Matérias-primas usadas no processamento de materiais cerâmicos 20/3/18

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1 Matérias-primas usadas no processamento de materiais cerâmicos 20/3/18

2 Matérias-primas Sintéticas 1 aluminas 2 magnésia 3 mulita 4 mulita-zircônia 5 óxido de zinco 6 carbeto de silício 7 ferritas 8 sílica ativa 9 - zircônia

3 1. Alumina - Al 2 O 3

4 1 - Aluminas A palavra alumina apesar de ser um termo químico específico para definir o óxido de alumínio (Al 2 O 3 ), na prática comercial existe uma grande variedade de tipos de alumina que recebem uma série de adjetivos, tais como: calcinada, baixa soda, hidratada, gama, tabular, eletrofundida e outras. A base para a produção dessas aluminas é principalmente o processo Bayer

5 Óxidos e hidróxidos de alumínio Fonte: Alcoa

6 Óxidos e hidróxidos de alumínio

7 1 - Aluminas Vanderlei Ferreira - IPEN

8 1 - Aluminas Vanderlei Ferreira - IPEN

9 Aluminas Grande parte da alumina produzida pelo processo Bayer destina-se à produção de alumínio primário. Esta alumina é constituída de óxido de alumínio alfa, algumas fases de transição e um pouco de gibbsita; sua aplicação em cerâmica é restrita.

10 Produção da alumina calcinada Processo Bayer

11 Processo Bayer

12 Lixiviação da bauxita tanque C 4-8 atm 5 h Al 2 O 3.xH 2 O + 2 NaOH 2 NaAlO 2 + (x+1) H 2 O Hidrólise tanque 17 Calcinação forno 17

13 3/4/18

14 Alumina Calcinada para Cerâmica introdução de modificações no processo Bayer tratamento térmico temperaturas que variam de 1250 a 1500ºC redução do teor de Na 2 O controle do tamanho de partículas

15 Alumina Calcinada para Cerâmica (1250 a 1500ºC) Aplicações: São empregadas para fabricação de refratários, fibras cerâmicas e de inúmeros produtos classificados como cerâmica técnica, tais como: isoladores elétricos de porcelanas, placas para revestimento de moinhos e silos, elementos moedores (esferas e cilindros), guia-fios para a indústria têxtil, camisas e pistões de bombas, bicos de pulverização agrícola, tubos de proteção de termopar, selos mecânicos, parte cerâmica da vela de ignição, substratos para microeletrônica e outras.

16 Aluminas eletrofundidas marrom e branca

17 Aluminas eletrofundidas marrom e branca Forno Higgins Fonte: Elfusa

18 Fonte: Tese Leonardo Curimbaba

19 Alumina Eletrofundida Marrom (óxido de alumínio eletrofundido marrom) A matéria prima principal é a bauxita calcinada, que em mistura com coque de petróleo ilmenita e cavaco de ferro, sofre um processo de fusão em fornos elétricos especiais, formando após o resfriamento, blocos do produto desejado. Aplicações: Indústria de abrasivos e de refratários. Catálogo da Elfusa de Eletrofusão Agregados: parte mais grossa dos refratários cerâmicos

20 Alumina Eletrofundida Branca (oxido de alumínio eletrofundido branco) O processo de fabricação assemelha-se ao da fabricação de óxido de alumínio eletrofundido a partir do bauxita, diferindo, somente, quanto as matérias-primas da carga e ao fato de não haver redução quando da eletrofusão. Neste caso emprega-se como matéria-prima apenas a alumina. Em alguns casos é adicionado à alumina, pequenos teores de óxido de cromo. Aplicações: Indústria de abrasivos e de refratários e em algumas massas de porcelana em substituição ao quartzo. Catálogo da Elfusa de Eletrofusão

21 Alumina eletrofundida Fonte: Elfusa

22 LINHA DE PRODUÇÃO - SINTERIZADOS MATÉRIA PRIMA Material Sinterizado MOINHO DE BOLAS CALCINADOR SECADOR BRITAGEM MOAGEM EMBALAGEM TRATAMENTO MAGNÉTICO CLASSIFICAÇÃO MOINHO DE BOLAS Fonte: Curso de refratários 2015 Prof. Edmilson - ELFUSA

23 Alumina Tabular É obtida pela calcinação da alumina em temperatura próxima a de fusão do óxido de alumínio (2050 ºC). Aplicações: Indústria de refratários.

24 Aluminas especiais para Cerâmica no caso de aplicações que exigem aluminas isentas de impurezas, granulometria extremamente fina, tamanho e forma de grãos rigorosamente controlados, utilizam-se outras aluminas, obtidas por processos químicos não convencionais. Precipitação homogênea - Processo sol-gel Exemplos de aplicações: tubos de alumina translúcida para lâmpada de vapor de sódio, peças para implantes, catalisadores, etc.

25 Divisão mercadológica dos produtos refratários Fonte: Tese Leonardo Curimbaba

26 2. Magnésia - MgO

27 2. Magnésia - MgO As principais fontes para obtenção deste material é a magnesita natural (MgCO 3 ) e a água do mar ou salmoura pela precipitação do hidróxido de magnésio. Esta matéria-prima para ser empregada na fabricação de cerâmicas e principalmente para refratários, necessita sofrer um tratamento térmico em elevadas temperaturas para minimizar o problema de hidratação do óxido de magnésio e melhorar outras características.

28 Magnésia Importante matéria-prima para a indústria de refratários Pode estar na forma de sinter ou de grãos eletrofundidos magnesita a aproximadamente 700ºC se decompõe com desprendimento de CO 2, obtendo-se a magnésia cáustica Esta magnésia se hidrata e se carbonata facilmente Muita Reativa Aquecida em temperaturas mais elevadas (calcinada a morte) ela apresenta uma grande retração e sua reatividade à água e ao dióxido de carbono diminuem.

29 Magnésia A partir de 1.450ºC e mesmo antes, formam-se pequenos cristais submicroscópicos de magnésia cristalina, denominados de periclásio. Quanto mais elevada for a temperatura, maiores serão os cristais e, como consequência, maior será a resistência à hidratação. A essa magnésia dá-se o nome de magnésia calcinada a morte. O tratamento térmico é feito em temperaturas superiores a 1.700º C, em fornos rotativos ou verticais A produção de grãos eletrofundidos é feita em fornos elétricos a arco a partir do sinter.

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31 Magnésia

32 Magnésia Aplicações: na forma de sinter e grãos eletrofundidos - importante matéria-prima para obtenção de outros materiais sintéticos, como:- sinter e grãos eletrofundidos de espinélio, sinter e grãos eletrofundidos de magnésia sinter e grãos eletrofundidos de magnésia-cromita, entre outros. Os produtos a base de magnésia, em suas várias formas e composições, têm inúmeras aplicações e em diversos setores, tais como siderurgia, cobre, cal, cimento e vidro.

33 3. Mulita - 3Al 2 O 3.2SiO 2 3Al 2 O 3(s) + 2SiO 2(s) 3Al 2 O 3.2SiO 2

34 3. Mulita Sintética A mulita é um silicato de alumínio (3Al 2 O 3.2SiO 2 ), correspondendo a 71,8% de Al 2 O 3 e 28,2% de SiO 2, em massa. Ela existe na natureza apenas como uma raridade mineralógica (ilha de Mull, daí o nome); sendo obtida artificialmente por fusão ou pela reação no estado sólido (sinterização)

35 Localização da Ilha de Mull, onde a mulita de composição 3:2 foi primeiramente encontrada costa Oeste da Escócia Aksay at al., 1991

36 Diagrama de fases do sistema SiO 2 -Al 2 O 3 As quantidades estão em massa ou em mol? Justifique.

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39 3. Mulita Sintética Aplicações: fornos de redução de ferro-ligas fornos de fusão de cobre fornos de vidro regeneradores de indústrias siderúrgicas cuba e rampa de altos fornos confecção de moldes para microfusão vagonetas de fornos cerâmicos Processos de produção mobílias de fornos cerâmicos tubos (rolos) para fornos a rolo. Sinterização Eletrofusão Especiais

40 Aplicação de tubos de mulita Forno de rolos Forno de rolos - PAMESA

41 Exemplo de aplicação de Mulita Catálogo da Elfusa

42 4. Mulita - Zircônia

43 4 - Mulita - Zircônia É uma matéria-prima obtida artificialmente a partir de uma mistura de alumina (Al 2 O 3 ) e Zirconita (ZrSiO 4 ). Reação?? Dois são os processos empregados para a sua obtenção: o de sinterização e o de fusão, sendo este o mais usual. Aplicações: Fabricação de produtos refratários para a indústria vidreira e para a indústria siderúrgica (válvula gaveta) e na produção de alguns aços especiais).

44 5. Óxido de zinco

45 5 - Óxido de Zinco Existem alguns processos para obtenção do Óxido de Zinco, entre os quais o que é obtido através da volatilização do zinco metálico. Processos de obtenção: oxidação do zinco ustulação da blenda especiais (sol-gel) Aplicações: em composições de esmaltes (vidrados) pigmentos cerâmicos fabricação de varistores, empregados como componentes de pára-raios

46 6. Carbeto de silício

47 6 - Carbeto de silício - SiC carbeto de silício ou carborundum) fórmula química SiC resistente ao ataque dos ácidos e das bases bastante duro e abrasivo baixa tenacidade à fratura 2 a 6 MPa.m 1/2 vários polítipos -SiC -SiC

48 Carbeto de silício Aplicações Gerais Produção de rebolos e discos de corte usado para o polimento de pedras (como ardósia, mármore, granito e outras) e para o polimento de lentes; elementos de aquecimento para fornos elétricos polimento de vidros para óptica refratários Aplicações Especiais Blindagens Balísticas grande dureza (9,0 a 9,5 na escala de Mohs) boa condutibilidade, térmica e elétrica Sensores utilizados em altas temperaturas para aeronaves, satélites, naves espaciais Sensores utilizados dentro de motores automotivos para maior controle na combustão

49 Componentes fabricados com SiC ou Si 3 N 4

50 Aplicações do SiC em temperaturas elevadas

51 Processo convencional de produção do SiC SiO 2(s) + 3 C (s) SiC (s) + 2 CO (g) 2000 ºC 36 h Processo Acheson Estoque de MP Mistura de MP Forno SiO 2 + 2C Si (vapor) + 2CO Si (vapor) + C SiC Moagem Britagem Fragmentação primária Separação Magnética Classificação Embalagem

52 CARBETO DE SILÍCIO-SIC-PROCESSO DE PRODUÇÃO Fonte: Curso de refratários 2015 Prof. Edmilson - ELFUSA

53 CARBETO DE SILÍCIO-SIC-PROCESSO DE PRODUÇÃO MATÉRIA PRIMA REAÇÃO E RESFRIAMENTO SEPARAÇÃO DO MATERIAL BRITAGEM MOAGEM EMBALAGEM TRATAMENTO MAGNÉTICO CLASSIFICAÇÃO Fonte: Curso de refratários 2015 Prof. Edmilson - ELFUSA

54 CARBETO DE SILÍCIO-ESPECIFICAÇÕES Exterior (%) Interior (%) Centro (%) SiC ,5 C 2-6 0,05-0,1 0,01-0,05 Si 0,2-0,6 0,5-0,7 0,3-0,4 SiO ,15-0,4 0,1-0,2 Fe 0,3-0,6 0,09-0,2 0,09-01 Al 2 O 3 0,3-0,6 0,05-0,09 0,04 Fonte: Curso de refratários 2015 Prof. Edmilson - ELFUSA

55 Carbeto de Silício Processo de obtenção preparação em escala industrial foi conseguida pela primeira vez por Acheson, em 1981, pelo aquecimento de areia e coque em forno elétrico O processo de fabricação do carbeto de silício é essencialmente o mesmo até o presente Emprega-se areia silicosa, tanto quanto possível pura (o teor de SiO 2 não deve ser inferior a 97%) e coque de petróleo, em proporção estequiométrica com um ligeiro excesso de carbono A mistura é colocada num forno de formato retangular, sendo que a mesma fica disposta ao redor de um eletrodo de grafita e em seguida, levada a uma temperatura superior a 2000 ºC durante aproximadamente 36 horas, cuja reação principal efetua-se da seguinte maneira: SiO 2 + 2C Si (vapor) + 2CO Si (vapor) + C SiC

56 Carbeto de silício Ao redor do eletrodo origina-se o carbeto de silício na forma de grandes cristais (2000ºC) o carbeto de silício formado a temperaturas mais baixas é o -SiC, que cristaliza no sistema cúbico. o carbeto de silício formado a temperaturas mais elevadas é o -SiC, que cristaliza nos sistemas hexagonal e rômbico. Camadas de estruturas diferentes, tais como: SiC amorfo e uma crosta constituída por materiais que não reagiram O carbeto de silício é constituído de 96 a 99% de SiC, o restante sendo silício, sílica livre, carbono livre, óxido de cálcio, de ferro e de alumínio

57 . Carbeto de Silício Catálogo da Elfusa Fonte: Elfusa

58 7. Ferritas Exemplo: preparação da ferrita de zinco (Zn,Mn)O.Fe 2 O 3 10/4/18

59 Para saber mais sobre ferritas ler o artigo abaixo

60 Ferritas são óxidos de metais bivalentes misturados com óxido de ferro sendo este o componente principal Classes: 1 ferritas macias - estrutura do tipo espinélio MeO.Fe 2 O 3 - cúbica como MnZn, NiZn, NiMg e MgMnZn 2 ferritas macias - estrutura do tipo granada [A 3 B 2 (SiO 3 ) 3 ] - microondas 3 ferritas duras - estrutura do tipo magnetoplumbita (hexagonal) MeO.6Fe 2 O 3 (Ca 2+ ou Sr 2+ ) - imãs permanentes Aplicações: Indutores, hastes de antena, bobinas de carregamento e bloqueadores, garfos de deflexão, cabeças de gravação, amplificadores magnéticos, transformadores de potência Alta tecnologia A obtenção de ferritas policristalinas com boas propriedades magnéticas é considerada complexa e difícil propriedades não intrínseca depende da rota de processamento

61 Granadas são ortossilicatos de fórmula geral, A 3 B 2 (SiO 4 ) 3. As diversas variedades de granada podem incorporar diversos elementos químicos na sua estrutura, principalmente Ca,Mg, Al, Fe 2+, Fe 3+, Cr, Mn e Ti.

62 Ferrita magnética é um tipo de material da classe cerâmico ferrimagnético, que pode ser classificada como ferrita mole e ferrita dura. Devido à sua alta resistividade elétrica, baixas perdas específicas e propriedades magnéticas interessantes, que dependem de sua composição e microestrutura, as ferritas são empregadas em diversos dispositivos eletroeletrônicos. Para fins de aplicações eletroeletrônicas, em frequências elevadas, as ferritas magneticamente moles podem ser do tipo NiZn (níquel-zinco) ou MnZn (manganês-zinco). Já as ferritas magneticamente duras são ímãs permanentes à base de estrôncio ou bário. jornalpet.ee.ufcg.edu.br/materias/ed41art2 Bruna Larissa Lima Crisóstomo

63 Em termos de microestrutura, o tamanho médio, a porosidade e o contorno de grão são fatores que interferem diretamente nas propriedades magnéticas extrínsecas das ferritas. Tais fatores podem ser controlados durante o processamento e permitem que o material seja o mais adequado possível à determinada aplicação. Na utilização como núcleo de transformadores de alta frequência, por exemplo, o controle de grão é necessário para diminuir as perdas por correntes parasitas. Neste caso, quanto menor for o grão, menores serão as perdas. jornalpet.ee.ufcg.edu.br/materias/ed41art2 Bruna Larissa Lima Crisóstomo

64 Nas ferritas dos tipos NiZn e MnZn, a alta permeabilidade magnética e a baixa perda magnética possibilitam aplicações diversas, tais como: indústrias automobilísticas, telecomunicações, fontes chaveadas, núcleos de transformadores e reatores empregados em sistemas de iluminação. As ferritas magneticamente duras têm aplicações em motores elétricos, instrumentos de medidas de grandezas elétricas e transdutores acústicos, como microfones e alto-falantes. jornalpet.ee.ufcg.edu.br/materias/ed41art2 Bruna Larissa Lima Crisóstomo

65 Fonte:

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67 Exemplo: preparação da ferrita de zinco Processo convencional - reações entre sólidos Pós iniciais Produto da reação Totalmente reagido tempo

68 (Zn,Mn)O.Fe 2 O 3 Exemplo Preparação da Ferrita de Zn-Mn e processo de secagem por spray dryer

69 Exercício: preparação da ferrita de zinco e níquel Calcular as massas de matérias-primas necessárias para obtenção de 1 kg de ferrita de zinco-manganês pelo processo da reação no estado sólido. Considere as matériasprimas puras. Dados: Fe = 55,8; Mn = 55,0; Zn = 65,00; O = 16,0; C = 12,0 Qual o tempo de reação necessário para total conversão das MP em ferrita? Como você faria isso?

70 8. Sílica ativa

71 8 - Sílica Ativa - SiO 2 Obtenção processo de fabricação de ferro-silício ou de silício elementar. cinza da casca de arroz Aplicações: concretos refratários convencionais concretos refratários de baixo teor de cimento concretos refratários de ultra baixo teor de cimento concreto de fluência livre produção de mulita de elevada pureza

72 9. Zircônia

73 Zircônia ZrO 2 Dentre os materiais cerâmicos de alto desempenho, os que apresentam o maior potencial de aplicação são aqueles à base de zircônia. Isso decorre em função da combinação das propriedades: térmicas, mecânicas, químicas, elétricas e ópticas e do bom conhecimento das transformações de fases e do desenvolvimento da microestrutura desses materiais Ferramentas de corte e outros Algumas aplicações: Dispositivos eletrônico Células a combustível Catalisadores Implantes ortopédicos e dentários

74 9. Zircônia

75 zircônia Novo implante dentário de zircônia chega ao Brasil Novo implante apresenta como diferenciais maior biocompatibilidade que os materiais usados até hoje e a cor branca, que favorece a estética e imita o natural

76 Estrutura cristalina da ZIRCÔNIA = 5,56 g/cm 3 = 6,10 g/cm 3 = 5,83 g/cm 3

77 Estrutura cristalina da ZIRCÔNIA Diagrama de fases do sistema zircônia-ítria (STEVENS, 1986)

78 Zircônia Processo de produção Fusão alcalina da zirconita Moagem Lixiviação aquosa Lixiviação ácida Filtragem sulfatação hidroxilação calcinação ZrO 2 Fluxograma do processo de sulfatação para produção da zircônia

79 F I M