando assim a necessidade de um controle mais rígido do peneiramento e o aumento da eficiência do mesmo. Analisando as curvas de queima das unidades II e I na figura 1, pode-se observar que na unidade II permanece por mais tempo nas temperaturas de 600-900°C, sendo que é neste intervalo que ocorrem as desgaseificações da matéria orgânica, e conseqüentemente com uma maior permanência nesse patamar de temperatura maior é a liberação da matéria orgânica dificultando o aparecimento do defeito. Uma vez que o esmalte irá “selar” mais tarde e toda a matéria-orgânica foi liberada. A curva de queima empregada pela unidade I apresenta um curto intervalo entre 600900°C, o que dificulta a total liberação da matéria orgânica de modo que a fusão do esmalte ocorrerá mais cedo, com isso ainda haverá gases provenientes da matéria orgânica tentando sair para atmosfera o que provocará a deformação da peça e o aparecimento do defeito. Figura 1: Curvas de queima - Unidade II e I Fonte: Autor, 2010 Após analisadas as curvas de queima partiu-se para a próxima etapa que compreendeu na busca por uma curva ideal para unidade I. A curva de queima obtida para o posterior estudo apresentada pelo forno um da unidade I, segue na tabela abaixo, com as respectivas temperaturas e o tempo. Estas condições de queima foram utilizadas para a prova industrial Tabela 4: Dados curva de queima forno 1 - Unidade I Módulo 9 13 15 17 19 21 23 25 27 29 32 Tempo (min.) 6,15 9,18 10,46 12,09 13,42 15,11 16,45 18,19 - Term. Inferior Temperatura (°C) Tempo (min.) 410 730 900 910 1031 13,42 1145 15,03 1160 16,42 1126 18,15 19,5 21,47 23,4 Tempo Total: 31 min.55 s Term. Superior Temperatura (°C) 1024 1134 1134 1090 680 - Fonte: Autor, 2010 Após a queima pode-se então verificar que os corpos-de-prova que pararam por 6 minutos em 700°C e 800 °C apresentaram o defeito na granulometria de 12<20µm do óleo, as demais não. Já na temperatura de 900 ° C nenhum corpo-de-prova apresentou o defeito, o que pode ser observado nas figuras que seguem. Sendo este patamar de temperatura capaz de permitir a liberação total dos gases provenientes da matéria orgânica sem que estes venham a causar deformações da peça e originem o defeito, desde contaminações com maiores e menores dimensões. Borracha Óleo Tamanho Malha 12<20µm Malha 20<35µm Malha 20<35µm Malha 35<50µm Figura 2: Aparecimento de Bola de Massa de 6 minutos em 700, 800 e 900°C x Curva Normal de Queima. Fonte: Autor, 2010 Figura 3: Curva de queima Normal x Teste (6 minutos em 900°C) Fonte: Autor, 2010 5. Considerações Finais Pôde-se verificar que o defeito “bola de massa” ocorre com maior freqüência nos tamanhos grossos do pó, isto serve de alerta uma vez que foi provado que o peneiramento da barbotina não é eficiente, permitindo assim a passagem de partículas grossas que podem ser contaminantes. Como medidas preventivas para a eliminação do problema, estariam o controle sobre todas as fontes de matéria-orgânica (óleo, borracha), com potencialidade de introduzir estes elementos em meio à massa, antes da prensagem. Os defeitos causados pela mesma podem ser evitados, através das peneiras que controlam a granulometria da massa. Porém, mesmo com a realização dos controles acima descritos não é suficiente para solucionar o problema, resta como uma das alternativas, ampliarem o ciclo de queima ou alterar a curva de queima, uma vez que através da prova industrial realizada o aumento da curva de queima em 6 minutos na temperatura de 900°C elimina totalmente o defeito ou também modificar a composição da massa de monoqueima através da adição de matérias-primas com baixo teor de ferro ou/e matérias-primas que facilitem a desgaseificação da matéria orgânica, sabendo que essas apresentam maiores custos o que torna o emprego das mesmas inviável. Referências Bibliográficas ANTONIO BARBA, A., FELIU, C., GARCIA, J., GINÉS. F., SÁNCHEZ, E., SANZ, V. Materiais primas para La fabricación de Soportes de baldosas Cerâmicas.Castellón:ITC- AIC, 1997. Biffi, G,; Defeitos de fabricação das placas cerâmicas. Rio claro,SP: Faenza Editrice, 2000. BOSHI, Anselmo Ortega., Melchiades Fábio G e Teixeira, Renata A.; Estudo do Defeito Denominado “Verruga” em Revestimentos Cerâmicos. Cerâmica Industrial. Volume 2- Número 5/6 – Setembro/Dezembro – 1997. CAVA. S. ET.ali.; Eliminação do defeito “Turfa” em revestimentos cerâmicos de via seca por meio do controle da atmosfera do forno. Cerâmica Industrial Maio/Junho -2000. Técnicos do centro experimental da SACMI- Imola; Defeitos de revestimentos cerâmicos como uma conseqüência da má regulagem do forno. Cerâmica Industrial (01/02) Janeiro/Abril- 1997.