ENGENHARIA DE PRODUÇÃO. Processos de Fabricação Cerâmica

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1 ENGENHARIA DE PRODUÇÃO Processos de Fabricação Cerâmica

2 Paulo César dos Santos RA: José Gabriel dos Santos RA: Rogério de Castro RA: Alex Valério RA: Gilmar de Brito RA: Processos de Fabricação Cerâmica Trabalho apresentado a disciplina de Processos Quimicos Industrial, sob orientação da Profª. MS Fernanda Palladino 2

3 História Período Neolítico O homem calafetava cestos de vime Passou a fazer cestos de barro Descobriu que o fogo endurecia o barro AC Assírios produzem a cerâmica vidrada Semitas desenvolvem o torno oleiro Séc. VII Chineses produzem porcelana Demais partes do mundo- cerâmica vermelha Séc. XVIII Surge a louça branca na Inglaterra Introdução Os processos de fabricação empregados pelos diversos segmentos cerâmicos assemelhamse parcial ou totalmente. O setor que mais se diferencia quanto a esse aspecto é o do vidro, embora exista um tipo de refratário (eletrofundido), cuja fabricação se dá através de fusão, ou seja, por processo semelhante ao utilizado para a produção de vidro ou de peças metálicas fundidas. Esses processos de fabricação podem diferir de acordo com o tipo de peça ou material desejado. De um modo geral eles compreendem as etapas de preparação da matéria-prima e da massa, formação das peças, tratamento térmico e acabamento. No processo de fabricação muitos produtos são submetidos a esmaltação e decoração. 3

4 Definição Cerâmica compreende todos os materiais inorgânicos, não metálicos, obtidos geralmente após tratamento térmico em temperaturas elevadas. Consideram-se cerâmicas também os materiais cimentícios ou pozolânicos, sejam para uso na industria da construção civil, sejam os utilizados como materiais refratários Cerâmica Cerâmica Avançada Cerâmica Tradicional Vermelha Plana Refratários Louça Sanitária Porcelana Matérias- primas Argila Definição: Material terroso de granulação fina, que geralmente adquire plasticidade quando umedecidos com água E o que é plasticidade?é a propriedade do material úmido ficar deformado (sem romper) pela aplicação de uma tensão, permanecendo deformado quando a tensão desaparece. 4

5 Principais tipos de argilas: Argila altamente aluminosa: é plástica e apresenta um alto teor de óxido de alumínio, superior a 45%. Contém também hidróxido de alumínio, caulinita e/ ou halosita Flint Clay: é refratária, caulinitica,haloisitica, podendo conter hidróxidos de alumínio. São argilas de baixa plasticidade, sendo portanto, misturadas com argilas plásticas em composições de mistura. Ball Clay: é caulinitica (50% à 80%de caulinita), contem também montmorilonita e ilita, resíduos de quartzo, mica, pequenas quantidades de ferro e substâncias orgânicas. São muito usadas em cerâmica branca. Argilas vitrificáveis: apresentam em torno de 6% de Óxidos de ferro, além de fundentes calcários e alcalinos. Vitrificam em temperaturas na faixa de 1200 à 1300ºC. São argilas plásticas. Argilas Fusíveis: Apresentam óxidos fundentes, fundem em temperaturas abaixo de 1200ºC 5

6 Caulim É uma argila composta basicamente de caulinita e haloisita, que apresentat também pequenas quantidades de óxido de ferro e álcalis. Tem a finalidade de clarear as peças e é muito usado em porcelanas. Feldspatos Os feldspatos são aluminosilicatos de sódio, potássio e cálcio. São usados em massas cerâmicas como fundentes na cerâmica branca, nos esmaltes cerâmicos, massas de porcelana, fianças e outras. Quartzo Forma pura de óxido de silício. É um material não plástico que, ao ser misturado na massas cerâmicas, diminui a plasticidade das mesmas e aumenta a resistência das peças. 6

7 Talco É constituído principalmente por silicato hidratado de magnésio. Aumenta a resistência ao choque térmico, o que favorece ciclos de queima rápida. Aumenta também a resistência mecânica das peças. Dolomita A dolomita é um carbonato de cálcio e magnésio, é usada na fabricação de biscoitos (peças) porosos e vidrados cerâmicos. Os óxidos de magnésio e cálcio, clareiam as massas Filitos São compostos de uma mistura de caulinita, mica moscovita finamente dividida e quartzo em proporções variáveis, são compostos de baixa plasticidade e são fundentes, podendo substituir o feldspato. 7

8 PREPARAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA Grande parte das matérias-primas utilizadas na indústria cerâmica tradicional é natural, encontrando-se em depósitos espalhados na crosta terrestre. Após a mineração, os materiais devem ser beneficiados, isto é desagregados ou moídos, classificados de acordo com a granulometria e muitas vezes também purificadas. O processo de fabricação, propriamente dito, tem início somente após essas operações. As matérias-primas sintéticas geralmente são fornecidas prontas para uso, necessitando apenas, em alguns casos, de um ajuste de granulometria. PREPARAÇÃO DA MASSA Os materiais cerâmicos geralmente são fabricados a partir da composição de duas ou mais matérias-primas, além de aditivos e água ou outro meio. Mesmo no caso da cerâmica vermelha, para a qual se utiliza apenas argila como matéria-prima, dois ou mais tipos de argilas com características diferentes entram na sua composição. Raramente emprega-se apenas uma única matéria-prima. Dessa forma, uma das etapas fundamentais do processo de fabricação de produtos cerâmicos é a dosagem das matérias-primas e dos aditivos, que deve seguir com rigor as formulações de massas, previamente estabelecidas. Os diferentes tipos de massas são preparados de acordo com a técnica a ser empregada para dar forma às peças. De modo geral, as massas podem ser classificadas em: suspensão, também chamada barbotina, para obtenção de peças em moldes de gesso ou resinas porosas; massas secas ou semi-secas, na forma granulada, para obtenção de peças por prensagem; massas plásticas, para obtenção de peças por extrusão, seguida ou não de torneamento ou prensagem. 8

9 FORMAÇÃO DAS PEÇAS Existem diversos processos para dar forma às peças cerâmicas, e a seleção de um deles depende fundamentalmente de fatores econômicos, da geometria e das características do produto. Os métodos mais utilizados compreendem: colagem, prensagem, extrusão e torneamento. Colagem ou Fundição Consiste em verter uma suspensão (barbotina) num molde de gesso, onde permanece durante um certo tempo até que a água contida na suspensão seja absorvida pelo gesso; enquanto isso, as partículas sólidas vão se acomodando na superfície do molde, formando a parede da peça. O produto assim formado apresentará uma configuração externa que reproduz a forma interna do molde de gesso. Mais recentemente tem se difundido a fundição sob pressão em moldes de resina porosa. Prensagem Nesta operação utiliza-se sempre que possível massas granuladas e com baixo de teor de umidade. Diversos são os tipos de prensa utilizados, como fricção, hidráulica e hidráulicamecânica, podendo ser de mono ou dupla ação e ainda ter dispositivos de vibração, vácuo e aquecimento. Para muitas aplicações são empregadas prensas isostática, cujo sistema difere dos outros. A massa granulada com praticamente 0% de umidade é colocada num molde de borracha ou outro material polimérico, que é em seguida fechado hermeticamente e introduzido numa câmara contendo um fluido, que é comprimido e em conseqüência exercendo uma forte pressão, por igual, no molde. No caso de grandes produções de peças que apresentam seções pequenas em relação ao comprimento, a pressão é exercida somente sobre a face maior para facilitar a extração da peça, como é o caso da parte cerâmica da vela do automóvel, isoladores elétricos e outros. O princípio da prensagem isostática também está sendo aplicado para obtenção de materiais de revestimento (placas cerâmicas), onde.a punção superior da prensa é revestido por uma membrana polimérica, com uma camada interposta de óleo, que distribui a pressão de modo uniforme sobre toda a superfície ou peça a ser prensada. Outra aplicação da prensagem isostática que vem crescendo, é na fabricação de determinadas peças do segmento de louça de mesa. Extrusão A massa plástica é colocada numa extrusora, também conhecida como maromba, onde é compactada e forçada por um pistão ou eixo helicoidal, através de bocal com determinado formato. Como resultado obtém-se uma coluna extrudada, com seção transversal com o formato e dimensões desejados; em seguida, essa coluna é cortada, obtendo-se desse modo peças como tijolos vazados, blocos, tubos e outros produtos de formato regular. A extrusão pode ser uma etapa intermediária do processo de formação, seguindo-se, após corte da coluna extrudada, a prensagem como é o caso para a maioria das telhas, ou o torneamento, como para os isoladores elétricos, xícaras e pratos, entre outros. 9

10 Torneamento Como descrito anteriormente, o torneamento em geral é uma etapa posterior à extrusão, realizada em tornos mecânicos ou manuais, onde a peça adquire seu formato final. ACABAMENTO Normalmente, a maioria dos produtos cerâmicos é retirada dos fornos, inspecionada e remetida ao consumo. Alguns produtos, no entanto, requerem processamento adicional para atender a algumas características, não possíveis de serem obtidas durante o processo de fabricação. O processamento pós-queima recebe o nome genérico de acabamento e pode incluir polimento, corte, furação, entre outros. ESMALTAÇÃO E DECORAÇÃO Muitos produtos cerâmicos, como louça sanitária, louça de mesa, isoladores elétricos, materiais de revestimento e outros, recebem uma camada fina e contínua de um material denominado de esmalte ou vidrado, que após a queima adquire o aspecto vítreo. Esta camada vítrea contribui para os aspectos estéticos, higiênicos e melhoria de algumas propriedades como a mecânica e a elétrica. As composições dos esmaltes (vidrados) são inúmeras e sua formulação depende das características do corpo cerâmico, das características finais do esmalte e da temperatura de queima. Tipos de Esmaltes Os esmaltes (vidrados) podem ser classificados em cru, de fritas ou uma mistura de ambos: esmalte cru - c onstitui-se de uma mistura de matérias-primas numa granulometria bastante fina, que é aplicada, na forma de suspensão, à superfície da peça cerâmica. Na operação de queima a mistura se funde e adere ao corpo cerâmico, adquirindo o aspecto vítreo durante o resfriamento. Esse tipo de vidrado é aplicado em peças que são queimadas em temperaturas superiores a 1200 ºC, como sanitários e peças de porcelana. esmalte de fritas - o s esmaltes de fritas diferem dos crus por terem em sua constituição o material denominado de frita. Esta pode ser definida como composto vítreo, insolúvel em água, que é obtida por fusão e posterior resfriamento brusco de misturas controladas de matérias-primas. O processo de fritagem é aquele que implica na insolubilização dos componentes solúveis em água após tratamento térmico, em geral, entre 1300 ºC e 1500 ºC, 10

11 quando ocorre a fusão das matérias-primas e a formação de um vidro. Os esmaltes contendo fritas são utilizados em produtos submetidos a temperaturas inferiores a 1200 ºC. Preparação do Esmalte (Vidrados) A preparação do esmalte consiste basicamente das seguintes etapas: dosagem das matérias-primas fritadas ou não fritadas ou ambas, moagem e homogeneização a úmido em moinho de bolas, armazenamento em tanques com agitação Durante a preparação do esmalte são introduzidos na suspensão um ou mais produtos químicos com a finalidade de proporcionar ou corrigir determinadas características. Entre eles podemos citar ligantes, plastificantes, defloculantes, fluidificantes, anti-espumantes, etc. Aplicação do Esmalte (Vidrados) Os esmaltes podem ser aplicados no corpo cerâmico de diferentes maneiras e que dependem da forma, do tamanho, da quantidade e da estrutura das peças, incluindo também os efeitos que se deseja obter na superfície esmaltada. Entre eles podemos citar: imersão, pulverização, campânula, cortina, disco, gotejamento e aplicação em campo elétrostático. Em muitas indústrias e dependendo do segmento cerâmico o setor da esmaltação é totalmente automatizado. Corantes Para conferir coloração aos esmaltes, são adicionados materiais denominados corantes. A formação da cor nos materiais vítreos pode ocorrer de três maneiras: por solução de íons cromóforos, geralmente, metais do grupo de transição (Cr, Cu, Fe, Co, Ni, Mn, U e V). por dispersão coloidal de metais ou metalóides ou composto químico (Ouro, Prata e Cobre). por dispersão de cristais coloridos (pigmentos cerâmicos). O processo de fabricação dos pigmentos cerâmicos compreende as etapas: pesagem, mistura e moagem das matérias-primas (óxidos e outros compostos químicos); acondicionamento da mistura moída em caixas refratárias; calcinação das caixas em fornos intermitentes, túnel ou rotativo em temperaturas que variam de 1200 ºC a 1300 ºC; lavagem do material calcinado para eliminação de eventuais materiais solúveis; moagem; ensacamento, armazenamento e distribuição. Enquanto que os óxidos corantes são pouco estáveis em temperaturas elevadas e no meio em que se encontram imersos, gerando cores pouco constantes ou reprodutíveis, os pigmentos cerâmicos são estruturas inorgânicas, as quais são capazes de desenvolver a cor e estabilizá-la em altas temperaturas e aos agentes químicos, resistindo os ataques agressivos causados pelos vidrados devido a ação fundente de seus componentes, em outras palavras são compostos insolúveis ou que sua solubilidade não é significativa. 11

12 Decoração Muitos materiais também são submetidos a uma decoração, a qual pode ser feita por diversos métodos, como serigrafia, decalcomania, pincel e outros. Nestes casos são utilizadas tintas que adquirem suas características finais após a queima das peças. Ambiente Institucional Aparentemente, um grande desafio que paira sobre a cadeia da cerâmica é a possibilidade futura de esgotamento da sua principal matéria-prima, a argila. Por tratar-se de um recurso natural não renovável, sua utilização requer uma atenção mais cuidadosa no processo de exploração. Outro problema, diz respeito às fontes de energia utilizadas no segmento cerâmico. A lenha ainda é a principal matriz energética do setor cerâmico. Essa fonte de energia, bastante utilizada, traz variações na queima do processo produtivo, prejudicando a uniformidade do produto cerâmico. Além disso, os resíduos da utilização da lenha no processo produtivo trazem impactos negativos ao meio ambiente O setor de louças e objetos decorativos diz respeito aos resíduos em gesso, decorrentes dos moldes fabricados. O processo produtivo exige que os moldes sejam trocados com freqüência, sendo os já utilizados descartados no meio ambiente. Reciclagem A cerâmica já queimada não é biodegradável por reagir ao calor e a chuva, tendo como única saída ecologicamente correta a reciclagem. O descarte, que não pode ser nem reutilizado e nem reciclado é tratado (se apresentarem substancias tóxicas ou nocivas) e despejado em aterros. Alguns esmaltes utilizados no processo de fabricação cerâmico, contem metais pesados como chumbo e cádmio, e se a frita utilizada for a base de sódio, solubiliza-se em presença de água e pode contaminar o solo. Com a evolução na formulação da massa cerâmica, junto com um trabalho constante de redução de quebras (peças) nos fornos, vários testes foram feitos visando adicionar o caco moído (por processo de britagem) em percentuais reduzidos como matéria-prima, afim de reduzir a zero o descarte na natureza. 12

13 FLUXOGRAMA 13

14 Referências bibliográficas 1. RADO, Paul. Introducción a la tecnología de la cerámica.omega S.ª, Barcelona, BARBA,Antonio ; et al. Materias primas para la fabricación de suportes de baldosas cerámicas. Instituto de tecnología cerámica-aice, GRIMSHAW, Rex W. The chemistry and physics of clay and allied ceramic material. Londom, Ernest Benn,