Elaborarea de Flux Tehnologic și Predimensionarea Echipamentelor Pentru Obținerea de Plăci Ceramice cu Proprietăți Antibacteriene

Introducere

Y2SiO5 este cunoscut în literatură sub denumirea de ortosilicat de ytriu și este la bază un compus cristalin monoclinic, cu proprietăți optice, acesta fiind dopat cu ioni ai pământurilor rare, cum ar fi Pr3+, Eu3+ și Sm3+. În urma unui amplu studiu de literatură s-a constatat că cel mai eficient dopant urmărind proprietățile optice este Eu+.

Nenumărate tehnologii au profitat de pe urma proprietăților optice speciale manifestate de acest compus, ceea ce a dus la creșterea interesului pentru obținerea lui în condiții mai eficiente (financiar), într-o formă îmbunătățită și desigur mai repede.

Obținerea acestor tipuri de materiale este destul de dificil, având mulți factori de influență și foate mulți parametrii tehnologici de luați în calcul, astfel obținerea unor astfel de materiale la scală îndustrială reprezintă o provocare tehnologică și științifică. De asemea obținerea se realizează în mai multe etape tehnologice, pornind de la pregătirea materiilor prime, dozare omogenizare umedă, uscarea și granulare, fasonare și ardere. În urma tratamentului termic se obține un corp ceramic dens, cu bune proprietăți ceramice, dar și proprietăți optice eficiente.

Pentru exemplificare etapele tehnologice care stau la baza obținerii Y2SiO5 sunt redate în figura 1.

Fig. 1. Fluxul tehnologic de obținere și echipamentele necesare obținerii plăcilor ceramice pe bază de YSO

În continuare sunt prezentate principalele etape și echipamente necesare aferente obținerii plăcilor ceramice:

Depozitarea materiilor prime

Transportul materiilor prime;

Dozarea materiilor prime;

Omogenizarea materiilor prime;

Uscarea și granularea amestecului de materii prime;

Fasonarea;

Arderea;

Ambalarea, depozitarea și livrarea produselor ceramice.

Transportul materiilor prime

Instalațiile de trasport se împart în două mari categorii

Transportul exterior (extern)

Transportul interior (intern)

În ceea ce priveste transportul extern, materiile prime necesare se pot aduce cu ajutorul autovehiculelor.

Transportul interior poate fi cu funcționare ciclică, intermitentă sau cu funcționare continuă de aceea, există mai multe variante prin care se poate realiza acest transport, și anume: transportorul cu bandă, cu benzi articulate, cu raclete, cu cupe basculante, transportoare suspendate.

Transportorul cu bandă este unul dintre cele mai folosite transportoare interne de materiale granulare vărsate deoarece prezintă o construcție simplă, are o capacitate mare de transport, o lungime mare și o viteză de peste 6m/s, funcționează liniștit, fără zgomot și are un consum de energie relativ mic.

Transportorul cu benzi articulate este alcătuit din plăci din tablă de oțel susținute de două lanțuri de tracțiune și de role.

Transportorul cu raclete este format dintr-un jgheab lung în care se află organul de tracțiune (lanțul) pe care sunt fixate racletele. Față de celelalte două, acest tip de transportor prezintă un grad de uzură accentuată, dar și un consum mare de energie datorită frecarilor.[]

Depozitarea materiilor prime

Conform fluxului tehnologic, materiile prime sunt depozitate în buncăre și silozuri, acestea având diverse capacități de stocare, funcție de materialul depozitat. Astfel, ele pot varia de la cateva sute de kg la câteva zeci de tone.

Buncărele sunt definite ca recipiente realizate din beton sau metal unde în conformitate cu fig. 6, tg > spre deosebire de silozuri unde tg < fiind ughiul de surpare al materialului, iar be și ce dimensiuni constructive.

De regulă, modul de alimentare este discontinuu, buncărul avand drept scop înmagazinarea unei cantități de material care să asigure necesarul de consum a instalației din aval pană la incărcarea următoare.

Pâlniile sunt elementele de legătură utilizate pentru alimentarea cu material a unui echipament, unde de regulă, înălțimea elementului de legatură este mai mică decât dimensiunile sale transversale. (figura 2)

Fig. 2 Schema pentru definirea buncărelor și silozurilor.

Silozurile sunt definite ca recipiente realizate din beton armat, metal sau în construcție mixtă (corpul din beton armat și zona de evacuare metalică) și care îndeplinesc condiția constructivă : tg < unde: este unghiul de surpare a materialului

h,d – dimensiuni constructive (fig. 2).

Avantajul lor este că ocupă un loc redus, evită prăfuirea, permit mecanizarea completă.

Forma constructivă și dimensiunile silozurilor se stabilesc în funcție de capacitatea de depozitare solicitată, eficiența maximă a spațiului de depozitare, funcționalității și investiția propriu-zisă.

Aceste criterii recomandă atât un raport optim între înălțimea totală a silozului și secțiunea sa, cât și pentru forma fundului de siloz.

Silozurile se echipează cu dispozitive, instalații și posibilități de acces pentru: alimentare, extracție, control, intervenții, preluarea de sub și suprapresiuni, desprăfuire și verificarea stocului momentan.

Silozurile de materii prime și adaosuri se clasifică in funcție de tipul de material și de funcția tehnologică pe care o indeplinesc, astfel:

silozuri pentru materiale granulare

silozuri pentru materiale pulverulente

Alimentarea silozurilor se face în general, cu transportoare cu bandă fixe sau echipate cu cărucior de descărcare mobil, transportoare cu cupe și elevatoare.

Extracția se face în funcție de caracteristicile materialului cu extractoare mobile, cu roată, cu brațe, extractoare cu plăci metalice sau jgheaburi vibratoare.

Nivelul de material conținut în siloz se poate măsura instantaneu sau continuu. Pentru măsurarea nivelului, silozurile se echipează cu indicatoare de nivel pentru maxim, minim sau pentru măsurarea continuă.

Desprufuirea silozurilor se realizează, indeosebi, prin filtre cu saci.

În cazul formării boltirilor și a conglomerărilor de material in silozuri, pentru deblocare se utilizează instalațiile cu aer comprimat de tip tun de aer de același tip cu cele folosite pentru buncăre.[]

Un model constructiv ales pentru depozitarea materiilor prime este ilustrat în figura 3.

Fig. 3 Buncăr de depozitare materiale pulverulente

Din punct de vedere constructiv, se pot predimensiona diferite tipuri de buncăre, dimensiunile lor variind funcție de cantitatea de materie prima depozitată. Deasemenea, se mai ține cont și de condițiile climaterice, distanța de transport a materialelor și de fiabilitatea utilajului de transport. S-a ales o capacitate a buncărului de 16t iar în tabelul 1 sunt reprezentate caracteristicile constucționale. []

Tabel 1 Caracteristicile constructive ale buncărului pentru materii prime pulverulente.

Barbotina rezultată din amestecătorul cu palete este depozitată într-un bazin pentru a face o rezervă de producție, în caz de necesitate. Pentru productivitatea aleasă este necesar un bazin care să asigur cel puțin 10.7 m3 de barbotină fiind cantitatea minim necesară pentru continuarea producției pentru 2 săptămâni. Un model constructiv este ilustrat în figura 4 și caracteristicile contructive ale bazinului ales sunt prezentate în tabelul 2.[]

Apa necesară formării suspensiei în proporția de 45% apă și 55% materii prime este depozitată în rezervoare orizontale cu capacitatea de 6 m3 ilustrte în figura 5 și caracteristicile constructive în tabelul 3, de asemenea apa este filtartă de impurități.

Tabel 3 Caracteristicile constructive ale bazinului pentru depozitarea apei

Dozare

Prin operația de dozare se urmărește în principal atingerea a două scopuri:

Alimentarea utilajelor și instalațiilor de producție cu cantități de materie primă, constante în timp sau reglate corespunzător productivității acestora;

Asigurarea compoziției optime a amestecului de materii prime, supus procesării, astfel încât transformările fizico-chimice care au să conducă la obținerea unor produse de bună calitate.

La alegerea unui utilaj pentru alimentare și dozare trebuie să se țină seama de următorii factori:

procesul de fabricație;

natura și starea materiilor prime supuse operației de dozare;

cantitățile de materiale ce se introduc prin această operație;

precizia operației de alimentare și dozare.

În industrie operația de alimentare și dozare se realizează în două moduri: volumetric și gravimetric.

Dozarea volumetrică

În cazul procesului de dozare volumetrică, se consideră constantă greutatea specifică a materiilor prime sau materialelor introduse în fluxul tehnologic, deci se lucrează cu volumul acestora.

Greutatea specifică a materiilor prime sau materialelor depinde de o serie de factori cum ar fi: granulometrie, umiditate, afânare și deci volumul nu poate reprezenta corespondentul real al cantității, de aici rezultând o oarecare imprecizie a operației de alimentare- dozare.

Deci dozarea volumetrică se utilizează în cazurile în care nu este necesară o precizie mare în dozare.

Dozatoarele volumetrice cele mai des utilizate în industria materialelor oxidice sunt:

dozatoarele cu bandă;

dozatoarele elicoidale;

dozatoarele oscilante și dozatoarele vibratoare.

Toate aceste dozatoare sunt asemănătoare cu transportoarele similare, dar au lungimea mică, ( <2 m) și au posibilitatea acționării lor cu viteză variabilă.

Dozarea gravimetrică

Este de aproape zece ori mai precisă decât cea volumetrică, fapt care se poate argumenta prin:

precizia cântăririi este arătată de precizia unui cântar în condiții statice;

precizia dozării depinde de precizia cântăririi care la rândul ei este influențată de alți factori dinamici cum ar fi: proprietățile celulei de cântărire, sistemul de control automat, echipamente mecanice de alimentare și descărcare ale cântarelor și de transportul materialele;

intervalul cântarului (valoarea pasului sau rezoluție) este cel mai mic increment al afișajului cântarului arătat de indicator;

În aplicațiile industriale cea mai ridicată precizie de cântărire de 0,02% se bazează pe cântare cu cinci mii de intervale.

Precizia cântarului reflectă posibilitatea acestuia de a măsura cât mai corect posibil o anumită masă deoarece rezoluțiile ridicate produc cele mai precise rezultate ale măsurătorilor. []

În prezentul flux poate fii ales un dozator electronic, care are în componență 4 canale vibratoare și 1-4 cupe de cântărire electronică și o capacitate de 20-50 de dozări pe minut. Figura (6). []

Fig. 6 Dozator electronic comercializat de firma micris electric

Omogenizare

Omogenizarea amestecului de materii prime se impune ca o fază tehnologică distinctă și importantă în cadrul fluxului de operații.

Cu cât omogenitatea amestecului este mai ridicată, cu atât procesele termotehnologice la care este supus acesta decurg mai uniform, astfel această caracteristică influențând în mod decisiv calitatea semifabricatelor și a produsului finit. În mod uzual, un amestec pulverulent este considerat omogen atunci când toți componenții lui sunt uniform distribuiți.

Utilajele cele mai folosite pentru amestecarea, omogenizarea și umezirea maselor ceramice sunt malaxoarele. Ele pot fi de două tipuri : malaxoare elicoidale (cu palete) sau cicloidale.

Deasemenea se mai pot folosi și alte utilaje, precum :agitatorul cu elice, cu brațe orizontale.

În cazul de fața, omogenizarea se face în mod discontinuu, lucrandu-se în șarje. Astfel, putem opta pentru utilizarea unui malaxor.[1]

În urmatoare figura (7) este ilustrat un exemplu de malaxor, fiind utilizat în aces flux de producție deoarece prezintă o capacitate de producție apropiată de cea necesară 100 kg/oră.

Acesta are o bună capacitate de omogenizare, o mentenanță ușoară și un volum specific mic, poate fi folosit pentru omogenizarea umedă a unui amestec pulverulent cu o dimensiune medie a particulelor sub 1mm.

Figura 7 Malaxor pentru omogenizarea umedă. []

Bilanț de materiale:

Pentru a forma 61.5 kg barbotină, cantitatea necesară pentru a alimenta atomizorul, avem următoarele date de inițiale:

Umiditatea barbotinei la intrarea în atomizor este de 45%

Compoziția (procentuală) oxidică a amestecului pentru 1kg produs este 0.7661%Y2O3, 0.2030 SiO2, 0.04 Eu2O3.

Tabel 4 Bilanțul de materiale

Uscarea și granularea amestecului de materii prime

Uscarea amestecului de materii prime se face la nivel industrial, și cu o eficiență foarte ridicată cu ajutorul atomizorului, care practic pe lângă faptul că reduce umiditatea materialului de la 40-45% la o umiditate de 1-3%, mai execută alte două procese foarte importante în vederea obținerii unor pulberi omogene înainte de fasonare. Astfel, primul proces care îl execută în timpul uscării este omogenizarea, iar cel de-al doilea proces, granularea. Cel de-al doilea este foarte important, deoarece este strâns legat de obținerea unei omogenități dimensionale.

Atomizorul poate funcționa până la o temperatură de 600°C, dar în cazul de față se folosesc gaze de ardere la o temperatură de 500°C. În continuare este prezentat un medel constructiv de atomizor, urmat apoi de predimensionarea celui folosit în flux.

Pentru proiectarea uscătorului atomizor pentru barbotină ceramică se folosesc următoarele date inițiale:

Părțile componente ale instalației: atomizor, exhaustor, sisteme de despr[fuire.

Producția atomizorului: mi = 61.48 [kg/h] barbotină

Umiditatea inițială a barbotinei ui = 45% ; umiditatea finală a prafului de presare uf =1% (raportate la material umed).

Temperatura barbotinei la intrare în uscător: 20°C. Temperatura gazelor la intrare în uscător 500°C.

Combustibilul folosit: gaze naturale cu 92% CH4; 3.5%C2H6; 1.5% C3H8; 3%N2 și puterea calorifică superioară Hs=40668 KJ/m3N.

Circulația în echicurent; diferența între temperatura gazelor și materialului la ieșirea din uscător: 10°C.

Starea mediului ambiant: 20°C.

Bilanțul de materiale al uscătorului

Productivitatea uscătorului raportată la material anhidru este:

Debitul de apă evaporată este calculat cu relația :

Debitul de material anhidru (praf de uscare 1%) :

Debitul de umiditate reziduală (rămasă în praful de uscare) :

U2 = 0.614

Predimensionarea atomizorului

Pentru predimensionarea uscătorului atomizor se consideră o productivitate specifică e = 12 kg apă evaporată/m3h, ținând seama de caracteristicile produsului și de remperatura gazelor intrate în atomizor (500°C). Volumul util necesar uscătorului este atunci :

Uscătorul atomizor proiectat este un aparat cilindric în partea superioară și conic în cea inferioară. Atât pentru partea cilindrică, cât și pentru cea conică se alege raportul înălțime/diametru H/D = 1. În consecință, volumul aparatului va fi:

Diametrul atomizorului este :

Volumul recalculat cu acest diametru este :

Evaporarea specifică se calculează astfel :

Evaluarea pierderilor de căldură și calculul consumului specific

Corpul atomizorului se execută din tablă de oțel de 8 mm grosime; coeficientul de conducție termică a oțelului este de 50 W/m*K. În exterior, atomizorul este izolat cu un strat de vată minerală de 0.3 m grosime. În exploatare, stratul izolator se impurifică absorbind umiditate și praf. Din acest motiv, calculul pierderilor de căldură se face cu un coeficient de conducție termică a stratului izolator egal cu 0.2 W/m*K. În exterior, stratul de vată minerală este protejat cu tablă de oțel de 2 mm grosime care se vopsește cu vopsea de aluminiu, pentru micșorarea pierderilor de căldură prin radiație. Deoarece grosimea peretelui este mică față de raza sa de curbură, calculul se face cu relațiile pentru un perete plan :

Diametrul exterior al atomizorului este :

Aria suprafeței exterioare a atomizorului este :

În partea plană superioară :

În partea cilindrică (H = 1.911 m)

În partea conică :

Pentru calculul prierderilor de caldură se preupune o temperatură interioară medie a peretelui atomizorului de 170°C în partea plană superioară, 140°C în partea cilindrică și 100°C în partea conică. Calculele sunt presentate în tabelul următor. Temperatura exterioară se presupune inițial, se calculează apoi coeficientul de transfer termic și se verifică temperatura presupusă cu o relație care a fost obținută prin egalarea fluxului termic conductiv prin peretele cuptorului cu cel transmis de la perete spre mediul ambiant prin convecție și radiație.

Tabel 5 Pierderile de căldură

Debitul caloric pierdut în mediul exterior este suma valorilor calculate, deci Qp = 1355.266W sau raportat la debitul de apă evaporată qp = 180.301kJ/kg.

Tabel 6 Efectele termice și căldurile necesare pentru încălzirea materialelor

Astfel consumul specific pe kilogram de produs este suma caldurilor necesare și căldura pierdută pe kg raportată la cantitatea de apă evaporată. [10]

Cs = Qp+Qneces = 1809.321 kJ/kg

Bilanț de materiale

Tabel 7 Bilanț de materiale pentru atomizor

Considerând pierderi de material anhidru în atomizor de 1% se obține o productivitate de 34.14kg/h material pentru presare (U = 1%).

Un exemplu de atomizor este ilustrat în figura 8.

Fig. 8 Atomizor pentru uscarea barbotinei []

Fasonarea

Prin fasonare se urmărește transformarea în corpuri consistente, de forme și dimensiuni diferite, a unor mase solide granulare sau a unor mase lichide (topituri sau barbotine). În acest proiect de diplomă se urmărește obținerea unor plăci ceramice ceramici cu lungimea de 30 mm lațimea 30 mm și înălțimea h = 10 mm.

Astfel, se folosește o presă hidraulică automată de la firma SACMI model PH 690 (figura 8) care cantărește 17 t și exercită o forță de pană la 600 tone forță, cu capacitate de producție de 34 de plăci ceramice pe minut și o și un consum de 190 kw/h, aceasta generează un consum de 91 kJ/kgprodus.

De asemenea, această presă are o pierdere de masă de 1% pe kg produs, astfel considerând și alte pierderi de pe flux presa asigură o productivitate de 9 plăci pe oră cu masă încărcată de 33.165 kg, pentru alimentarea cuptorului.

Arderea

Cuptorul tunel reprezintă cea mai bună soluție pentru realizarea unor cantități mari de produse, ce trebuie arse în condiții specifice. El oferă un gradient de temperatură uniform și un consum de combustibil cu până la 50% mai mic decât celelalte tipuri de cuptoare.

Acest tip de cuptor se folosește la obținerea: plăcilor ceramice, obiectelor sanitare, veselei, materialelor refractare, coloranților, clincherului, țiglelor, cărămizilor, teracotei și ceramicilor tehnice.

Procesele de încălzire cu ajutorul energiei electrice prezintă o serie de avantaje în comparație cu încălzirea cu flacără, justificate astfel:

● Transformarea energiei electrice în căldură nu este legată de modificarea atmosferei din cuptor;

● Spațiul de lucru al cuptorului electric poate fi închis ermetic, încălzirea putându-se face în vid sau în atmosferă controlată;

● Se pot obține temperaturi ridicate ca urmare a concentrării unor surse puternice de căldură în spațiul restrâns;

● Temperatura din cuptor poate fi ușor controlată și se poate menține între anumite limite;

● Repartizarea uniformă a temperaturii în spațiul de lucru;

● Cuptoarele electrice se preteză la automatizare, ceea ce duce la creșterea productivității.

Principalele dezavantaje ale cuptoarelor electrice sunt legate de:

● Costul ridicat al procesului de încălzire, datorat cheltuielilor de investiție și de exploatare;

● Complexitate constructivă;

● Consumuri mari de materiale refractare;

● Necesitatea unui personal de întreținere calificat;

● Costul ridicat al reparațiilor.

Cu toate acestea, numeroasele avantaje pe care le prezintă au permis utilizarea cuptoarelor electrice pentru cele mai delicate procese de sinterizare, cum sunt cele din cadrul ceramicii pentru electronică. Din acest motiv alegerea, proiectarea, construirea și exploatarea instalației de ardere au o mare importanță în obținerea calității dorite a produsului.

Cu toate acestea, numeroasele avantaje pe care le prezintă au permis utilizarea cuptoarelor electrice pentru cele mai delicate procese de sinterizare, cum sunt cele din cadrul ceramicii tehnice . Din acest motiv alegerea, proiectarea, construirea și exploatarea instalației de ardere au o mare importanță în obținerea calității dorite a produsului.[]

În acest sens, pentru exemplificare se prezintă în continuare câteva tipuri constructive de cuptoare microtunel electrice.

Firma (CERIC WISTRA) propune și produce un model de cuptor microtunel electric cu împingere acesta putând fi vizualizat în figura 10. Parametrii constructivi și funcționali ai acestui tip de cuptor sunt redați în tabelul 8. []

Figura 10: Cuptor microtunel electric cu role.

Tabel 8 Parametrii constructivi și funcționali ai cuptorului.

Firma RIEDHAMMER (Riedhammer Gmbh Industrial Kiln Plants), Germania, produce de asemenea cuptoare microtunel electrice, un astfel de cuptor putând fi vizualizat în figura 11.

Figura 11: Cuptor microtunel electric cu împingere.

Parametrii constructivi și funcționali ai acestui tip de cuptor sunt redați în tabelul 8.[]

Tabel 9 Parametrii constructivi și funcționali ai cuptorului.

Y2SiO5 este cunoscut în literatură sub denumirea de ortosilicat de ytriu și este la bază un compus cristalin monoclinic, cu proprietăți optice, acesta fiind dopat cu ioni ai pământurilor rare, cum ar fi Pr3+, Eu3+ și Sm3+

Nenumărate tehnologii au profitat de pe urma proprietăților optice speciale manifestate de acest compus, ceea ce a dus la creșterea interesului pentru obținerea lui în condiții mai eficiente (financiar), într-o formă îmbunătățită și desigur mai repede.

Arderea ceramicilor pe bază de ortosilicat de ytriu (Y2SiO5) se execută în cuptoare tunel electrice, după un ciclu de ardere prezentat în figura 12.

Fig. 12 Curba de ardere a ceramicii pe baza de Y2SiO5

Predimensionarea cuptorului

Pentru predimensionarea cuptorului tunel se pleacă de la următoarele date inițiale:

1. Produsul ars în cuptor – piese ceramice YSO având dimensiunile:

-înălțimea: h = 10 mm;

-lățimea = lungimea: l = 300 mm;

2. Capacitatea de producție: 500 t/an;

3. Timpul de ardere : 9,81 ore;

4. Indicele extensiv de funcționare a cuptorului: 8400 ore/an;

5. Cantitatea de rebuturi: 1%.

Piesele ceramice YSO se introduc în cuptor așezați pe suport din zirconă prezentate în figura 13(a). Într-un suport vor fi așezate 9 piese ceramice YSO după modelul prezentat în figura 13(b).

Fig. 13. a) Schița specifică unui suport; b) Modul de așezare al pieselor pe suport.

Volumul util al cuptorului se determină cu ajutorul relației:

[m3], (1)

în care: P = producția anuală a cuptorului, în t/an;

t = durata ciclului de ardere, în ore;

G = densitatea de asezare a încărcăturii pe suport, în t/m3;

ta = indicele extensiv de funcționare a cuptorului, în ore/an;

m = cantitatea de rebuturi în timpul arderii, în %.

Dimensiunile unui suport fiind stabilite, se determină volumul util al cuptorului aferent unui suport pornind de la următoarele date:

-distanța perete suport: dp-sup = 50 mm;

-distanța boltă suport: db-sup = 440 mm

Astfel:

-lățimea cuptorului va fi: lc = lsup + 2*dp-sup

lc = 1100+2*50

lc = 1200 mm

-înălțimea cuptorului va fi: hc = hsup+hplaca+db-sup

hc = 50+10+440

hc = 500 mm

-volumul util al cuptorului pe lungimea unei suport (VC) va fi:

VC = Lsup*lc*hc

VC = 1100*1200*500

VC = 660000000 mm3

VC = 0,66 m3

Masa încărcată a unei suport se va determina ținându-se seama de compoziția, densitatea și volumul produsului:

-compoziția produsului:

1 mol YSO _ _ _ _ 1 moli Y2O3 _ _ _ _ 1 mol SiO2

M YSO _ _ _ _1*M Y2O3 _ _ _ _ 1*M SiO2

285.89 225.81 60

1 kg _ _ _ _ x _ _ _ _ y

x = 0.7898 Kg

y = 0.2098 Kg

1 mol YSO => 0.03 Eu2O3 => [1-(x*0.97 + 0.97*y )] = m E2O3

m Y2O3 = 0.7661 m; SiO2 = 0.2033 m; E2O3 = 0.04

-densitatea produsului:

ρ Y2O3 = 5010 [kg/m3]; ρ SiO2 ultrafină = 170 [kg/m3]; ρ Eu2O3 = 5530 [kg/m3];

ρprodus =0.7661 * ρ Y2O3 + 0.2033 * ρ SiO2 + 0.04 * ρ Eu2O3 = 4093.9 [kg/m3]

-volumul produsului:

Vprodus = L*l*h ;

Vprodus =9×10-4 [m3]

-masa produsului:

mprodus = ρprodus*Vprodus

mprodus = 3.685 [Kg]

Masa încărcată a unui suport va fi:

mî = mprodus * 9

mî = 3.685 * 9

mî = 33.165 [Kg]

Raportând masa încărcăturii la volumul util aferent unui suport, se obține densitatea de așezare (G):

(2)

G = 50[kg/m3] ; G = 0.05 [t/m3]

Volumul util al cuptorului tunel rezultat este:

Vu = 1.174 x 1010 [mm3]

Lungimea necesară a cuptorului este:

(3)

Lc = 19.563 [m]

Numărul de suporturi aflate în cuptor va fi:

(4)

Nsup = 17.785 ≈ 18 suporturi [1]

Alegerea materialelor refractare pentru construcția cuptorului

Temperaturile înalte la care se lucrează în cuptoarele microtunel impun o alegere corectă a materialelor. Acestea trebuie să îndeplinească unele condiții dictate de rațiuni tehnologice și economice:

● Să suporte fără deformare sau topire temperaturile înalte din cuptor, deci să aibă rezistență mecanică în regim;

● Să suporte gradienții de temperatură transversali și longitudinali;

● Să aibe stabilitate chimică corespunzătoare;

● Coeficientul de conductivitate termică trebuie să fie destul de mic pentru a evita grosimea exagerată a pereților.

Pentru alegerea zidăriei este necesară o împărțire a cuptorului pe zone în funcție de etapele termice aferente obținerii produsului. De menționat că, încălzirea cuptorului are loc cu 3oC/min, iar răcirea cu 4oC/min.

Raportând lungimea cuptorului la durata ciclului de ardere se obține viteza de deplasare a casetelor în cuptor:

(5)

v = 1.9929 [m/oră]

Astfel, pentru diferitele zone ale cuptorului materialele folosite la construcția pereților laterali precum și a bolții, grosimea acestora și conductivitățile termice aferente sunt redate în tabelul 10.

Tabel 10. Materiale folosite la construcția cuptorului.

Calculul pierderilor de căldură

Pierderile de căldură prin pereții cuptorului ce funcționează în regim continuu sunt determinate de:

● Diferența de temperatură dintre interiorul și exteriorul cuptorului;

● Construcția pereților (grosime și material);

● Condițiile de așezare a cuptorului (hală închisă sau deschisă, curenți de aer etc.).

Pentru a obține rezultate cât mai precise este necesară o împărțire a cuptorului în zone cât mai mici astfel încât diferența de temperatură corespunzătoare unui anumit interval sa fie cât mai mică.

Calculul cantităților de căldură pierdută în mediul înconjurător se face cu ajutorul relției pentru un perete compus:

[W], (6)

-în care: k = coeficientul total de transmitere a căldurii, în [W/m2*grd];

A = aria suprafeței peretelui, respectiv a bolții, în zona de temperatură considerată;

Өpi = temperatura la fața interioară a peretelui, respectiv a bolții, în (oC);

Өa = temperatura aerului în hala unde este instalat cuptorul, în (oC). Se consideră că (Өa) este de 25 oC în zonele de preîncălzire și răcire și 40 oC în zona de ardere.

Coeficientul total de transmisie a căldurii (k) se calculează în acest caz cu relația:

[W/m2*grd], (7)

-în care: (δi) și (λi) sunt grosimile respectiv conductivitățile termice medii ale materialelor din care sunt confecționați pereții, respectiv bolta cuptorului.

-valorile pentru (λi) sunt redate în tabelul 11:

Tabel 11. Conductivitățile termice medii ale materialelor (λi)

-valoarea pentru este redată în tabelul 12:

Tabel 12. Grosimile respectiv conductivitățile termice medii ale refractarelor utilizate la construcția cuptorului

4.41301

-coeficientul de transmisie a căldurii prin convecție liberă și radiație (α) poate fi calculat cu următoarele relații empirice:

a) pentru pereții laterali: α = 7,1 + 0,057 * Өe

Z.P și Z.R: 7,1 + 0,057 * 30 => α = 8,81

Z.A: 7,1 + 0,057 * 50 => α = 9,95

b) pentru boltă: α = 9,4 + 0,057 * Өe

Z.P și Z.R: 9,4 + 0,057 * 30 => α = 11,11

Z.A: 9,4 + 0,057 * 50 => α = 12,25

Valorile pentru (k) sunt redate în tabelulul 13:

Tabel 14: Coeficientul total de transmisie a căldurii (k).

Cuptorul a fost împărțit în mai multe zone, corespunzătoare intervalelor de temperatură alese. Lungimea acestor zone a fost determinată prin intermediul curbei de ardere.

S-a calculat K, Qp și apoi s-a raportat fluxul termic Qp, la debitul de material, pentru fiecare interval de temperatură, atât pentru pereți cât și pentru boltă. Rezultatele calculelor sunt prezentate în tabelele 15.

Tabelul 15. Pierderile de căldură prin pereții laterali și bolta cuptorului

Tabelul 16: Pierderile de căldură prin pereții și bolta cuptorului

Calcululul capacităților calorice și a căldurii necesare pentru ortosilicatul de ytriu

Etapele termice ale încălzirii și răcirii materialului

Din literatură formula formula pentru calculul capacității calorice pentru Y2SiO5 valabilă pe intervalul de temperatură 300-2000K cp=177.48+29.68∙10-3∙T-59.2∙105T-2 [J/mol∙K]. Formula corespunde însumării capacităților calorice pentru Y2O3 și SiO2 cu mici deviații la temperaturi peste 1800 K. În tabelul 14 sunt reprezenatate valorile capacității calorice obținute pentru Y2SiO5.[]

Tabel 17 Capacitățile calorice ale Y2SiO5

Tabel 18 Capacitățile calorice ale Y1.97SiO5Eu0.03, Y2O3, SiO2, Eu2O3

Coeficienții și formula pentru calculul capacităților calorice molare ale ZrO2 la diferite temperaturi sunt redate în tabelul 19:

Tabelul 19: Coeficienții și formula pentru calculul capacităților calorice molare ale ZrO2.

Capacitățile calorice ale ZrO2 pentru intervalele de temperatură alese sunt redate în tabelul 20:

Tablel 20 Capacitățile calorice ale ZrO2 exprimate în [Kj/Kg*K].

Diagrama θ-q pentru material

Diagrama θ-q pentru material, reprezintă variația căldurii de transformare a materiilor prime în diferite zone de temperatură corespunzătoare diferitelor procese atât la încălzire cât și la răcire.

Pe baza compoziției de mai jos se calculează efectele termice care au loc la tratamentul termic al pieselor din YSO:

1 mol YSO:Eu _ _ _ _ 0.97 moli Y2O3 _ _ _ _ 1 mol SiO2 _ _ _ _ 0.03 moli Eu2O3

M YSO:Eu _ _ _ 0.97*M Y2O3 _ _ _ _ _M SiO2_ _ _ _ _ _0.03*M Eu2O3

287.77 219.03 60 10.5576

1 kg _ _ _ _ x _ _ _ _ y _ _ _ _ z

x = 0.7661 Kg

y = 0.2098 Kg

z = 0.0369 Kg

Tabelul 21. Etapele termice ale încălzirii și răcirii materialului.

Suporții refractari pe care sunt așezate piesele se încălzesc și se răcesc o dată cu materialul. Acestea sunt confecționate din zirconă pentru a rezista la temperatura ridicată din cuptor dezvoltată în timpul tratamentului termic al pieselor din YSO

Masa unui suport se calculează ținându-se seama de volumul și densitatea acestuia.

Vsup = Lsup * lsup * hsup

Vs = 1100*1100*8

Vs = 9680000 [mm3] = 9680 [cm3]

-masă suport:

Msup = ρZrO2 * Vsup ;

ρZrO2 = 6,1 [g/cm3]

ms = 6,1 * 9680 = 59048 [g] = 59.048 [Kg]

m încărcătură suport = 33.165 [Kg]

Astfel, masa de refractar raportată la 1 Kg de produs este:

33.165 [Kg] YSO _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 59.048 [Kg]

1 [Kg] YSO _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ x

x = 1.7804 [Kg]

Etapele termice ale încălzirii și răcirii casetelor precum și căldurile necesare fiecărei etape sunt redate în tabelul 22:

Tabelul 22: Etapele termice ale încălzirii și răcirii suporților precum și căldurile necesare aferente fiecărei etape.

Cantitățile de energie termică primite sau cedate în diferite etape de temperatură sunt redate în tabelul 24:

Tabelul 24: Cantitățile de energie termică primite sau cedate în diferite etape de temperatură exprimate în [Kj/Kg produs].

Fig. 14. Diagrama q-θ

Bilanț de materiale

Tabel 25: Bilanțul de materiale pentru cuptor

Estimarea costurilor

Pentru a estima un cost al produsului de pe lângă consumurile specifice avem nevoie și de un cost al materiilor prime. De asemenea apa costă 5.75 Ron/m3, iar un Kw 0.3028 Ron. [, , ].

Tabel 26: Prețurile materiilor prime exprimate în $ pe kg

Astfel pentru a sigura un stoc de materii prime, avem nevoie de 20 t de materii prime pentru a asigura producția timp de doua săptămâni. Cantitățiile și prețurile sunt evidențiate în tabelul 27.

Tabel 27 Cantitățiile necesare și prețuri materiilor prime

Consumurile specifice ale fiecări utilajutilizat în fluxul tehnologic pentru obținerea ceramicilor YSO sunt evidențiate în tabelul 28.

Tabel 28 Consumurile specifice pentru fiecare utilaj

Având costul materiilor prime și costul consumurilor specifice putem estima un cost total pe kg de produs, ținând cont și de alte consumuri, cum ar fii ambalare, transport intern materii prime și costul cu salarii, costuri ce pot fii estimate la 8 [Ron/kgprodus], costul total fiind evidențiat în tabelul 29.

Tabel 29 Costurile totale

Concluzii

Prezentul referat are ca scop elaborarea unui flux tehnologic pentru obținerea plăcilor ceramice din YSO de dimensiunea 300×300 mm cu proprietăți antibacteriene. S-au urmărit etapele tehnologice rutei clasice de obținere a unui corp ceramic. S-au predimensionat toate utilzajele, dar într-un mod mai detaliat s-a dimensionat atomizorul și cuptorul.

În atomizor s-au considerat date de intrare 61.48 kgbarbotină/h astfel încât debitul de material granular la părăsirea uscătorului atomizor să asigure asigure cantitatea necesară pentru un suport.

Pentru atomizor s-au obținut următoarele date tehnice constructive un diametru de 1.3 m și un volum de 1.351 m3 cu o evaporare specifică de 20.01 kg/m3∙h. Pentru determinarea consumului atomizorului s-au evaluat pierderile de căldură și consumul specific, astfel s-a obținut un total pierderi de căldură de 180.3 kJ/KgH2O și un consum specific de 18010kJ/kgH2O.

Cuptorul reprezintă cel mai important utilaj din fluxul tehnologic de obținere a plăcilor ceramice, astfel s-a ales o productivitate de 500t/an și s-au obținut următoarele date constructive ale cuptorului:

lungimea cuptorului = 19.6 m

Număr de suporți = 18

Viteza de deplasare a suporților = 2m/h.

De asemeanea au fost evaluate și pierderile de căldură prin pereți și boltă și s-a estimat un consum specfic pe kilogramul de produs. Pierderile totale calculate = 458 kJ/Kg iar consumul specific este de 3911.311 KJ/Kg.

Acest cuptor poate fi folosit pentru arderea plăcii ceramice, deoarece are un consum specific mic, pierderile de căldură sunt mici, iar productivitatea este potrivit aleasă pentru acest tip de materiale cu proprietăți speciale.

Aceste pierderi de căldură mai mici în cazul cuptorului pentru care am realizat predimensionarea, datorită unei mai bune izolații realizate la nivelul pereților și boltei, cu până la trei straturi de material refractar, dar și datorită inexistenței transportoarelor speciale (vagoneți).

Este mai ușor de automatizat și de controlat, datorită sistemului cu role care transportă produsele, la intrarea și ieșirea din cuptor, iar calitatea produselor obținute este mai ridicată, datorită curbelor de ardere precise, a sistemului de acționare fiabil și a distribuției omogene a căldurii.

11. Bibliografie