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26/04/2015 1 INDÚSTRIAS DE CERÂMICA Profa. Juliana Fonseca CERÂMICAS ‘Idade da Cerâmica’ 2 Embora os arqueólogos não se refiram a esta, a presença de vasos domésticos feitos de barro queimado ofereceu algumas das melhores descrições das culturas humanas por milhares de anos. 26/04/2015 2 CERÂMICAS O alumínio (Al) é um metal comum, mas o óxido de alumínio, um composto de alumínio e oxigênio: Al2O3. É típico de uma família de materiais de engenharia fundamentalmente diferente: as Cerâmicas. 3 CERÂMICAS O óxido de alumínio (Al2O3) tem 2 vantagens principais em relação ao alumínio metálico: - É quimicamente estável em uma grande variedade de ambientes severos, enquanto o alumínio metálico seria oxidado; - Tem um ponto de fusão significativamente mais alto (2020 °C) que o Al metálico (660 °C), tornando-o um refratário (material resistente a alta temperatura de grande uso na construção de fornos industriais). 4 26/04/2015 3 CERÂMICAS Já que a alumina possui propriedades químicas e de resistência a temperaturas superiores, por que ela não é usada para aplicações, como motores automotivos, no lugar do alumínio metálico? Por causa da sua fragilidade. 5 CERÂMICAS 6 Os desenvolvimentos na tecnologia de cerâmica estão expandindo sua utilidade para aplicações estruturais sem eliminar sua fragilidade inerente, mas aumentando sua resistência para níveis suficientemente altos. 26/04/2015 4 CERÂMICAS Um exemplo é o nitreto de silício (Si3N4), um candidato importante para motores a jato que operam em altas temperaturas e são energeticamente mais eficiente – uma aplicação inconcebível para as cerâmicas tradicionais. 7 CERÂMICAS O óxido de magnésio (MgO) e a sílica (SiO2) são outros bons exemplos de cerâmicas. Além disso, SiO2 é a base de uma família grande e complexa de silicatos, que inclui argilas e minerais do tipo argila. 8 26/04/2015 5 CERÂMICAS A grande maioria das cerâmicas comercialmente importantes é um compostos químico feito pelo menos de um elemento metálico e um de 5 elementos não-metálicos (C, N, O, P ou S). 9 CERÂMICAS Cerâmica avançada: o supercondutor em alta temperatura. 10 26/04/2015 6 CERÂMICAS Os metais e as cerâmicas possuem uma característica estrutural semelhante na escala atômica: eles são cristalinos, o que significa que seus átomos constituintes são empilhados em um padrão regular, repetitivo. 11 CERÂMICAS Uma distinção entre os materiais de tipo metálico e cerâmico é que, por algumas técnicas, muitas cerâmicas podem ser fabricadas em uma forma não- cristalina: seus átomos são empilhados em padrões irregulares, aleatórios. 12 26/04/2015 7 CERÂMICAS O termo geral para sólidos não-cristalinos com composições comparáveis às das cerâmicas cristalinas é: Vidro. 13 CERÂMICAS O vidro comum de janela é composto por, aproximadamente, 72% sílica (SiO2), 28% óxido de sódio (Na2O) + óxido de cálcio (CaO). 14 26/04/2015 8 CERÂMICAS Os vidros compartilham a propriedade de fragilidade com as cerâmicas cristalinas. Mas são materiais importantes por suas outras propriedades: capacidade de transmitir luz visível (além da radiação ultravioleta e infravermelha) e inércia química. 15 CERÂMICAS Os compostos de aluminossilicatos tendem a ter baixos coeficientes de expansão térmica: tornando-os resistentes a fraturas ocasionadas por rápidas mudanças de temperatura. 16 26/04/2015 9 CERÂMICAS Vitrocerâmica Certas composições de vidro podem ser totalmente devitrificadas (estado vítreo para o estado cristalino) por um tratamento térmico. A estrutura em escala microscópica de alta qualidade (granular e sem porosidade) oferece um produto com força mecânica superior à de muitas cerâmicas cristalinas tradicionais. 17 INDÚSTRIAS DE CERÂMICA Também Chamadas • Indústrias de Produtos de Argila. • Indústrias de Silicatos. • Produtos: diversos materiais, essencialmente silicatos. 26/04/2015 10 INDÚSTRIAS DE CERÂMICA Necessidade atual Desenvolver materiais capazes de: Suportar temperaturas mais elevadas; Resistir a maiores pressões; Apresentando, ao mesmo tempo propriedades mecânicas superiores características elétricas especiais proteção a agentes químicos corrosivos INDÚSTRIAS DE CERÂMICA Tipos de Produtos 1. Cerâmicas. Porcelanas, louça, vasos, louça de pó de pedra e louça vitrificada. 2. Produtos estruturais de argila. Tijolos, tijolos de revestimento, terracota, manilhas e tubos sanitários. 3. Refratários. Tijolos refratários; tijolos de sílica, de cromita, de magnesita, de magnesita-cromita; refratários de carbeto de silício e de zircônia; produtos de silicato de alumínio e de alumina. 4. Produtos cerâmicos especiais. 5. Esmaltes e metal esmaltado. 26/04/2015 11 INDÚSTRIAS DE CERÂMICA História • A fabricação de potes pelo oleiro é uma das indústrias humanas mais antigas. • Encontra-se louça de barro queimado ao forno desde períodos datando de cerca de 15.000 a.C. • A fabricação estava bastante desenvolvida no Egito 10 séculos depois. INDÚSTRIAS DE CERÂMICA História As necessidades de materiais de qualidade superior levaram a um amplo espectro de sistemas. Maior destaque foi atribuído ao cruzamento entre a química dos silicatos e a metalurgia e a física do estado sólido. Associados a vários processos controlados por computador e à automatização crescente, que caracterizam os métodos modernos de fabricação. 26/04/2015 12 INDÚSTRIAS DE CERÂMICA • Recentemente, foram desenvolvidos novos processos de fabricação de tijolos a partir de refugos inorgânicos, como moinha de cinza de usinas termelétricas, areia de fundição, refugos de mineração, escória de fornos e uma grande variedade de outros materiais. INDÚSTRIAS DE CERÂMICA Matérias Primas Básicas usadas na fabricação dos produtos clássicos de cerâmica: Argila Feldspato Areia 26/04/2015 13 INDÚSTRIAS DE CERÂMICA Argilas • São silicatos de alumínio hidratados. • Mais ou menos impuros. • Resultantes da alteração provocada pelo intemperismo das rochas ígneas, em que o feldspato era um mineral inicial importante. • Reações: K2O.Al2O3.6SiO2 + CO2 + 2H2O K2CO3 + Al2O3.2SiO2.2H2O +2SiO2 feldspato potássico caulinita sílica INDÚSTRIAS DE CERÂMICA • Minerais classificadas como argilas mais importantes: Caulinita (Al2O3.2SiO2.2H2O) Montmorilonita [(Mg,Ca)O.Al2O3.5SiO2.nH2O] Ilita (K2O,MgO,Al2O3,SiO2,H2O, em proporções variáveis) • Do ponto de vista cerâmico, as argilas são plásticas e moldáveis quando estão suficientemente cominuídas e úmidas. • São rígidas quando secas e vitrosas quando queimadas numa temperatura suficientemente elevada. 26/04/2015 14 INDÚSTRIAS DE CERÂMICA • Junto com as argilas, obtém-se também quantidades variáveis de feldspato, de quartzo e de outras impurezas, como os óxidos de ferro. • Em quase todas as argilas, usadas na indústria de cerâmica, o mineral básico é a caulinita. • Em alguns casos é usada a bentonita, cuja base é a montmorilonita, quando se deseja uma plasticidade muito elevada. INDÚSTRIAS DE CERÂMICA • Esta plasticidade, ou trabalhabilidade,é bastante influenciada pelas condições físicas da argila e varia grandemente entre os diversos tipos. • As argilas são escolhidas pelas propriedades particulares a que se visam e muitas vezes são misturadas para se ter o melhor resultado. • As argilas variam de tal forma nas respectivas propriedades físicas e quanto às impurezas que contêm que é frequentemente necessário melhorá-las mediante um processo de beneficiamento. 26/04/2015 15 INDÚSTRIAS DE CERÂMICA Beneficiamento do Minério Nem sempre os minerais apresentam-se na natureza na forma em que serão consumidos pela indústria, quer seja por suas granulometrias (tamanhos) quer por estarem associados a outros minerais, que não têm interesse ou são indesejáveis para o processo industrial a que se destinam. É para a adequação dos minerais aos processos industriais que se utiliza o beneficiamento dos minérios. INDÚSTRIAS DE CERÂMICA Fragmentação A fragmentação ou redução de tamanho é uma técnica de vital importância no processamento mineral. Um minério deve ser fragmentado até que os minerais úteis contidos sejam fisicamente liberados dos minerais indesejáveis. Às vezes, a redução de tamanho visa apenas à adequação às especificações granulométricas estabelecidas pelo mercado, como, por exemplo, a fragmentação de rochas como o granito ou calcário para a produção de brita. 26/04/2015 16 INDÚSTRIAS DE CERÂMICA Fragmentação Em todos os casos, a fragmentação é uma operação que envolve elevado consumo energético e baixa eficiência operacional, representando, normalmente, o maior custo no tratamento de minérios. A fragmentação é quase sempre dividida em várias etapas, para minimizar seus custos e não fragmentar as partículas além do necessário. As etapas iniciais da fragmentação, quando ainda são gerados tamanhos relativamente grandes de partículas (diâmetros até aproximadamente 1 mm), são chamadas de britagem. INDÚSTRIAS DE CERÂMICA Fragmentação Quando a fragmentação visa atingir tamanhos bem menores (por exemplo: 0,074 mm), dá-se o nome de moagem. Os equipamentos que fazem a britagem são chamados de britadores e os de moagem moinhos. São exemplos de britadores mais utilizados nas operações mineiras: britadores de mandíbulas e britadores giratórios. 26/04/2015 17 INDÚSTRIAS DE CERÂMICA Fragmentação Em relação aos moinhos tem-se: moinho de martelos moinho de rolos moinho de barras moinho de bolas INDÚSTRIAS DE CERÂMICA Beneficiamento da Argila 26/04/2015 18 INDÚSTRIAS DE CERÂMICA Feldspatos • 3 tipos comuns: Potássicos (K2O.Al2O3.6SiO2) Sódicos (Na2O.Al2O3.6SiO2) Cálcicos (CaO.Al2O3.6SiO2) • em maior ou menor medida, são usados nos produtos cerâmicos. • grande importância como fundente nas fórmulas cerâmicas. • pode estar presente na argila da jazida, ou ser adicionado conforme as necessidades. INDÚSTRIAS DE CERÂMICA Matérias-Primas Básicas para Cerâmicas *infusível na temperatura mais elevada da queima do carvão (1.400 °C). Caulinita Feldspato Areia ou Sílica Fórmula Al2O3.2SiO2.2H2O K2O.Al2O3.6SiO 2 SiO2 Plasticidad e Plástica Não Plástica Não Plástica Fusibilidad e Refratário* Aglomerante facilmente fusível Refratário* Ponto de fusão 1.785 °C 1.150 °C 1.710 °C Retração na queima Retração grande Funde Não há retração 26/04/2015 19 INDÚSTRIAS DE CERÂMICA Alguns Fundentes mais Comuns Ácido Bórico (H3BO3) Fluorita (CaF2) Barrilha (Na2CO3) Criolita (Na3AlF6) Nitrato de Sódio (NaNO3) Óxidos de ferro Perlasso (K2CO3) Óxidos de antimônio Nefelino sienito Óxidos de chumbo Ossos calcinados Minerais de lítio Apatita [Ca5(F,Cl,OH)(PO4)3] Minerais de bário Bórax (Na2B4O7.10H2O) INDÚSTRIAS DE CERÂMICA Alguns Ingredientes Refratários Especiais Alumina (Al2O3) Zircônia (ZrO2) Olivina [(FeO, MgO)2SiO2] Titânia (TiO2) Cromita (FeO.Cr2O3) Silicatos de magnésio hidratados Silicatos de alumínio (Al2O3.SiO2) ex. talco (3MgO.4SiO2.H2O) (cianita, silimanita, andalusita) Carborundo (SiC) Dumotierita (8Al2O3.B2O3.6SiO2.H2O)Mulita (3Al2O3.2SiO2) Magnesita (MgCO3) Dolomita [(CaMg(CO3)2] Cal (CaO) e calcário (CaCO3) Tória (ThO2) 26/04/2015 20 QUÍMICA FUNDAMENTAL DAS CERÂMICAS Os produtos cerâmicos são feitos pela combinação de quantidades diversas das matérias-primas mencionadas anteriormente, pela conformação apropriada e pelo aquecimento até a temperatura de queima. Estas temperaturas podem ser baixas (~700 °C), na queima de certos vidrados, ou tão elevadas quanto 2.000 °C, necessária para muitas vitrificações. QUÍMICA FUNDAMENTAL DAS CERÂMICAS Estas temperaturas provocam várias reações, que constituem a base das seguintes conversões químicas: 1.Desidratação: “perda de água de cristalização”, entre 150 e 650 °C. 2.Calcinação: entre 600 e 900 °C. 3.Oxidação do ferro II e da matéria orgânica: entre 350 e 900 °C. 4.Formação de silicato: a 900 °C ou mais. 26/04/2015 21 QUÍMICA FUNDAMENTAL DAS CERÂMICAS • Estudos baseados na regra das fases tiveram importância revolucionária na interpretação das observações empíricas da indústria de cerâmicas e auxiliaram a realização de previsões destinadas a melhorias. QUÍMICA FUNDAMENTAL DAS CERÂMICAS • Os produtos cerâmicos são todos mais ou menos refratários, isto é, resistentes ao calor. • O grau de resistência térmica de um dado produto é determinado pelas quantidades relativas dos óxidos refratários e dos óxidos fundentes. • Os principais óxidos refratários são: SiO2, Al2O3, CaO e o MgO. ZrO2, TiO2, o Cr2O3 e o BeO são menos comumente usados. • Os principais óxidos fundentes são: Na2O, K2O, B2O3 e SnO2; além dos fluoretos que são usados em certas composições. 26/04/2015 22 QUÍMICA FUNDAMENTAL DAS CERÂMICAS • O ingrediente comum a todos os produtos cerâmicos é a argila (caulinita). • O primeiro efeito do calor é a eliminação de água de hidratação (600 – 650 °C) e absorve bastante calor, deixando um resíduo amorfo de alumina e sílica. Al2O3.2SiO2.2H2O Al2O3 + 2SiO2 + 2H2O e por isso as reações químicas que ocorrem no aquecimento da argila são muito importantes. QUÍMICA FUNDAMENTAL DAS CERÂMICAS • Continuando do aquecimento (a 940 °C) • a alumina amorfa se transforma numa forma cristalina, a γ- alumina, com considerável desprendimento de calor. • A cerca de 1.000 °C - a alumina e a sílica combinam-se formando a mulita (3Al2O3.2SiO2). • A uma temperatura ainda mais alta, a sílica remanescente é convertida a cristobalita a reação global fundamental no aquecimento da argila é: 3(Al2O3.2SiO2.2H2O) 3Al2O3.2SiO2 + 4SiO2 + 6H2O caulinita mulita cristobalita 26/04/2015 23 QUÍMICA FUNDAMENTAL DAS CERÂMICAS • O diagrama de equilíbrio de fases do sistema Al2O3.SiO2 resume os estados de equilíbrio em função das temperaturas. • A presença de fundentes tende a baixar a temperatura de formação da mulita e o atingimento das condições de equilíbrio dadas no diagrama de equilíbrio. • Uma massa cerâmica real contém muito mais ingredientes que a própria argila. • Por isso, as reações químicas são mais complicadas e existirão outras espécies presentes no produto final. QUÍMICA FUNDAMENTAL DAS CERÂMICAS • Todos os óxidos cerâmicos sofrem umcerto grau de vitrificação durante o aquecimento. • Este grau de vitrificação depende: - das quantidades relativas de óxidos refratários e de óxidos fundentes na composição, - da temperatura, - do tempo de aquecimento. 26/04/2015 24 QUÍMICA FUNDAMENTAL DAS CERÂMICAS • A fase vitrificada atribui qualidades desejáveis a alguns corpos cerâmicos . Por exemplo, atua como ligante na porcelana e atribui-lhe certa transparência. • A vitrificação é desejável, num certo grau, até mesmo em refratários, para atuar como agente ligante, mas uma vitrificação muito intensa destroi as qualidades refratárias. QUÍMICA FUNDAMENTAL DAS CERÂMICAS O grau de vitrificação (redução da porosidade) fornece a base para uma classificação útil dos produtos cerâmicos, conforme a lista a seguir: 1. Cerâmicas brancas: diversos teores de fundentes, aquecimento a temperaturas moderadamente elevadas, diversos graus de vitrificação. 2. Produtos estruturais de cerâmica (cerâmicas vermelhas): fundentes abundantes, calor a baixa temperatura, pouca vitrificação. 3. Refratários: pouco fundente, calor a elevadas temperaturas, pequena vitrificação. 4. Esmaltes: fundentes muito abundantes, calor a temperaturas moderadas, vitrificação completa. 5. Vidros: fundentes em quantidades moderadas, calor a temperaturas elevadas, vitrificação completa. 26/04/2015 25 CERÂMICAS BRANCAS • Produtos usualmente brancos e de textura fina. • Obtidas a partir de tipos escolhidos de argila aglutinados mediante quantidades variáveis de fundentes e aquecidos num forno a temperaturas relativamente elevadas (1.200 a 1.500 °C). • Em virtude das diferentes quantidades e das diversas espécies de fundentes, há uma variação grande no grau de vitrificação das cerâmicas brancas, desde a louça comum até a porcelana vitrificada. CERÂMICAS BRANCAS Classificação dos produtos 1. Louça Comum – semivitrificada, porosa, opaca, com um vidrado mole. 2. Louça Vitrificada – porcelanizada, cerâmica com um vidrado medianamente resistente à abrasão; é usada com objetos não técnicos. 3. Porcelana – cerâmica vitrificada, translúcida, vidrado duro, que resiste ao máximo à abrasão. Inclui a porcelana química, a isolante e a dentária. 26/04/2015 26 CERÂMICAS BRANCAS 4. Louça de pó de pedra – uma das louças mais antigas, muito anterior à porcelana porcelana grosseira; fabricada a partir de materiais de baixa qualidade e processos sem controle cuidadoso. 5. Louça sanitária –- antigamente feita de argila, era porosa e incoveniente; hoje composição vitrificada. 6. Ladrilhos – diversos tipos, classificados como (i) ladrilhos para pisos, resistentes à abrasão, impermeáveis à penetração de líquidos, vidrados ou não; e (ii) azulejos – diversas cores e texturas, superfície dura e permanente. CERÂMICAS BRANCAS Fabricação de Porcelana 26/04/2015 27 CERÂMICAS BRANCAS • As matérias-primas são pesadas e transferidas para um carro carregador (Op). • O feldspato, as argilas e a sílica são misturados com a água na misturadora, passam por um separador magnético, são peneirados e armazenados (Op). • A maior parte da água é removida (e refugada) num filtro-prensa (Op). • Todo o ar é retirado na amassadeira, que opera sob vácuo e com o auxílio de lâminas cortadeiras. Com isso se obtém uma porcelana mais densa e forte (Op). • A massa preparada é conformada em peças numa prensa hidráulica ou mediante prensagem a quente, nos moldes convenientes (Op). CERÂMICAS BRANCAS • As peças sofrem uma secagem preliminar, são acabadas e rebarbadas, e por fim completamente secas, em condições cuidadosamente controladas (Op). • Assegura-se o lustre superficial mediante um vidrado feito de materiais selecionados (Op). • A vitrificação do corpo cerâmico e do vidrado é feita num forno- túnel, com o controle preciso da temperatura e do deslocamento das peças (Cq). • As peças de porcelana são protegidas, durante a queima, por caixas de refratários onde são colocadas, sendo as caixas empilhadas umas sobre as outras e dispostas em vagonetes. Neste processo só há uma queima, pois o corpo e o vidrado são queimados simultaneamente. 26/04/2015 28 CERÂMICAS BRANCAS • Grande parte da louça de mesa é fabricada por processos mais complicados que os artigos de porcelana. • Algumas peças são moldadas na roda do oleiro trabalha a massa plástica com as mãos, conformando-a na configuração desejada; outras peças são moldadas por colagem, com barbotina, que é derramada em moldes absorventes de gesso de Paris. • Depois de secas, são removidas dos moldes para sofrer o processamento posterior necessário. • As peças de formas complicadas, como os objetos artísticos ou os de laboratório, podem ser produzidas por este método. CERÂMICAS BRANCAS • Fig 9.4 a e b. 26/04/2015 29 CERÂMICAS BRANCAS • A produção em massa de objetos simples, redondos, como xícaras, pratos, pires, é feita economicamente por estampagem. • a argila plástica é prensada no molde, ou sobre o molde, que gira na horizontal. • O oleiro é auxiliado na moldagem da superfície externa do objeto por uma peça, que tem o perfil do objeto e é abaixada sobre a massa, conformando-a e retirando-lhe o excesso. PRODUTOS ESTRUTURAIS DE ARGILA • Os produtos mais baratos, mas muito duráveis, como o tijolo, a terracota, as manilhas de esgoto e as águas servidas, são fabricados muitas vezes com a argila mais comum e barata, com ou sem vitrificação. 26/04/2015 30 PRODUTOS ESTRUTURAIS DE ARGILA Fabricação de Tijolos As matérias-primas são argilas de três grupos: (1) argilas vermelhas, (2) argilas brancas, (3) argilas ocres, usualmente refratárias. As exigências feitas a um tijolo à vista são: ausência de empenamento, ausência de sais solúveis, dureza e uniformidade geral de colorações depois da queima. PRODUTOS ESTRUTURAIS DE ARGILA • As exigências feitas aos tijolos comuns são muito menos drásticas; usualmente, emprega-se argila vermelha. • Os tijolos são fabricados por um entre 3 processos: a lama líquida, a lama rígida, ou a prensagem a seco. • No procedimento que predomina: a lama rígida, a argila tem umidade suficiente (12 a 15 %) para manter-se encorpada no trabalho. • A desaeração aumenta a trabalhabilidade, a plasticidade e a resistência do tijolo úmido graças à redução dos vazios. 26/04/2015 31 PRODUTOS ESTRUTURAIS DE ARGILA • Os tijolos são secados de diversas formas: ao ar livre, em galpões ou em túneis de secagem. • Depois de secos, os tijolos são queimados em fornos, a temperaturas entre 875 °C e pouco acima de 1.000 °C. • A combinação do secador e do forno de queima é uma tendência recente. • O processo da lama rígida é empregado na fabricação de praticamente todos os produtos de argila, inclusive dos de manilhas de esgoto, de tubos para cabos, de revestimentos contra incêndio e de terracota. PRODUTOS ESTRUTURAIS DE ARGILA • O tipo de argila disponível no local é que determina, muitas vezes, o produto cerâmico que pode ser fabricado economicamente. • A fabricação de produtos estruturais em cerâmica tornou-se muito mecanizada e as fábricas sem modernização não podem ser competitivas. 26/04/2015 32 INDÚSTRIAS DE CERÂMICA • http://www.youtube.com/watch?v=hxB0udRVdnU&fea ture=related • http://www.youtube.com/watch?v=E_qgh17LvbI • http://www.youtube.com/watch?v=hvwG1KdeFRk
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