UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE. Curso de Tecnologia em Cerâmica. Trabalho de Conclusão de Curso

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1 UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE Curso de Tecnologia em Cerâmica Trabalho de Conclusão de Curso Utilização de planejamento estatístico por misturas para formulação de grês via seca Murilo Ramos Dandolini Adriano Michael Bernardin Resumo: O principal objetivo deste trabalho é a formulação de uma massa cerâmica para grés (BIb) através do processo de moagem via seca bem como a caracterização da mesma. Foram utilizadas para este artigo quatro matérias-primas argilosas as quais foram caracterizadas quanto sua composição química, MEV e análise térmica para posteriormente criar as formulações. Com base nos resultados, nove formulações preparadas pelo processo via seca foram caracterizadas quanto a distribuição granulométrica, absorção de água, retração de queima, perda ao fogo e resistência mecânica. Os resultados demonstraram que cinco das nove formulações apresentaram parâmetros tecnológicos compatíveis com a tipologia grês segundo a ISO 13006/NBR 13818:1997 Palavras-chave: Formulação de massa, caracterização, via seca, grês. 1. Introdução De acordo com a Associação Nacional dos Fabricantes de Cerâmica para Revestimentos (ANFACER), a indústria brasileira de revestimento cerâmico é composta por 98 empresas ativas, e 117 plantas industriais, com capacidade instalada para produzir 775 milhões de m 2 de revestimentos cerâmicos. Em 2004 geraram 25 mil empregos diretos e estima-se 250 mil indiretos em toda cadeia produtiva. As empresas são, em sua quase totalidade, de capital nacional e de pequeno e médio porte. Cabe

2 observar que a produção de pisos corresponde a 68% do total da produção brasileira (CONSTANTINO et al., 2006). Segundo a ANFACER e a ASPACER (Associação Paulista das Cerâmicas de Revestimento), 69% da produção brasileira é realizada pelo processo de via seca e 31% por via úmida. Os maiores investimentos em aumento da capacidade instalada estão localizados no pólo de Santa Gertrudes, que utiliza em sua quase totalidade o processo de produção via seca. As empresas líderes de mercado que utilizam o processo via úmida estão investindo em design e agregação de valor ao produto. Não investem em aumento de produção, mas somente para qualificar as unidades em operação, ou seja, estão abandonando o mercado de preços e investindo na qualidade do produto para atingirem público alvo de renda mais elevada (CONSTANTINO et al., 2006). Como já mencionado, na indústria de revestimentos cerâmicos dois processos de moagem destacam-se, o processo de moagem via seca e o de via úmida. O processo de moagem via seca consiste na secagem das argilas e moagem em moinho martelo ou pendular e granulação do pó. Este processo apresenta algumas vantagens como a diminuição de custos energéticos, simplicidade de operação, menor desgaste do equipamento, menor manutenção das instalações, elevada produtividade e redução no impacto ambiental (LOLLI et al., 2000). No processo via úmida, as várias matériasprimas são moídas com água em um moinho de bolas e então atomizadas em um spray dryer para formar grânulos. O processo de granulação por via seca vem sendo utilizado como uma alternativa tecnológica importante na granulação de massas cerâmicas usadas para a fabricação de produtos de revestimentos cerâmicos para piso e parede (SAMPAIO et al., 2006). No processo de granulação por via seca as argilas são transportadas das jazidas para o interior da fábrica, onde permanecem armazenadas com umidade variável entre 15 a 17%, principalmente em função das condições ambientais. Em seguida, por meio de um transportador de correia a matéria-prima é levada ao moinho de mandíbula para desagregação dos torrões maiores. Após desagregação no moinho de mandíbula a massa passa por um processo de retirada de imantáveis, e em seguida é transportada por correia a um britador de dentes, que realiza uma segunda desagregação para diminuir o tamanho de partícula e aumentar a superfície de contato. Finalmente a massa é transportada a um secador rotativo (PISOFORTE, 2010).

3 Em uma empresa típica de processamento por via seca as argilas entram no secador com umidade média de 17% e saem com 3% de umidade (em massa), com uma produção média de 30 ton/h. A massa seca é então armazenada para homogeneização resfriamento; após esta etapa é enviada para a moagem. A moagem é feita utilizandose moinhos de martelos, equipamentos que realizam a moagem por meio de rotores de martelos que, durante a rotação, cisalham o material entre os martelos e a couraça do equipamento. Um moinho de martelos geralmente faz a moagem 70% da massa que será utilizada no processo cerâmico, ou seja, 30% do material processado pelos martelos é retido nas peneiras, e este fluxo de massa retida é denominado de retorno (PISOFORTE, 2010). Depois de moída a massa é peneirada, e o material que passa através das peneiras é enviado ao silo primário. O material retido é enviado a um moinho de pinos, equipamento que realiza a moagem utilizando rotores de pinos por ação de forças inerciais, sendo que o tamanho das partículas do material é determinado em função da rotação do moinho. A massa moída e peneirada é enviada ao silo primário, responsável por abastecer os granuladores. Após armazenamento, a massa é processada nos granuladores, que têm a função de microgranular, homogeneizar e umidificar o pó pela ação de forças inerciais geradas pela rotação das pás e também pela ação de bicos pulverizadores, conferindo ao produto final uma granulometria compacta, esférica, sem porosidade e homogênea, características que garantem boa fluidez e resistência para operações de transporte, armazenamento e compactação dos pós. O padrão de umidade dos granuladores é tipicamente entre 8,8 a 9% em massa (PISOFORTE, 2010). As principais vantagens da moagem por via seca são a diminuição de custos energéticos; a simplicidade de operação; o menor desgaste dos equipamentos; a menor manutenção das instalações; elevada produtividade; redução no impacto ambiental; não há necessidade de uso de defloculante; as matérias-primas normalmente estão próximas às indústrias; as massas são compostas normalmente por um ou mais argilitos, sendo então massas baratas porque são à base de produtos baratos (LOLLI et al., 2000). Por motivos tecnológicos e mercadológicos é bastante provável que em um futuro próximo a monoqueima via seca e os pocelanatos técnicos e esmaltados

4 representem quase a totalidade da produção de pavimentos e revestimentos externos brasileira. Por sua vez, a denominação grês, na terminologia cerâmica, indica um material muito compacto, constituído por várias fases cristalinas dispersas em uma matriz vítrea com absorção de água entre 0,5% e 3%, enquanto o porcelanato tem raiz etimológica no termo porcelana, que denomina o material cerâmico mais nobre em evidência e apreciado há séculos. Desta forma, o principal objetivo deste trabalho foi a formulação de uma massa cerâmica grês pelo processo via seca que apresentasse desempenho adequado durante processamento e atendesse às propriedades constantes na NBR (1997) para o produto acabado. 2. Materiais e Métodos O presente trabalho foi desenvolvido na empresa Pisoforte Revestimentos Cerâmicos, que atualmente utiliza em sua formulação cerâmica quatro argilitos designados por argilitos 1, 2, 3 e C, provenientes de distintas formações geológicas. Além destas quatro matérias-primas naturais argilosas foi selecionado um feldspato fornecido pela empresa Votorantim para agir como principal fundente. As amostras foram coletadas in natura formando um lote padrão (5 kg cada). As amostras foram secas em estufa (SERVITECH, Mod. CT-308) em uma temperatura de 200 C durante 8 horas. Após a secagem, as mesmas foram destorroadas com o auxilio de um martelo para a fragmentação dos materiais mais rochosos. Em seguida foi feito o quarteamento e separada uma alíquota de 200 g para cada amostra para análise dilatométrica, química e microestrutural, e o restante do lote (~5 kg) foi utilizado para as formulações. A análise térmica das amostras foi realizada por dilatometria óptica em corpos-de-prova prensados (~2 MPa de pressão específica) com 7% de umidade (amostras com 4 mm de diâmetro e 2 mm de altura); o ensaio foi realizado com taxa de aquecimento de 10 C/min, de 20 C a 1400 C, utilizando-se a técnica de microscopia de aquecimento (MISURA Mod. HT). Para determinação do coeficiente de expansão térmica as

5 amostras foram queimadas a 1150 C em um ciclo de queima de 56 min, sendo retirados corpos-de-prova (200 mm comprimento e 5 mm altura) que foram então ensaiados em um dilatômetro (NETZSCH Mod. 402C, taxa de aquecimento de 7,5 C/min). Para a análise química as amostras foram preparadas como pérola fundida, utilizando espectrometria por dispersão de comprimentos de onda (WDS, PHILIPS Mod. PW2400). Finalmente, a composição mineralógica das amostras foi determinada por difração de raios X (PHILIPS Mod. X Pert, radiação Cu K α, operando a 30 kv e 15 ma, 2θ entre 0 e 90, passo de 0,05 e tempo de leitura de 1 s). Nove formulações utilizando as matérias-primas como fatores e seus valores máximos e mínimos como níveis foram determinadas segundo um planejamento estatístico por misturas com restrições os próprios valores máximos e mínimos de cada matériaprima. Para a realização da moagem a seco foram utilizados moinhos excêntricos de laboratório (SERVITECH, Mod. CT-242) feitos de porcelana. As bolas (elementos moedores) de alumina foram pesadas para uso padrão em todas as moagens. A massa de amostra usada em cada formulação foi de 1 kg. Os tempos de moagem empregados para o trabalho foram de 30 minutos. Após a moagem foi feita a distribuição de tamanho de partícula de cada formulação em um separador vibratório (VIBROTECH Mod. CT-025). Em seguida foi adicionado a este pó 7% em massa de água para cada formulação, a fim de fornecer uma condição ideal de prensagem. Após a umidificação o pó granulado das amostras foi prensado em uma prensa laboratorial manual (SERVITECH Mod. CT-320) com pressão específica de 380 kgf./cm 2 ; foram prensados 10 corpos-de-prova de cada formulação. Depois de prensados os corpos-de-prova foram secos em estufa (SERVITECH, Mod. CT-308) a 200 C, medidos, pesados e queimados. Todas as amostras foram queimadas no mesmo ciclo e em condições idênticas às da produção normal da empresa, com temperatura de patamar de queima de 1132 C e ciclo de queima de 38 minutos. Após a queima os mesmos foram novamente medidos e pesados a fim de se obter os resultados de retração de queima e perda ao fogo. Posteriormente 5 corpos-de-prova de cada formulação foram submetidos à fervura em uma cuba com temperatura controlada (SERVITECH, Mod. CT-306/A) para se obter os valores de absorção de

6 água, e os outros 5 foram submetidos à análise de resistência mecânica por compressão diametral (EMIC Mod. DL 10000, velocidade de ensaios de 10 mm/min). 3. Resultados e Discussões Os resultados da análise química das amostras são mostrados na tabela 1. Pela análise química percebe-se que os argilitos 1 e 2 apresentam composição bastante similar; desta forma, optou-se pelo uso apenas do argilito 1 para redução do número de variáveis na composição, pois segundo dados da empresa este argilito é mais plástico. O argilito 3 apresenta menor teor dos óxidos de sódio e magnésio, porém maior perda ao fogo, e o argilito C é o que apresenta o menor teor de óxido de ferro e maior teor de sílica. Por sua vez, o feldspato apresenta baixa alumina e maior quantidade de sílica, o que em combinação ao maior teor de soda e perda ao fogo quase nula garante uma maior quantidade de fase vítrea durante sinterização de um grés. Tabela 1. Análise química (FRX) das amostras Óxido (% massa) SiO 2 Al 2 O 3 Na 2 O K 2 O CaO MgO TiO 2 Fe 2 O 3 P.F. Argilito 1 66,2 14,7 1,1 5,0 0,4 2,3 0,6 5,4 3,9 Argilito 2 66,6 14,8 1,1 5,3 0,4 2,2 0,7 5,2 3,9 Argilito 3 66,1 15,8 0,5 5,1 0,1 1,6 0,7 5,2 4,5 Argilito C 70,4 13,2 1,3 4,2 1,1 1,6 0,5 3,8 3,6 Feldspato 76,6 12,4 3,2 4,9 0,8 0,2 0,2 1,1 0,6 Fonte: Autor, Com relação ao comportamento térmico na queima, a tabela 2 apresenta as temperaturas características das amostras. Pode-se perceber que o argilito 3 é o que apresenta menor temperatura de sinterização e menor temperatura de amolecimento, sendo o argilito mais fundente. O feldspato apresenta maior temperatura de sinterização e também de amolecimento; porém, os feldspatos apresentam maior quantidade de fase vítrea, sendo assim necessários para a obtenção de grés cerâmico,

7 justificando sua utilização. Com relação aos coeficientes de expansão térmica, o argilito 1 apresenta a menor expansão térmica e o feldspato a maior, comportamento comum a estes materiais. Tabela 2. Temperaturas características (dilatometria óptica) e coeficiente de expansão térmica das amostras Temperatura ( C) Sinterização Amolecimento Esfera CET (10-6 C -1 ) Argilito ,82 Argilito ,32 Argilito ,96 Argilito C ,19 Feldspato ,89 Fonte: Autor, A figura 1 apresenta os difratogramas das amostras dos argilitos. Todos os argilitos são formados basicamente por quartzo (21, 27 e 50 ), ortoclásio (21, 24 e 27 ), montmorilonita (6, 20 e 62 ), mica moscovita (9, 20, 27 e 35 ), magnetita (18, 29 e 35 ), atapulgita (42, 55 e 62 ) e ilita (39, 68 e 73 ) com presença destas fases em maior ou menor intensidade, dependendo do argilito. Devido à complexidade da formação geológica não foi possível fazer a quantificação das fases pela técnica de Rietveld. A fase atapulgita é um silicato hidratado de alumínio e magnésio. Curiosamente não foram encontradas fases de carbonatos nas amostras, o que é comum nos argilitos. Torna-se interessante nos argilitos a presença de ortoclásio, responsável pelo caráter fundente principalmente do argilito 3, e a presença de argilominerais com característica plásticas no processamento, caso das fases ilita e montmorilonita, presentes em todos os argilitos, mas com picos de baixa intensidade, figura 3. O quartzo apresenta os picos com maior intensidade em todos os argilitos, sendo uma contaminação comum a estes materiais argilosos. Também foi encontrado o mineral atapulgita (MgAlSi 4 O 10 (OH).4H 2 O), um silicato hidratado de alumínio e magnésio com partículas aciculares de textura muito fina relacionado à sepiolita e com

8 características muito plásticas, o que conferiria ao argilito C a maior plasticidade, pois este argilito apresenta as maiores intensidades de pico deste mineral. Figura 1. Difratogramas das amostras (At=atapulgita; Il=ilita; Mg=magnetita; Mo=moscovita; Mt= montmorilonita; Or=ortoclásio; Q=quartzo) A tabela 3 mostra o planejamento experimental por misturas utilizado neste trabalho. Os argilitos 1, 3 e C, além do feldspato, formam os fatores, com restrições impostas pelos valores máximos e mínimos de cada matéria-prima nas formulações. O argilito 2 foi desconsiderado por ser semelhante ao argilito 1. A formulação 9 representa o ponto central do experimento. Também são mostrados os resultados obtidos para os ensaios de absorção de água, retração linear após queima e resistência mecânica à compressão diametral.

9 Tabela 3. Planejamento experimental por misturas para as formulações e resultados para absorção de água (AA), retração linear após queima (RLQ) e resistência mecânica por compressão diametral (σ compr. ) Form. (%) Argilito 1 Argilito 3 Argilito C Feldspato AA (%) RLQ (%) σ compr. (kgf) D médio (µm) 1 0,50 0,30 0,10 0,10 2,7 7,0 1074,0 52,7 2 0,30 0,50 0,10 0,10 3,0 7,0 973,3 58,1 3 0,30 0,30 0,25 0,15 4,2 5,4 678,2 64,3 4 0,35 0,30 0,25 0,10 3,1 6,7 997,5 61,1 5 0,30 0,35 0,25 0,10 2,1 6,2 912,1 51,3 6 0,35 0,30 0,10 0,25 2,8 7,1 970,8 55,8 7 0,30 0,35 0,10 0,25 2,8 6,6 855,0 56,5 8 0,30 0,30 0,15 0,25 3,7 6,8 948,6 60,7 9 (C) 0,34 0,34 0,16 0,16 3,9 7,1 1242,0 58,9 Fonte: Autor, A partir dos resultados constantes da tabela 3 para a absorção de água (AA) pode ser obtida a análise de variância para esta propriedade, tabela 4. Como o planejamento experimental foi realizado com restrições aos teores máximo e mínimo das matériasprimas utilizadas, o único modelo a ser analisado é o linear. A análise de variância pelo teste F (de Fisher) mostra que o fator linear não é estatisticamente significativo, pois o teste F do modelo linear é muito menor que o erro, e a confiabilidade (p) dos resultados é muito baixa, com (1-p)100=15,9%. Este resultado é função da grande variabilidade dos resultados de absorção de água medida, o que dificulta a análise desta propriedade. De qualquer forma, os valores de absorção de água de todas as formulações tabela 3 são menores que o da formulação padrão da empresa, que é de 6%.

10 Tabela 4. Análise de variância para a absorção de água Modelo SQ efeito gl efeito MQ efeito SQ erro gl erro MQ erro F p R² Linear 0, ,167 3,04 5 0,608 0,275 0,841 0,142 total 3,54 8 0,443 Onde: SQ são as somas quadráticas; gl os graus de liberdade; MQ as médias quadráticas; F e p são testes de confiabilidade. Fonte: Autor, A tabela 5 mostra a análise de variância para a resistência à compressão diametral após queima. Como ocorreu para a absorção de água o modelo linear também não apresenta significância estatística, pois o teste F do modelo linear é muito menor que o erro, e a confiabilidade (p) dos resultados é muito baixa, com (1-p)100=34,9%. Deve ser observado que o desvio padrão das medidas de resistência mecânica foram muito grandes, sendo que o coeficiente de variação para algumas amostras chegou a 39,6%. Tabela 5. Análise de variância para a resistência à compressão diametral após queima Modelo SQ efeito gl efeito MQ efeito SQ erro gl erro MQ erro F p R² Linear , ,4 0,584 0,651 0,259 total ,2 Onde: SQ são as somas quadráticas; gl os graus de liberdade; MQ as médias quadráticas; F e p são testes de confiabilidade. Fonte: Autor, A tabela 6 mostra a análise de variância para a retração linear após queima. Neste caso o modelo linear apresenta significância estatística (F), com confiabilidade (p) de 74,4% e ajuste dos dados ao modelo (R²) de 52,6%, considerado médio.

11 Tabela 6. Análise de variância para a retração linear após queima Modelo SQ efeito gl efeito MQ efeito SQ erro gl erro MQ erro F p R² Linear 1, ,4282 1, ,2315 1,849 0,2556 0,5260 total 2, ,3053 Onde: SQ são as somas quadráticas; gl os graus de liberdade; MQ as médias quadráticas; F e p são testes de confiabilidade. Fonte: Autor, A partir dos dados da análise de variância para a retração de queima é possível obter os resultados graficamente, utilizando-se as curvas de nível, figura 2. Pelas curvas de nível pode-se perceber que a matéria-prima que causa maior retração após queima é o argilito 1, com tendência à retração linear maior que 7%. Este efeito é interessante, pois o argilito 1 apresenta temperatura de sinterização (1163 C) e de amolecimento (1237 C) mais elevadas, o que denotaria um mineral mais refratário. Porém, a retração de uma peça cerâmica durante seu processamento está associada ao grau de empacotamento das partículas durante compactação e à formação de fase vítrea durante a queima. Por sua vez, o mineral com menor retração após queima (<6%) é o argilito C, com temperatura de amolecimento mais baixa (1180 C). Argil. C 0,00 1,00 Feldspato 0,00 1,00 0,25 0,75 0,25 0,75 0,50 0,50 0,50 0,50 0,75 0,25 1,00 0,00 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 Argil. 1 Argil. 3 RLQ (%) > 7,2 < 7,2 < 7 < 6,8 < 6,6 < 6,4 < 6,2 < 6 0,75 0,25 1,00 0,00 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 Argil. 1 Argil. 3 RLQ (%) > 7,2 < 7,2 < 7,1 < 7 < 6,9 Figura 2. Curvas de nível para a retração linear após queima (AUTOR, 2010) Por sua vez o feldspato apresenta retração linear após queima similar às argilas 1 e 3, próxima a 7%, provavelmente devido à formação de fase vítrea durante a queima,

12 função típica dos feldspatos. O efeito de cada matérias-prima poderia ser melhor compreendido com a análise por difração de raios X após queima. A equação 1 mostra o efeito individual de cada matéria-prima sobre a retração linear de queima. Percebe-se claramente que o argilito 1 causa a maior retração de queima e o argilito C causa a menor retração. RLQ 7,24x 7,02x 6,84x 5,90 x (1) argilito1 argilito3 feldspato argilitoc A figura 4 apresenta a distribuição de tamanhos de partículas das formulações após moagem. Pode-se perceber que as partículas estão retidas em dois diâmetros médios, 45 e 75 µm, ou malhas 325 e 200 ABNT, respectivamente, mostrando uma distribuição bimodal, interessante para um maior empacotamento durante a conformação das peças. Figura 4. Distribuição de tamanho de partículas das formulações (AUTOR, 2010) 5. Considerações Finais Com relação ao trabalho sobre utilização de planejamento estatístico por misturas para formulação de grês via seca, os resultados obtidos foram:

13 1. Pela análise química mostrada na tabela 1 percebe-se que as matérias-primas argilosas apresentam composições químicas similares, compostas na sua maioria por sílica, bem como o feldspato, que em combinação garantem maior quantidade de fase vítrea durante a sinterização de um grês. Por sua vez o argilito C é o que apresenta menor teor de oxido de ferro, elemento indesejável na cerâmica. 2. Com relação ao comportamento térmico na queima, a tabela 2 apresenta as temperaturas características das amostras. Pode-se perceber que o argilito 3 é o que apresenta menor temperatura de sinterização e menor temperatura de amolecimento, sendo o argilito mais fundente. Torna-se interessante nos argilitos a presença de ortoclásio, responsável pelo caráter fundente principalmente do argilito 3. Pelas curvas de nível (Figura 2) pode-se perceber que a matéria-prima que causa maior retração após queima é o argilito 1, com tendência à retração linear maior que 7%. 3. De acordo com a figura 4, nota-se que as distribuições granulométricas das formulações apresentam comportamentos similares, bem como os valores do diâmetro médio de partícula das mesmas. De acordo com os resultados as formulações com menor diâmetro média de partícula, apresentaram menor absorção de água. 4. As absorções de água de todas as formulações obtiveram resultados inferiores ao padrão da empresa que é de (5 a 6%), sendo que cinco das nove formulações apresentaram valores de (0,5 a 3%) propriedades constantes na NBR (1997) para a tipologia grês. Com base nessas conclusões, pode-se dizer que cinco formulações obtiveram êxito, os resultados demonstram que é possível obter-se um grês via seca, bem como utilizar o planejamento estatístico por misturas. Desta forma, sugere-se a realização de um estudo de viabilidade técnico-econômica para verificar a possibilidade de implantação em indústrias de revestimento cerâmico por via seca. Entretanto, identificou-se a necessidade de uma otimização do estudo envolvendo ajustes nas condições de queima.

14 Referências Bibliográficas CEUSA REVESTIMENTOS CERÂMICOS. Frequently Asked Questions. Disponível em: Acesso em: 26 Setembro CONSTANTINO, O, A.; DA ROSA, S, U, S.; CORRÊA, R, A. Panorama do setor de revestimentos cerâmicos. Setembro 2006, disponível em: Acesso em: 10 Outubro LOLLI, L.; NASSETTI, G.; MARINO L. F. B. A Preparação a Seco de Massas Cerâmicas. Cerâmica Industrial, v. 5, n. 2, p MARTÍ, J, R.; SÁNCHEZ, A. Moagem de argilas por via seca para fabricação de revestimentos cerâmicos. Cerâmica informação, Talleres Jois, S.A.-Espanha, Janeiro/Fevereiro, n 62. MENEGON, G; DA LUZ, G. Novos produtos para massa cerâmica. Palestra. Disponível em: Acesso em: 26 Setembro SAMPAIO, V, G.; PINHEIRO, B, C, A.; HOLANDA, J, N, F. Granulação e caracterização de uma massa cerâmica para porcelanato. 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 15 a 19 de Novembro de 2006, Foz do Iguaçu, PR, Brasil.