Industrias de cerâmicas

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Industrias de cerâmicas
Cerâmicas
O alumínio (Al) é um metal comum, mas o óxido de alumínio (Al2O3), é um composto de alumínio e oxigênio.
O óxido de alumínio 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 alumínio metálico (660°C), tornando-o um refratário (material resistente a alta temperatura de grande uso na construção de fornos industriais). 
A alumina possui propriedades químicas e de resistência a temperaturas superiores, mas não é usada para aplicações como motores automotivos no lugar do alumínio metálico devido a sua fragilidade. 
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. 
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. 
O óxido de magnésio (MgO) e a sílica (SiO2) são outros bons exemplos de cerâmicas.
Além disso, sílica é a base de uma família grande e complexa de silicatos, que inclui argilas e minerais do tipo argila. 
A grande maioria das cerâmicas comercialmente importantes é um composto químico feito pelo menos de um elemento metálico e um de 5 elementos não-metálicos (C, N, O, P ou S).
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. 
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. 
O termo geral para sólidos não-cristalinos com composições comparáveis as das cerâmicas cristalinas é: vidro. 
O vidro comum de janela é composto por, aproximadamente, 72% sílica (SiO2) e 28% óxido de sódio (Na2O) + óxido de cálcio (CaO). 
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. 
Os compostos de aluminossilicatos tendem a ter baixos coeficientes de expansão térmica tornando-os resistentes a fraturas ocasionadas por rápidas mudanças de temperatura. 
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. 
As indústrias de cerâmicas têm como necessidade atual desenvolver materiais capazes de suportar temperaturas mais elevadas e resistir a maiores pressões. Apresentando, ao mesmo tempo, propriedades mecânicas superiores, características elétricas especiais e proteção a agentes químicos corrosivos. 
Tipos de produtos: 
· Cerâmicas: porcelanas, louça, vasos, louça de pó de pedra e louça vitrificada.
· Produtos estruturais de argila: tijolos, tijolos de revestimento, terracota, manilhas e tubos sanitários. 
· Refratários: tijolos refratários, tijolos de sílica, de cromita, de magnesita, de magnesita-cromita, refratários de carbeto de silíco e de zircônia, produtos de silicato de alumínio e alumina. 
· Produtos cerâmicos especiais.
· Esmaltes e metal esmaltado.
A fabricação de potes pelo oleiro é uma das industriais 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. 
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 a automatização crescente, que caracterizam os métodos modernos de fabricação. 
Recentemente, forma 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, escoria de fornos e uma grande variedade de outros materiais. 
Matérias-primas básicas usadas na fabricação dos produtos clássicos de cerâmica: argila, feldspato, areia. 
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. 
Minerais classificados como argilas mais importantes: caulinita, montmorilonita, ilita. 
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. 
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. 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 ás impurezas que contêm que é frequentemente necessário melhora-las mediante um processo de beneficiamento. 
O beneficiamento dos minérios é utilizada para a adequação dos minerais aos processos industriais. 
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. 
As 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 produção de brita. 
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 1mm), são chamadas de britagem.
Quando a fragmentação visa atingir tamanhos bem menores (por exemplo: 0,074mm), 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. 
Em relação aos moinhos tem-se: moinho de martelos, moinho de rolos, moinho de barras, moinho de bolas. 
Os feldspatos possuem 3 tipos comuns: potássicos, sódicos e cálcicos. Em maior ou menor medida, são usados nos produtos cerâmicos. Eles tem grande importância como fundente nas fórmulas cerâmicas e podem estar presente na argila da jazida, ou ser adicionado conforme as necessidades. 
 Alguns fundentes mais comuns: ácido bórico, barrilha, nitrato de sódio, perlasso, nefelino sienito, ossos calcinados, apatita, bórax, fluorita, criolita, óxidos de ferro, óxidos de antimônio, óxidos de chumbo, minerais de lítio, minerais de bário. 
Alguns ingredientes refratários especiais: alumina, olivina, cromita, silicatosde alumínio, dumotierita, magnesita, cal, zircônia, titânia, silicatos de magnésio hidratados (talco), carborundo, mulita, dolomita, tória. 
Os produtos cerâmicos são feitos pela combinação de quantidades diversas das matérias-primas mencionadas anteriormente, pela conformação apropriada e pelo aquecimento até temperatura de queima.
Essas temperaturas podem ser baixas (~700°C), na queima de certos vidrados, ou tão elevadas quanto 2.000°C, necessária para muitas vitrificações. 
Estas temperaturas provocam várias reações, que constituem a base das seguintes conversões químicas: desidratação entre 150 e 650 °C (perda de água de cristalização), calcinação entre 600 e 900 °C, oxidação do ferro II e da matéria orgânica entre 350 e 900 °C e formação de silicato a 900 °C ou mais. 
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.
O ingrediente comum a todos os produtos cerâmicos é a argila (caulinita) e por isso as reações químicas que ocorrem no aquecimento da argila são muito importantes. 
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. 
Continuando do aquecimento (a 940 °C) a alumina amorfa se transforma numa forma cristalina, a y-alumina, com considerável desprendimento de calor. 
A cerca de 1.000 °C a alumina e a sílica combinam-se formando a mulita. 
A uma temperatura ainda mais alta, a sílica remanescente é convertida a cristobalita. 
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. 
Todos os óxidos cerâmicos sofrem um certo 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. 
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 destrói as qualidades refrátarias. 
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 temperatura 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 temperatura elevadas, vitrificação completa. 
Cerâmicas brancas são produtos usualmente brancos e de textura fina. São obtidas a partir de tipos escolhidos de argila aglutinados mediante quantidades varáveis de fundentes e aquecidos num forno a temperatura 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. 
Classificação das cerâmicas brancas:
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. 
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 era feita de argila, era porosa e inconveniente. Hoje tem composição vitrificada.
6. Ladrilhos: possuem diversos tipos, classificados como (i) ladrilhos para pisos, resistentes à abrasão, impermeáveis à penetração de líquidos, vidrados ou não; e (ii) azulejos, com diversas cores e texturas, superfície dura e permanente. 
No processo de fabricação da porcelana as matérias-primas são pesadas e transferidas para um carro carregador. O feldspato, as argilas e a sílica são misturados com a água na misturadora, passam por um separador magnético, são peneirados e armazenados. A maior parte da água é removida (e refugada) num filtro-prensa. 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. A massa preparada é conformada em peças numa prensa hidráulica ou mediante prensagem a quente, nos moldes convenientes. As peças sofrem uma secagem preliminar, são acabadas e rebarbadas, e por fim completamente secas, em condições cuidadosamente controladas. Assegura-se o lustre superficial mediante um vidrado feito de materiais selecionados. A vitrificação do corpo cerâmico e do vidrado é feita num forno-túnel, com o controle preciso da temperatura e do deslocamento das peças. 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. 
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 onde se 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. 
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.
Os produtos mais baratos, mas muito duráveis, como o tijolo, a terracota, as manilhas de esgoto as águas servidas, são fabricados muitas vezes com a argila mais comum e barata, com ou sem vitrificação. 
Na fabricação de tijolos, as matérias-primas são argilas de três grupos: argilas vermelhas, argilas brancas e 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. 
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. 
OS tijolos são secados de diversas formas: ao ar livre, em galpões ou 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 processode 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. 
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.