REDUÇÃO NOS CICLOS DE QUEIMA DE LOUÇAS SANITÁRIAS ATRAVÉS DA UTILIZAÇÃO DE MASSAS CERÂMICAS RICAS EM ÁLCALIS NA COMPOSIÇÃO

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1 REDUÇÃO NOS CICLOS DE QUEIMA DE LOUÇAS SANITÁRIAS ATRAVÉS DA UTILIZAÇÃO DE MASSAS CERÂMICAS RICAS EM ÁLCALIS NA COMPOSIÇÃO W.F.V. Cavalcante *, R.A.F. Sanguinetti, Y.P. Yadava R.Academio Hélio Ramos, S/N, CDU, Recife/PE, CEP: Departamento de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Pernambuco RESUMO Este trabalho tem como objetivo o estudo da utilização de matérias-primas ricas em álcalis na composição de massas para grés sanitários, que possibilite a produção de louças sanitárias em temperaturas de sinterização menores (~1170ºC) e que atendam todas as propriedades préestabelecidas pelas normas, com o intuito de reduzir os custos de produção (gás natural na queima) e possibilitar o aumento da produtividade industrial de louças sanitárias. Foram formuladas, cinco composições de massas, as quais utilizaram como matérias-primas: Argilas, caulim, feldspatos (sódico e potássico), granito, areia e uma amostra de vidro. As massas foram produzidas por processos de diluição e moagem em moinhos de bolas (alta alumina). Os corpos de prova foram produzidos por processo de colagem em moldes de gesso e queimados a 1170ºC e 1230ºC. Foram analisados: retração linear (secagem e queima), absorção de água, deformação, tensão de ruptura à flexão (seco e queimada), cor de queima. Os resultados mostraram que as massas têm considerável potencial de aplicação e que o teor de Na 2 O e K 2 O, é fator primordial na produção destas massas. Palavras-Chaves: Massa cerâmica, louças sanitárias e ciclos de queima. INTRODUÇÃO A composição das massas cerâmicas varia amplamente, dependendo das propriedades requeridas e do produto manufaturado. A Louça sanitária vitrificada ou grés sanitário é o corpo cerâmico para monoqueima à temperatura entre 1200ºC à 1350ºC, o qual contém como características: absorção nula ou quase nula e elevada resistência mecânica. A peça cerâmica geralmente é moldada por colagem de barbotinas defloculadas em molde de gesso (1). Na escolha da matéria-prima para a fabricação dos produtos cerâmicos muitos fatores devem ser considerados, dentre esses: composição química, pureza, tamanho e distribuição das partículas, cor de queima, reatividade, potencialidade de extração e custos (extração e transporte). Na indústria de grés sanitários as formulações das massas cerâmicas são geralmente compostas por argilas caoliníticas, quartzo e feldspatos em proporções variadas. Essas massas são chamadas triaxiais e contém pequenas quantidades de metais alcalinos e alcalinos terrosos como fonte de fundência. Estes componentes são subdivididos em dois grupos característicos de matérias-primas: plásticas e as não-plásticas. As matérias-primas plásticas são compostas basicamente pelas argilas. As argilas são rochas finamente divididas constituídas essencialmente por argilominerias (caulinitas e haloísitas) ricas em matéria-orgânica e ácidas húmicos, às vezes, contêm outros minerais, com gibsita, mica, quartzo, e argilominerias. Estes argilominerais são minerais geralmente cristalinos, quimicamente são silicatos de alumínio hidratados, contendo outros tipos de elementos, como magnésio, ferro, cálcio, sódio, potássio, lítio e outros. As argilas plásticas apresentam granulação fina (inferior a 2µ de diâmetro) que influenciam em muitas de suas propriedades, como: plasticidade, textura, permeabilidade e a resistência em verde e em seco dos corpos cerâmicos. As argilas durante a etapa de queima apresentam características refratárias. As matérias-primas não plásticas desempenham papel importante na composição das massas cerâmicas principalmente durante a etapa de queima (sinterização), pois estas possibilitam o balanceamento químico da composição das massas. A exemplo destas matérias-primas destacam -se os feldspatos e o quartzo (2, 3). Na sinterização a devido à ação do fogo, as matérias -primas sofrem várias transformações, tais como: transformações químicas-físicas (variações da estrutura química e cristalina) e transformações 1204

2 mecânicas, que são resultantes da conversão dos pós-cerâmicos em sólidos policristalinos densos. Geralmente durante a queima as massas cerâmicas triaxiais de louças sanitárias, obedecem às três fases: pré-aquecimento, queima e resfriamento. Em temperaturas abaixo de 1000ºC, cada matéria-prima sofre suas reações, em um sistema independente dos outros materiais presentes na amostra. A caulinita entre ºC perde a água estrutural, formando a metacaolinita. A 950ºC, a estrutura cristalina é rompida liberando sílica e formando o espinélio que a cerca de 1150ºC muda para mulita, a mesma é denominada primária e tem forma de escama, ficando estável até temperaturas bem mais altas. O quartzo apresenta variação polimórfica, com a transformação de inversão de quartzo de baixa (α) para quartzo de alta temperatura(β), que ocorre a 573ºC, com uma variação de volume de 0,8%. A formação da primeira fase líquida dá-se teoricamente a 985ºC, que é o ponto eutético do diagrama do quartzo com o feldspato potássico. A sílica elimina da decomposição do caulim é o que primeiro reage com o feldspato, enquanto que o quartzo como cristal não reage, sendo, no entanto, dissolvido pela fase vítrea. Porém, a taxa de reação (ou dissolução) só é significativa em temperaturas mais elevadas. A formação de fase líquida praticamente encerra-se com a fundição completa do feldspato potássico, temperatura de fusão do mineral a 1150ºC. Já o feldspato sódico apresenta o eutético com a sílica a 1065ºC. A 1075ºC ocorre à formação da mulita primária, enquanto que a formação de mulita secundária dá-se a aproximadamente 1200ºC, formada pela reação entre o feldspato e a argila. A viscosidade mais alta na fase vítrea da argila do que no feldspato favorece o crescimento dos cristais de mulita da argila para o feldspato. A mulita primária apresenta cristais pequenos (<0,5µm) com forma de escama na microestrutura, enquanto os cristais da secundária, são finos e aciculares (>1µm comprimento). Quanto menor for o diâmetro de grãos de fases cristalinas, mais rapidamente serão dissolvidos. A dissolução do quartzo é de grande importância para a qualidade de uma porcelana, bem como para a adequação do ciclo de queima. A sílica aumenta a viscosidade da fase líquida, aumentando a tenacidade desta. À medida que a temperatura aumenta a viscosidade decresce, mas isto é compensado pelo acréscimo de sílica dissolvida, permitindo que a porcelana tenha um intervalo de queima menos restrito e que as peças não deformem facilmente. A taxa de dissolução é fortemente influenciada pelo diâmetro de partícula, a temperatura e a composição química da fase vítrea. Na análise da resistência mecânica constata-se que grãos de quartzo maiores que 30µm trincam devido às transformações cristalinas, enfraquecendo a porcelana, e que a resistência mecânica atinge o máximo, quando o raio de grão de quartzo é aproximadamente três vezes a espessura da camada de sílica dissolvida que o envolve. No estudo da mecânica da fratura, sabe-se que o quartzo, ou outra partícula refratária como a alumina, aumenta a resistência mecânica, devido a capacidade de reter a propagação da trinca ou de dividir a propagação, aumentando o caminho a ser percorrido pela mesma (4, 5, 6, 7). Este trabalho tem por objetivo estudar a viabilidade das propriedades mecânicas e reológicas de massas cerâmicas produzidas com a utilização de matérias-primas ricas em álcalis para a produção de louças sanitárias submetidas a temperaturas de queima de 1170ºC e 1230ºC em fornos túneis com o intuito de reduzir os custos de produção e possibilitar o aumento da produtividade industrial de louças sanitárias. MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Foram utilizadas as seguintes matérias-primas: argila três amostras de argilas, uma plástica tipo ball-clay (argila 01) e duas pseudoplásticas, denominadas por argila02 e argila03 respectivamente; caulim, feldspatos 01 e feldspato02, areia, granito e uma amostra de vidro reciclado. Todas as matérias-primas constituintes deste trabalho são provenientes de 03 estados da região nordeste (Pernambuco, Paraíba e Rio Grande do Norte), as quais foram conseguidas junto a uma indústria de Louças Sanitárias, localizadas na cidade do Recife-PE. Foi estudada ainda uma massa industrial utilizada na fabricação de grés sanitários, denominada padrão. Metodologia 1205

3 Composição das Massas Foram formuladas cinco massas cerâmicas, três destas utilizando na composição o vidro reciclado (M01, M02 e M03) e duas sem utilizar o vidro (M04 e M05). As massas foram formuladas através da utilização do programa Reformix 2.0, bem como, as suas respectivas composições químicas teóricas que estão representadas na Tabela I e Tabela II. Tabela I Composições das Massas Cerâmicas Propostas Formuladas pelo uso do Reformix 2.0. COMPOSIÇÃO DETERMINAÇÕES (%) M01 M02 M03 M04 M05 ARGILA 01 9,30 9,10 9,00 9,50 9,10 ARGILA 02 10,00 12,00 12,00 18,50 29,00 ARGILA 03 17,80 15,50 15,00 10, CAULIM 1,90 1,90 1,90 2,00 4,40 FELDSPATO 01 7, ,00 14,40 17,00 FELDSPATO02 7,00 14,50 7, ,50 QUARTZO GRANITO 44,50 44,00 43,50 45,60 30,00 VIDRO(REC) 2,50 3,00 4, Produção das Massas As cinco formulações de massa propostas e a fórmula da massa denominada padrão, foram produzidas em cargas de 50Kg, em duas etapas: lavagem das argilas (diluição das argilas em água com silicato de sódio por meio de agitação mecânica e beneficiamento em peneira ABNT 60 meshas) e pela moagem das matérias-primas não-plásticas utilizando as argilas lavadas com via úmida em moinhos de bolas com alta alumina. Todas as cinco amostras das massas cerâmicas e massa padrão foram produzidas no laboratório de uma indústria cerâmica de louças sanitárias, a qual dispõem de muitos equipamentos que facilitaram a produção das mesmas, bem como, as suas respectivas análises mecânicas. Modelagem dos Corpos de Prova - A produção dos corpos de prova foi obtida por meio de processo de colagem das massas em moldes de gesso, todas as massas foram previamente beneficiadas em peneira ABNT 60 meshas, visando garantir a uniformidade dos tamanhos máximos das partículas das matérias-primas presentes nas massas. Foram confeccionados corpos de prova para ensaios de retração linear de secagem e queima, deformação e tensão de ruptura à flexão. Queima dos Corpos de Prova - Os corpos de prova foram sinterizados em três condições de queimas diferentes em fornos túneis de produção com combustão a gás natural de uma indústria de louças sanitárias. Estes foram identificados como forno I (~1230ºC / 2horas), forno II (~1230ºC / 40minutos) e forno III (~1170ºC / 4horas). Ensaios Cerâmicos -Foram realizados nas cinco amostras de massas propostas e na massa padrão, os seguintes ensaios cerâmicos : retração linear de secagem e queima, deformação, absorção de água, tensão de ruptura à flexão, cor após secagem e após queima. Estes ensaios foram realizados segundo métodos propostos por Souza Santos (3). Os resultados dos ensaios cerâmicos foram obtidos de médias aritméticas de cinco determinações. RESULTADOS E DISCUSSÃO Análise Química Na tabela II observa-se que as cinco massas propostas apresentaram percentuais de óxidos refratários (Al 2 O 3 / SiO 2 ) ligeiramente inferiores comparados com a massa padrão. E que as massas propostas M01(47,95%), M02(49,12%), M03(52,05%), M04(42,69%) e M05(49,12%) apresentaram percentuais elevados de óxido de sódio (Na 2 O) comparados com a massa padrão. Aliados aos maiores percentuais de Na 2 O, as massas M01, M02 e M03 apresentaram percentuais de óxido de chumbo que resultaram em massas com temperaturas de sinterização menores comparadas com a massa padrão. Todas as massas propostas apresentaram maiores teores de Fe 2 O 3 que acarretaram em massas com colorações mais escuras comparadas a massa padrão. 1206

4 Tabela II Composições Químicas Teóricas das Massas Propostas e Padrão AMOSTRAS DETERMINAÇÕES(%) P.F. SiO 2 Al 2O 3 Fe 2O 3 TiO 2 CaO MgO PbO K 2O Na 2O M01 5,33 63,91 21,73 1,46 0,31 0,43 0,26 0,61 3,52 2,53 M02 5,27 63,93 21,60 1,44 0,31 0,43 0,26 0,73 3,57 2,55 M03 5,19 63,90 21,27 1,42 0,30 0,42 0,26 1,11 3,59 2,60 M04 5,46 63,97 22,24 1,50 0,32 0,44 0, ,46 2,44 M05 5,75 62,93 22,96 1,38 0,31 0,35 0, ,95 2,25 Padrão 5,79 64,32 22,06 1,12 0,32 0,17 0, ,47 1,71 Ensaios Cerâmicos - Os resultados obtidos a apartir dos ensaios cerâmicos após secagem a 110ºC, realizados com as massas propostas e padrão estão contidos na Tabela III. Tabela III Propriedades Cerâmicas das Massas Propostas e Padrão Após Secagem a 110ºC Amostras Retração Linear de Secagem(%) Tensão de Ruptura à Flexão (MPa) Cor Após Secagem à 110ºC M01 3,46 27,12 Creme M02 3,93 25,99 Creme M03 2,8 33,12 Creme M04 1,95 23,10 Creme M05 2,85 37,48 Creme Padrão 3,37 34,20 Creme Claro Mediante os resultados apresentados na Tabela IV, observa-se que as diferenças percentuais das retrações lineares de secagem entre as massas propostas M01(2,67%), M02(16,62%), M03(- 19,91%), M04(-42,14%) e M05(-14,43%) comparadas com a massa padrão apresentaram na sua grande maioria menor, todavia das tensões de ruptura à flexão apenas a massa M05(9,61%) apresentou valor de tensão superior ao da massa padrão. Todas as massas apresentaram cores (creme) após secagem à 110ºC bastante próximas a da massa padrão (creme claro). Os resultados de retração linear de queima, deformação, absorção de água, tensão de ruptura à flexão e cor após queima a 1230ºC/2h, 1230ºC/40min e 1170ºC/4h das massas propostas e Padrão são apresentados nas Figuras 1, 2, 3 e 4 e na Tabela IV, respectivamente. Antes de analisarmos os valores obtidos paras os ensaios cerâmicos das massas propostas e padrão nas três condições de queima, deve-se salientar que todos os corpos de prova das massas M01, M02, M03 e M04, apresentaram visualmente aspectos de superqueima para as sinterizações de 1230ºC/2h e 1230/40min, o que em virtude da sinterização de alguns constituintes destas massas, resultaram em corpos de prova bastante porosos no interior e com sinais de vitrificação na superfície, todavia o mesmo não foi notado para os mesmos corpos de prova destas massas na queima a 1170ºC/4h, nem nos corpos de prova das massas M05 e Padrão para as três condições de queima. Analisando os resultados da Figura 1, observa-se que em virtude da superqueima citada para as massas M01, M02, M03 e M04, estas apresentaram os menores percentuais de Retrações Linear de Queima comparadas a massa Padrão nas temperaturas de 1230ºC/2h e 1230ºC/40min da ordem mínima de 27,00%(M01) e o mesmo não é observado na condição de queima de 1170ºC/4h onde com exceção da massa M03, todas as outras apresentaram retrações superiores a massa padrão. Na Figura 2, em virtude da fusibilidade excessiva das massas M01, M02, M03 e M04, apresentaram deformações superiores a 40% comparadas com a deformação da massa padrão na condição de queima de 1170ºC/4h. A massa M05 apresentou deformações superiores aos corpos de prova da massa padrão para as três condições de queima. Observa-se que na Figura 3, devido a presença de muitos poros oriundos da superqueima sofrida pelas massas M01, M02, M03 e M04, estas apresentaram valores percentuais de absorção extremamente elevados da ordem de 80%(M ºC/40min) à %(M ºC/40min) comparados a massa Padrão, ao contrário da massa M05 que apresentou absorções muito baixas 1207

5 para as respectivas condições de queima 1230ºC/4h(0%), 1230ºC/40min(-73,33%) e 1170ºC/4h(- 92,45%). Todavia as cinco massas propostas confirmaram melhor sinterização para a condição de queima a 1170ºC/4h em virtude das absorções extremamente baixas apresentadas comparadas com a massa padrão. Na Figura 4, observa-se que em virtude dos micro-poros presentes no interior dos corpos de prova das amostras das massas M01, M02, M03 e M04, após a sinterização nas condições de queima de 1230ºC/2h e 1230ºC/40min, tornando-os menos resistentes a tensão por flexão e impedindo a possibilidade de aplicação dessas massas para essas condições de queima, por não apresentarem resistência suficiente (mínimo 440 MPa) para uso em louças sanitárias. Ao contrário da massa M05 que apresentou valores aceitáveis comparados com a massa padrão para todas as condições de queima. É válido ressaltar que todas as amostras de massa propostas demonstraram significativas propriedades de resistência mecânica para as condições de queima de 1170ºC/4h. (1230ºC / 2h) (1230ºC / 40MIN) (1170ºC / 4h) Retração de Queima(%) Figura 1 Retração Linear de Queima das Massas Propostas e Padrão Após Sinterização (1230ºC / 2h) (1230ºC / 40MIN) (1170ºC / 4h) Figura 2 Deformações das Massas Propostas e Padrão Após Sinterização (1230ºC / 2h) (1230ºC / 40MIN) (1170ºC / 4h) Figura 3 Absorção de Água das Massas Propostas e Padrão Após Sinterização 1208

6 (1230ºC / 2h) (1230ºC / 40MIN) (1170ºC / 4h) Tensão de Ruptura à Flexão (MPa) Figura 4 Tensão de Ruptura à Flexão das Massas Propostas e Padrão Após Sinterização Na Tabela IV, podemos confirmar a influência dos elevados percentuais de Fe 2 O 3 presentes nas cinco amostras das massas propostas proporcionam o surgimento de massas mais escuras comparando-se a massa padrão. Tabela IV Resultados das Cores de Queimas das Massas Propostas e Padrão CONDIÇÕES DE QUEIMA MASSAS ALTERNATIVA E PADRÃO 1230ºC / 2h Laranja Claro Laranja Laranja Amarelo Escuro Amarelo Escuro Creme Escuro 1230ºC / 40min Cinza Claro Laranja Claro Laranja C lara Cinza Claro Cinza Claro Creme 1170ºC / 4h Chocolate Chocolate Chocolate Gráfite Cinza Marfin CONCLUSÃO Através dos resultados obtidos neste trabalho, pôde-se concluir: Das cinco massas propostas neste trabalho a massa M05 é que apresentou melhores resultados em todos os ensaios cerâmicos para todas as condições de queima, tornando-se bastante satisfatória para uso industrial de louças sanitárias. A massa proposta M04 apesar de não ser composta de com vidro apresentou-se extremamente fusível nas condições de queima de 1230ºC/2h e 1230ºC/40min, resultando em corpos de prova porosos com baixa resistência mecânica à flexão e que da mesma forma que as massas M01, M02 e M03, apresentaram boas propriedades cerâmicas na condição de queima de 1170ºC/4h. Todas as massas apresentaram tons de coloração de suas peças ligeiramente escuras em virtude dos maiores percentuais de Fe 2O 3 e TiO 2 presentes nas suas composições, todavia não deixando-as impossibilitadas para aplicação industrial em louças sanitárias. Devido aos bons resultados obtidos para a massa M05, sugerem-se estudos mais detalhados das condições de queima mais rápidas (30min / 1h / 1:30h) para a temperatura de 1170ºC, bem como, os possíveis esmaltes capazes de serem aplicados a esta massa proposta. REFERÊNCIAS 1. F.H., Norton, Introdução à Tecnologia Cerâmica, Editora Edgard Blücher, São Paulo (1973). 2. H.C., Ferreira, Caracterização e Aplicações Industriais de Argilas, Caulins e Feldspatos do Nordeste Brasileiro (Estado da Paraíba e Rio Grande do Norte), Tese de Doutorado, USP, São Paulo (1972). 3. P., Souza Santos, Ciência e Tecnologia das Argilas, Editora Edgard Blücher, São Paulo (1992), v M.J. Jackson, M. Mills, J. Mat. Sc., 32 (1997) L. Mattyasovszky-Zsolnay, J. Mat. Sc., 40,9 (1957) K.H. Shüller, Trans. Br. Ceram. Soc., v.63, n.2, (1967),

7 REDUCTION IN THE CYCLES OF SANITARY WARE BURNING THROUGH THE USE OF CERAMIC MASSES RICH IN ÁLKALIS IN THE COMPOSITION W.F.V. Cavalcante *, R.A.F. Sanguinetti, Y.P. Yadava R.Academio Hélio Ramos, S/N, CDU, Recife/PE, CEP: Departamento de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Pernambuco ABSTRACT This work has as objective to study the alkali rich raw materials as ceramic mass compositions for the use in sanitary-wares. Which make sanitary-ware production at lower temperatures of sintering (~1170ºC) and take care of all the properties as per established norms, with intention to reduce the production costs (natural gas in the burning). It will make possible to increase the industrial sanitary ware productivity. We have formulated five compositions of masses, which were used as raw materials: clay, kaolin, feldspar (sodium and potassium), granite, sand and a content of glass. The ceramic masses were produced by process of dilution and milling in high alumina ball mills. The test samples were produced by process of glue in Plaster of Paris molds and burnt at 1170ºC and 1230ºC. The test samples were analyzed in terms of linear retraction (drying and burns), water absorption, deformation, bending strength (dry and forest fire) and burning color.the results had shown that the masses have considerable potential of application and that the text of NaÒ and KO, are of prime factor in the production of these masses. Key-word: Ceramic mass, sanitary wares and cycles of burning. 1210