Método alternativo baseado em radiação de micro-ondas para processamento térmico de materiais

Abstract

Esta tese versa sobre a utilização de micro-ondas como fonte de energia para cozer materiais cerâmicos, como porcelana e grés. Foram realizados estudos experimentais e de simulação com o intuito de estudar a forma como a radiação de micro-ondas interage com esses materiais, e em que medida afeta ou condiciona as suas propriedades finais. Os estudos realizados conduziram à construção e otimização de um forno de micro-ondas com uma potência nominal de 5400 W. No geral, as peças de porcelana e de grés cozidas neste forno apresentam propriedades (absorção de água, resistência ao impacto, densidade, porosidade, retração e defeitos estruturais) similares ou melhores que as das peças cozidas convencionalmente (gás ou elétrico). Comparativamente aos processos de cozedura convencionais, foram alcançadas propriedades equivalentes ou mesmo melhores para temperaturas de processamento inferiores em 50 °C a 100 °C. Também se observou a ocorrência de transformações cristaloquímicas a temperaturas inferiores, ocorrendo de forma mais acentuada e rápida pela ação das micro-ondas. A desidroxilação da caulinite é o caso mais paradigmático. É, no entanto, de referir que o efeito não térmico das micro-ondas nos materiais estudados (quando densificados) estará relacionado com uma leitura menos exata da temperatura na peça. A redução de temperatura a ser efetiva, é devida ao aquecimento mais homogéneo promovido pelas micro-ondas, com as transformações a ocorrerem também volumétrica e expeditamente; consequentemente, as temperaturas e ciclos de cozedura destes materiais são inferiores aos requerido quando cozidos convencionalmente. O trabalho culminou no forno túnel desenvolvido no âmbito dos projetos Greenware e CerWave, tendo-se construído um forno túnel (protótipo) que utiliza a tecnologia de cozedura a gás assistida com radiação de micro-ondas, alcançando-se uma redução do consumo específico de energia de cerca de 15%, relativamente à cozedura convencional.

This thesis deals with the use of microwave radiation as energy source to firing ceramic materials such as porcelain and stoneware. Experimental and simulation studies were conducted for a better understanding on how the microwave radiation interacts with these materials, and to which extent it affects or conditions their final properties. Studies carried out led to the construction and optimization of a 6 magnetrons lab microwave furnace with 5400 W overall nominal power. In general, the microwave fired porcelain and stoneware have similar or better properties than those of the conventionally fired porcelain and stoneware. Properties as water absorption, impact resistance, density, porosity, shrinkage and structural defects were analyzed. It was observed that microwave firing requires temperatures 50 ºC to 100 ºC lower than the conventional firing. When comparing with conventional firing, microwave firing leads to complete crystallochemical transformations at lower temperatures, which occur almost instantaneously. One of the most relevant transformations with these characteristics is the kaolinite dehydroxylation. It is noted that the microwave non-thermal effect on the studied densified materials can be related with a lower accuracy of the firing temperature measurement. The lower temperature required by the microwave firing is mainly due to the more homogeneous and volumetric heating promoted by the microwave radiation, heat being released in the interior of the parts. In this way, mineralogical transformations occur also volumetrically, requiring lower temperatures and shorter processing cycles to obtain products with similar properties of those conventionally fired. The work culminated on the prototype of a tunnel kiln, developed under the Greenware and CerWave universitycompany projects. It was found that the microwave assisted gas firing technology can reduce the specific energy consumption by 15%.