Reduzir os custos de produção de cerâmica com Kinetics Neo
A gerente da área de negócios da NETZSCH, Dra. Elena Moukhina, explica como o software Kinetics Neo ajuda a otimizar os processos de debinding de polímeros e sinterização de cerâmica, economizando tempo e tornando-os eficientes.
Introdução
A produção de cerâmica é um desafio em um mundo de altos preços de energia.
Como reduzir os custos da queima de cerâmica e manter a alta qualidade do produto?
Se uma peça sair do forno com rachaduras e deformações, a maioria dos engenheiros de processo diminuirá as taxas de aquecimento e tornará as isotermas mais longas. Isso acaba resultando em processos de desbobinamento e sinterização muito longos e aumenta drasticamente os custos.
Se as peças saírem do forno com boa qualidade, ninguém mais tocará no processo para descobrir se é possível obter o mesmo resultado em 50% do tempo.
Mas agora temos que fazer isso, porque os preços da energia estão muito altos.
O software NETZSCH Kinetics Neo e os dados da análise térmica lhe dão suporte com uma visão virtual do seu processo dentro do forno. Isso o ajuda a projetar seu processo da melhor forma possível:
- reduzindo o tempo de P&D
- redução do consumo de energia
- reduzindo o número de testes de queima
- redução do refugo
- mantendo a mesma qualidade ou obtendo a melhor
- acelerando o tempo de lançamento no mercado.
Veja como funciona: https://vimeo.com/268580866
Por que a otimização da temperatura da queima de cerâmica é necessária?
Na queima de cerâmica, a qualidade do produto depende do perfil de temperatura, especialmente da taxa de aquecimento. No estágio inicial do processo de aquecimento, geralmente abaixo de 700°C, o aglutinante de polímero é cuidadosamente removido por meio de decomposição térmica. Mas a evolução do gás não deve ser muito intensa para evitar a formação de microfissuras e garantir que a estrutura do material original não seja destruída. Portanto, para obter a melhor qualidade do produto, esse estágio de aquecimento para obter a decomposição do polímero não deve ser realizado muito rapidamente. Por outro lado, um aquecimento excessivamente lento aumenta o tempo do processo, o que pode ser muito caro e ecologicamente incorreto, além de aumentar os custos de produção.
No estágio final do processo de aquecimento, geralmente acima de 700°C, ocorre o processo de sinterização com encolhimento. O aquecimento muito intenso leva à formação de tensões mecânicas e microfissuras. Portanto, para obter a melhor qualidade da cerâmica, esse estágio de aquecimento com encolhimento não deve ser realizado muito rapidamente. Entretanto, o aquecimento muito lento aumenta o tempo do processo e os custos de produção correspondentes.
O principal objetivo é criar um perfil de temperatura ideal com aquecimento equilibrado para garantir a melhor qualidade qualidade do material no tempo mais curto.
O engenheiro de processos pode usar "tentativa e erro" para encontrar programas de queima adequados. Ele tenta fazer justiça a cada processo individual durante o processo de sinterização. Isso leva a longos programas de queima que não correspondem de forma ideal ao curso real do processo de sinterização.
O que posso fazer para encontrar a temperatura ideal para o meu processo de produção?
Em um primeiro momento, faz sentido analisar a desidratação e a desbancarização por termogravimetria. Com esse método, os dados experimentais apresentam as temperaturas em que a amostra perde peso, o que nos diz: "Algo sai do material". Se você não observar mais perdas de massa, pode presumir que a desidratação foi concluída.
Em uma segunda etapa, o material deve ser caracterizado com a ajuda da Dilatometria. Esse método de medição mostra onde a sinterização começa e em quais temperaturas ocorrem as etapas de sinterização. Por fim, se não houver mais encolhimento, a sinterização está concluída. A execução de ambos os testes sob diferentes taxas de aquecimento mostra como os processos dependem da velocidade.
Para a otimização do perfil de queima, pode ser usado o software Kinetics Neo. Ele pode analisar os dados de termogravimetria e dilatometria e, em seguida, simular a desbobinagem e a sinterização para qualquer perfil de temperatura.
Etapas de otimização
- Medições termogravimétricas com diferentes taxas de aquecimento abaixo de 700°C para desbaste
- Análise cinética das medições termogravimétricas e criação de um Modelo cinéticoModelo cinético é o termo geral que contém o esquema (estrutura) das etapas individuais de reação em uma reação química de várias etapas, tipos de reação e parâmetros cinéticos dessas etapas.modelo cinético para a desbobinagem
- Otimização do perfil de temperatura abaixo de 700°C para obter uma taxa de perda de massa próxima a um valor constante.
- Medições de dilatômetro com diferentes taxas de aquecimento acima de 700°C para sinterização
- Análise cinética das medições do dilatômetro e criação de um modelo cinético para sinterização
- Otimização do perfil de temperatura acima de 700°C para obter uma taxa de encolhimento próxima do valor constante.
- Validar o perfil completo de temperatura, primeiro em laboratório e depois em condições industriais.
Kinetics Neo: Análise cinética
Se os dados, que foram medidos sob diferentes taxas de aquecimento, forem carregados no software de simulação Kinetics Neo, a cinética da reação poderá ser modelada matematicamente. O que se obtém é um modelo de simulação que descreve de forma confiável os processos dependentes da temperatura e do tempo em seu material.
Fig. 1: Curvas de sinterização e ajuste do modelo em Kinetics Neo para taxas de aquecimento constantes
A Figura 1 mostra as curvas do dilatômetro e o cálculo de ajuste do modelo cinético de três etapas. A Figura 2 contém os mesmos dados e modelo para a taxa de conversão. Os picos nessas curvas apresentam os pontos críticos com encolhimento intenso, onde podem ocorrer mini-rachaduras.
Fig. 2: Taxas de conversão em %/min - isso mostra as áreas em que a sinterização é muito intensa e, portanto, onde podem ocorrer rachaduras ou deformações.
Kinetics Neo: Simulação e otimização
A simulação do processo de sinterização para o perfil de temperatura com três segmentos (aquecimento, isotérmico, aquecimento) está apresentada na Figura 3.
Com esse modelo, agora você pode simular qualquer programa de queima e o efeito em seu processo de sinterização apenas alterando a temperatura no software.
Fig. 3: Simulação de uma curva de sinterização com um determinado programa de queima
Com relação às taxas de conversão em cada etapa de sinterização, você pode otimizar seu programa de queima diretamente no software e ver como a alteração do programa afetará o processo de sinterização e as taxas de conversão de cada etapa. Taxas de conversão muito altas podem causar rachaduras ou deformações em suas peças. O modelo para as taxas de conversão pode ser visto na figura, com base em diferentes taxas de aquecimento. O desafio é descobrir qual será a taxa de conversão máxima sem comprometer a qualidade. Ao lado de programas de sinterização mais complexos, a primeira etapa mais fácil é simular com uma taxa de conversão constante - o que você obtém como resultado é a curva de temperatura:
Fig. 4: Curva de temperatura modelada com base em uma taxa de conversão de 0,5%/min
A curva é o perfil de temperatura ideal para a mudança de comprimento constante.
Entretanto, para as condições reais, muitas vezes é necessário ter um programa de temperatura que consista em vários segmentos de temperatura com taxa de aquecimento constante.
No software, existe a possibilidade de criar um programa desse tipo com um determinado número de etapas de temperatura e ver a previsão para essas etapas:
O perfil de temperatura "Real", que consiste em etapas de temperatura com taxa de aquecimento constante, pode ser exportado para o arquivo de texto. Mais informações sobre essa funcionalidade.
Com a otimização do seu processo de desbobinamento e sinterização em relação às taxas máximas de conversão e à capacidade do seu forno em termos de taxas de aquecimento e resfriamento, você chegará perto do ideal com a modelagem do seu programa de queima no software. Com o Kinetics Neo Simulation, você chegará mais rápido ao ideal!
Exemplo da vida real: Otimização da produção de cerâmica na indústria
A empresa alemã Haldenwanger produz um amplo espectro de materiais cerâmicos para diferentes finalidades. Ela desenvolve continuamente novos materiais cerâmicos com melhores propriedades físicas.
O novo material cerâmico HALOFOAM ALUMINATM tem excelentes propriedades físicas, mas a qualidade final dessa espuma cerâmica é altamente sensível às taxas de temperatura de queima. A diminuição da velocidade de aquecimento leva à qualidade perfeita, mas tem um tempo de produção muito longo e custos de produção muito altos.
Portanto, o processo de queima dessa produção cerâmica exige a otimização do perfil de temperatura e das taxas de aquecimento. Entretanto, o método experimental de "tentativa e erro" não funciona aqui, porque cada ciclo de produção dura muitos dias na câmara de queima e tem custos elevados.
A otimização do perfil de temperatura foi feita no software Kinetics Neo.
Esse processo continha duas partes: desbobinamento e, em seguida, sinterização.
As medições para debinding com diferentes taxas de aquecimento foram feitas no STA 449 F1 no laboratório da NETZSCH. Em seguida, foi criado o modelo cinético para o processo de debinding e as temperaturas abaixo de 700°C somente para debinding foram otimizadas no Kinetics Neo.
As medições de encolhimento durante a sinterização também foram realizadas em um dilatômetro no laboratório da NETZSCH. O segundo modelo cinético para sinterização e, em seguida, a otimização das temperaturas acima de 700°C somente para sinterização foram feitos novamente no Kinetics Neo.
A otimização total do perfil de temperatura foi realizada para ambas as peças e o tempo de produção foi reduzido em mais de 50%.
