Desenvolvimento de espumas de casca cerâmica obtidas por espumação direta e gelcasting para produção de queimadores porosos radiantes

Abstract

Neste trabalho, espumas cerâmicas obtidas a partir de fonte alternativa de matéria-prima (casca cerâmica) foram processadas por meio de espumação direta e gelcasting de proteínas. A casca cerâmica, resíduo sólido industrial gerado no processo de fundição de precisão, apresenta características muito interessantes e adequadas à produção de materiais celulares para aplicações à altas temperaturas (> 1400 °C). Assim, este resíduo foi triturado e moído (d50 < 2 µm) e, então, caracterizado do ponto de vista de suas propriedades físicas, químicas, estruturais e morfológicas. Subsequentemente, as espumas no estado líquido foram otimizadas por meio de parâmetros da suspensão (pH, concentração de dispersante e de sólidos), de espumação (tensoativo e velocidade de rotação), e também com relação a temperatura de geleificação. Após a preparação, as espumas no estado líquido contendo 35% em volume de sólidos e agitadas a 500 rpm, foram geleificadas a 80 °C (2 h 30 min), secas em temperatura ambiente e submetidas a um processo de queima a 1550 °C (2 h, 2 °C/min taxa de aquecimento) e, então caracterizadas. Posteriormente, as espumas de casca cerâmica produzidas foram testadas em operação como queimadores porosos radiantes (bancada experimental). Os resultados mostraram que é possível obter espumas de casca cerâmica (98% em volume de mulita) com porosidades superiores a 80%, caracterizadas por uma rede de poros esféricos e altamente interconectados, com tamanhos variando entre 60 e 1700 µm, resistência à compressão de 0,9 ± 0,2 MPa, condutividade térmica variando entre 0,2014 ± 0,0004 e 0,2181 ± 0,0005 W/m.K, coeficientes de permeabilidade Darciana (k1) e não-Darciana (k2) de, respectivamente, 1,32 a 1,83 x 10-9 m2 e 8,34 a 22,46 x 10-5 m. Estes últimos resultados indicam que as espumas de casca cerâmica produzidas apresentam-se em uma faixa de permeabilidade típica de espumas de réplica polimérica e, portanto, são adequadas para a aplicação em queimadores porosos radiantes. O potencial de aplicação dos queimadores porosos produzidos incluem diversos processos industriais, tais como cozimento de alimentos, têmpera de vidros e tratamento térmico de metais, pois operaram em condições semelhantes aos queimadores convencionais, além de resistirem aos ciclos térmicos e às temperaturas impostas, apresentando potência térmica específica entre 0,47 e 4,01 kW/m2, limite inferior de inflamabilidade em F= 0,7 (uch = 20,6 cm/s), temperatura de superfície em torno de 224 °C e 898 °C (medida por meio de uma câmera de termografia a infravermelho) e eficiência de radiação máxima de aproximadamente 24,5%.<br>

Abstract : In this work, ceramic foams obtained from an alternative source of raw material (ceramic shell) were processed by direct foaming and gelcasting of proteins. The ceramic shell, industrial solid waste generated in the process of precision casting, has very interesting and shows suitable characteristics for the manufacturing of cellular materials in applications involving high temperatures (> 1400 °C). Thus, this waste was crushed and milled (d50 < 2 µm) and, then, characterized from the point of view of their physical, chemical, structural and morphological properties. Subsequently, the wet foams were optimized by means of suspension parameters (pH, dispersant and solids concentration), foaming (tensoactive and stirring velocity) and also according to the gelling temperature. After preparation, the wet foams containing 35 vol.% of solids and stirred at 500 rpm were gelled at 80 °C (2 h 30 min), dried at room temperature and subjected to a fired process at 1550 °C (2 h, 2 °C/min heating rate) and, then they were characterized. Last but not least, the produced ceramic shell foams were tested in operation as radiant porous burners (experimental bench). The results showed that it is possible to obtain ceramic shell foams (98 vol.% of mullite) with porosities higher than 80%, characterized by a network of spherical pores and highly interconnected, with sizes ranging from 60 to 1700 µm, compressive strength of 0.9 ± 0.2 MPa, thermal conductivity between 0.2014 ± 0.0004 and 0.2181 ± 0.0005 W/m.K, Darcian (k1) and non-Darcian (k2) permeability coefficients of, respectively, from 1.32 to 1.83 x 10-9 m2 and from 8.34 to 22.46 x 10-5 m. These last results indicate that the produced ceramic shell foams are in a typical permeability range for ceramic foams obtained by the replication method and, therefore, are suitable for radiant porous burners applications. The application potential of the produced porous burners including various industrial processes, such as cooking food, glass tempering and metal heat-treatments, because they operated in conditions similar to conventional burners. Moreover, they showed good thermal shock resistance since they resisted to the thermal cycles and the imposed temperatures, presenting specific thermal power between 0.47 and 4.01 kW/m2, lower flammability limit in F= 0.7 (uch = 20.6 cm/s), surface temperature around 224 °C e 898 °C (measured through infrared thermography camera) and maximum radiation efficiency of approximately 24.5%.