Influência das variáveis do processo de secagem de isoladores elétricos de porcelana na produtividade e incidência de defeitos

Abstract

Os isoladores elétricos são produtos de elevada demanda no mundo inteiro, promovendo o transporte de energia elétrica com segurança desde a geração até a distribuição para os setores doméstico, industrial e comercial. As boas propriedades mecânicas e elétricas, aliadas ao custo relativamente baixo das matérias-primas e de processamento, fazem da porcelana um excelente material para a fabricação de isoladores elétricos. A norma IEC 60672-3 divide as porcelanas elétricas em quartzosas, aluminosas e de alta alumina, correspondendo às classes C110, C120 e C130, respectivamente. Neste trabalho, a classe de porcelana elétrica utilizada na moldagem dos isoladores elétricos tipo pilar foi a C110. No processamento destes produtos é comum ocorrer defeitos como trincas e empenamento, principalmente na etapa da secagem, quando ocorre a remoção da água remanescente da etapa de moldagem. Muitos destes defeitos são detectáveis somente após a etapa de queima do produto, por meio da análise visual, ensaios mecânicos, elétricos e térmicos. A presença de uma trinca compromete as propriedades dos isoladores elétricos por exemplo resistência mecânica, rigidez dielétrica e resistência ao choque térmico. Durante a secagem dos tarugos de porcelana ocorre retração da peça. Esta etapa em condições inadequadas pode tanto gerar tensões internas que podem levar ao aparecimento de defeitos, quanto não eliminar toda umidade necessária para que a peça cerâmica avance no processo produtivo sem o risco de aparecimento de defeitos nas etapas subsequentes. Etapas preliminares à secagem, como a preparação da massa cerâmica e a extrusão, também podem contribuir para a geração desses defeitos, caso não estejam devidamente ajustadas. Portanto, o estudo aqui proposto visa à análise das variáveis do processo de secagem e sua influência no surgimento de defeitos. Além disso, foram monitoradas as variáveis relacionadas aos processos anteriores à secagem, garantindo a conformidade com os padrões definidos. Dessa forma, as etapas de preparação das peças conformadas: barbotina (viscosidade e granulometria), saída da massa do filtro prensa (teor de água) e extrusão (dimensão, dureza) foram cuidadosamente controladas. Testes de secagem em laboratório foram realizados em peças extrudadas, visando reproduzir a secagem industrial, por meio de curvas de secagem determinadas pelas condições de temperatura, umidade relativa e tempo. A avaliação da etapa de secagem foi feita mediante a obtenção da curva de Bigot, a qual descreve a evolução da retração de secagem em função da perda de água de conformação. A obtenção desta curva e sua interpretação possibilitou identificar a umidade crítica e, propor mudanças no ciclo de secagem, visando o aumento da produtividade mediante o aumento da taxa de secagem quando a umidade e retração são suficientemente baixos. Dessa forma, foi possível minimizar o surgimento de tensões internas e a geração de defeitos nas peças. Entre os ciclos de secagem realizados, o ciclo S1 alcançou os objetivos deste trabalho, promovendo um ciclo de secagem com um leadtime 5,55% menor que o leadtime atual para a produção de um isolador elétrico do tipo pilar, além de uma redução de 33,3% no consumo de gás natural dos fornos industriais de secagem por convecção.

The electrical insulators are high demand products arround the world, promoting the transporto f electrical energy with security since the Generation until the distribution for domestic, manufacturing and comercial sectors. The good mechanical and electrical Properties, asssociate with low relatively cost of raw materials and processing, makes porcelain an excellent material for the manufacture of electrical insulators. The IEC 60672-3 standard devides the electrical porcelains into quartzoses, aluminous and high alumina, corresponding to classes C110, C120 e C130, respectively. In this job, the class of electrical porcelain in molding of pillar type electrical insulators was the C110. At the processing of this products it is common to happen defects such as cracks and warpage, mainly in the drying stage, that is the stage in which happens the remaining water removal of the molding stage. A lot of this defects are perceptible only after the product firing stage, through visual analysis, mechanical, electrical and thermal tests.The presence of a crack compromises the proprieties of electrical insulators for example mechanical strength, dielectric strength and thermal shock resistance. During the drying of porcelain billets happens shrinkage in the part. This stage at the inadequate conditions can both generate internal tensions that can lead to appearing of defects and not eliminate all moisture necessary for the ceramic part to advance at the productive process without the risk of appearing of defects at the subsequent stages. Preliminary stages of drying such as ceramic mass preparing and extrusion, also can lead to generation of this defects case the process variables not properly adjusted. Therefore, the study proposed here aims to analysis of the source of defects that arise in the drying stage. Furthermore, variables related to the processes prior to drying were monitored ensuring the conformitie with defined standards. That way, the molded parts preparing stages: slip (viscosity and granulometry), mass output of filter prass (moisture content) and extrusion (size and hardness) were carefully controlled. Laboratory drying tests were carried out in the extruded parts aims to reproduce the industrial drying through determined drying curves by temperature, relative moisture and time conditions. The drying stage evaluation was made by obtaining the Bigot curve which describes the drying shrinkage evaluation due to the loss of shaping water. The obtaining of this curve and your interpretation makes it possible to identify the critical moisture and to propose changes in the drying cicle, aiming to productivity increase through the increase of drying rate When the moisture and shrinkage are low enough. That way, it was possible to minimize the generation of internal tensions and drying defects in the parts. Between the drying cycles carried out, the cycle S1 achieved the objectives of this job, promoting a drying cycle with a leadtime 5,55% lower than the current leadtime for the production of a pillar-type electrical insulator, in addition to a 33.3% reduction at the gas natural consumption of industrial convection drying kilns.