UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO - USP ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL. Matérias-primas naturais e sintéticas. para a Indústria cerâmica

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1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO - USP ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL para a Indústria cerâmica

2 Matérias-primas Naturais Cerâmicas tradicionais Sintéticas Cerâmicas avançadas

3 Matérias-primas naturais São aquelas usadas como extraídas da natureza ou que foram submetidas a algum tratamento físico para eliminação de impurezas indesejáveis, ou seja sem alterar a composição química e mineralógica dos componentes principais.

4 Exemplos de algumas matérias-primas naturais agalmatolito andaluzita argila caulim bauxita calcário cianita cromita dolomita feldspato filitos grafita magnesita pirofilita quartzo silimanita talco wolastonita zirconita bentonita

5 Matérias-primas sintéticas São aquelas que individualmente ou em mistura foram submetidas a um tratamento térmico, que pode ser calcinação, sinterização, fusão e fusão/redução e as produzidas por processos químicos.

6 Exemplos de algumas matérias-primas sintéticas aluminas: calcinadas, eletrofundidas marrom e branca, tabular carbetos: silício, boro, tungstênio, etc espinélios ferritas magnésia mulita mulita-zircônia óxido de zinco sílica ativa tinatatos zircônia

7 Matérias-primas naturais

8 Argilas

9 Argilas Comparação entre as escalas principais de dimensões de partículas em sólidos Pérsio de Souza Santos

10 Matérias-primas naturais Argilas é um material natural textura terrosa granulação fina 50% das partículas menores que 2 µm constituída essencialmente de argilominerais Pode conter outros minerais que não são argilominerais (quartzo, mica, pirita, hematita, etc) matéria orgânica outras impurezas.

11 Matérias-primas naturais Argilas argilominerais são os minerais característicos das argilas; quimicamente são silicatos de alumínio ou magnésio hidratados, podendo conter outros íons Principais argilominerais Minerais Fórmula química ideal Grupo Família Caulinta Al 2 (Si 2 O 5 )(OH) 4 Haloisita Al 2 (Si 2 O 5 )(OH) 4.2H 2 O Montmorilonita (Al 1,67 Na 0,33 Mg 0,33 )(Si 2 O 5 )(OH) 2 Caulinita 1:1 Esmectita Pirofilita Al 2 (Si 2 O 5 ) 2 (OH) 2 Micas hidratadas Moscovita - ilita Al 2-x Mg x K 1-x-y (Si 1,5-y Al 0,5+y O 5 ) 2 (OH) 2 2:1

12 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS I Matérias-primas Naturais Estrutura dos argilominerais

13 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS I Matérias-primas Naturais Unidades estruturais extremamente estáveis Polimerizam formando folhas bidimensionais

14 Argilominerais mais importantes Plano de átomos Folha tetraédricas e octaédricas Camada 1:1 2:1 Folha ou lamela TO

15 Argilominerais mais importantes Folha ou lamela TOT

16 Argilominerais mais importantes

17 Argilominerais mais importantes O que é BENTONITA? é o nome genérico da argila composta pelo argilomineral MONTMORILONITA (55 70%), do grupo das ESMECTITAS, independente da sua origem ou ocorrência. IMPORTÂNCIA Alto poder de inchamento, alta capacidade de troca iônica e tixotrópica

18 Argilominerais mais importantes

19 Argilominerais mais importantes Resumo Estruturas do argilominerais mais importantes

20 Matérias-primas naturais Origem das Argilas A argila se origina da desagregação de rochas que comumente contém feldspato, por intemperismo.

21 Matérias-primas naturais Argilas Graças aos argilominerais, as argilas na presença de água desenvolvem uma série de propriedades tais como: plasticidade, resistência mecânica a úmido, retração linear de secagem, compactação, tixotropia, etc. Isso tudo explicam a grande variedade de aplicações tecnológicas das argilas.

22 Matérias-primas naturais Argilas Tipos de argilas Argilas comuns: são as de composição mista, com predomínio de minerais argilosos como: esmectita, ilitas e clorita, quartzo, carbonatos. - em quantidades menores são encontrados a caulinita, feldspatos e óxido de ferro. Argilas especiais: Teores superiores a 50% de caulinita Cerâmicas brancas e refratárias Argilas gordas ou magras: conforme menor ou maior quantidade de colóides colóides são responsáveis pela plasticidade da argila

23 Matérias-primas naturais Argilas Tipos de argilas Argilas ball clay nomenclatura tradicional plásticas ou semi-plásticas semi-refratárias (1200ºC) Argilas fire clay nomenclatura tradicional refratárias (ponto de fusão superior a 1425ºC) pode conter quartzo, ilita e outros minerais acessórios

24 Matérias-primas naturais Tipos de argilas

25 Matérias-primas naturais Argilas Áreas ou campos de aplicações das argilas A maioria das aplicações das argilas reporta-se ao domínio da cerâmica, onde as suas propriedades básicas são a plasticidade e o endurecimento quando queimada.

26 Matérias-primas naturais Argilas Áreas ou campos de aplicações das argilas Argilas ricas em caulinita - podem ser utilizadas em aplicações mais nobres: porcelanas produtos brancos - mais translúcidos - uso doméstico, isoladores elétricos ou noutros fins. Argilas comuns - construção civil. - cerâmica estrutural telhas, tijolos, lajotas, lajes, etc

27 Matérias-primas naturais Argilas Áreas ou campos de aplicações das argilas Outros campos de aplicação da argila incluem: indústrias do papel, do cimento, de refratários, da borracha, de aglomerantes de areia em moldes para fundição, dos plásticos e tintas plásticas; agricultura; agregados leves indústrias de óleos comestíveis

28 Matérias-primas naturais Argilas Identificação dos argilominerais difração de raios X Análises térmicas Análises microscópicas Vamos estudar no próximo assunto da ementa

29 Matérias-primas naturais Beneficiamento de argilas A presença de outros minerais, muitas vezes considerados como impurezas, pode afetar substancialmente as características de uma argila para uma dada aplicação; daí a razão, para muitas aplicações, de se eliminar por processos físicos os minerais indesejáveis.

30 Matérias-primas naturais Beneficiamento de argilas manual ou mecanicamente transportada para a usina de beneficiamento por caminhões, vagões ou transportadores automáticos é feito quando se deseja melhorar uma argila, buscando-se as propriedades desejadas para uma determinada aplicação Consiste na remoção de impurezas indesejáveis (como areia e mica) ou ajuste de granulometria O processo consiste basicamente de operações unitárias, como separação granulométrica por peneiramento, sedimentação seletiva, filtração e secagem, flotação por espumas

31 Matérias-primas naturais Beneficiamento de argilas Diferentes métodos de beneficiamento podem ser usados, dependendo da textura e grau de agregação entre as partículas de argila Para uma argila com baixo teor de impurezas, ou em que as impurezas não afetam seu uso industrial, ela é: secagem, britagem moagem em moinho de bolas até a granulometria desejada pelo consumidor. Exemplos: argilas plásticas para: piso vermelho, agregados leves, cimento, inertes para inseticidas

32 Matérias-primas naturais beneficiamento a úmido de argilas é feito normalmente para argilas cauliníticas faz-se uma dispersão da argila estável, defloculada, as frações mais grosseiras como quartzo e mica são separadas em tambores rotativos ou peneiras vibratórias (peneira ABNT 200), a barbotina é levada a um tanque de sedimentação e floculada com um ácido - espessamento. líquido sobrenadante é descartado o material espessado é submetido a um filtro-prensa. a torta obtida é seca, moída em moinho de disco ou bolas, e ensacada para consumo

33 Matérias-primas naturais Beneficiamento de argilas Peneira Vibratória Cilíndrica

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36 Matérias-primas naturais Aglomeração Aglomeração é entendida como um processo em que materiais com granulometria fina são convertidos em porções maiores (várias vezes)

37 Matérias-primas naturais

38 Caulim Caulinita - Al 2 O 3.2SiO 2.2H 2 O

39 China Kao-Lin Argila da China Feldspatos alcalinos Micas caulim Al 2 O 3.2SiO 2.2H 2 O Refratários Porcelanas Revestimentos metacaulim Mulita + SiO 2 Al 2 O 3.2SiO 2 Fornece resistência e plasticidade na conformação desses materiais

40 Rochas graníticas Formação Intemperismo Caulim caulinização Minerais associados Mica Feldspatos Quartzo Outros

41 Caulim - Al 2 O 3.2SiO 2.2H 2 O É uma argila branca, macia, plástica Partículas finas tipo placas Mineral caulinita Propriedades Alta cristalinidade Alto grau de brancura Elevada opacidade Resistência do filme após aplicação Viscosidade de suspensões

42 Matérias-primas naturais Caulim Aplicações em cerâmicas Converte em mulita e vidro acima de 1000ºC Formulações porcelanas de mesa e sanitárias, revestimentos Formulações de refratários Reduz deformação piroplástica durante a queima

43 Feldspato

44 Matérias-primas naturais Feldspato O termo feldspato cobre uma série de alumino-silicatos alcalinos ou alcalinos terrosos. Os feldspatos naturais são normalmente uma mistura em diversas proporções de alumino-silicatos de potássio, de sódio, de cálcio, de lítio e ocasionalmente de bário e de césio. Para a indústria cerâmica os feldspatos de maior importância são: patássico (K 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 ) sódico (Na 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 ) ortoclásio albita anortita (CaO.Al 2 O 3.2SiO 2 ) Aplicação: por terem temperatura de fusão relativamente baixa são empregados como geradores de massa vítrea nas massas cerâmicas e nos vidrados.

45 Matérias-primas naturais Feldspato Aplicações: Fabricação de vidro, fritas, esmaltes (vidrados), placas cerâmicas, isoladores elétricos de porcelana, louça de mesa e louça sanitária. Feldspato é a segunda matéria-prima mais importante para indústria cerâmica tradicional

46 Quartzo

47 Matérias-primas naturais Quartzo Ele cristaliza no sistema hexagonal, apresenta massa específica de 2,65 g/cm 3, dureza 7 e ponto de fusão da ordem de ºC. O quartzo é estável abaixo de 870 ºC, apresentando-se em variedades cristalinas como quartzo hialino, ametista, quartzo leitoso, esfumaçado, etc. Depósitos como: cascalhos, seixos, arenitos e quartzitos, são formados principalmente de quartzo. Encontra-se também fragmentado em pequenas partículas formando grandes concentrações naturais (areias) resultante de alteração das rochas.

48 Matérias-primas naturais Quartzo Aplicações: em massas de cerâmica branca e de materiais de revestimento, sendo um dos componentes fundamentais para controle da dilatação e para ajuste da viscosidade da fase líquida formada durante a queima, além de facilitar a secagem e a liberação dos gases durante a queima, SiO 2 na fabricação de isolantes térmicos em composições de vidro e esmaltes (vidrados) na fabricação de materiais refratários. argila feldspato

49 Matérias-primas naturais Argilas

50 Matérias-primas sintéticas

51 Aluminas

52 Matérias-primas sintéticas 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

53 Matérias-primas sintéticas Aluminas Óxidos e hidróxidos de alumínio

54 Matérias-primas sintéticas Aluminas Produção da alumina calcinada Processo Bayer Lixiviação da bauxita 110 C 4-8 atm 5 h Al 2 O 3.xH 2 O + 2 NaOH 2 NaAlO 2 + (x+1) H 2 O Hidrólise Calcinação

55 Matérias-primas sintéticas Aluminas 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

56 Matérias-primas sintéticas Aluminas Alumina Calcinada para Cerâmica - 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.

57 Matérias-primas sintéticas Aluminas Alumina Eletrofundida Marrom (óxido de alumínio eletrofundido marrom) Aplicações: Indústria de abrasivos e de refratários. Alumina Eletrofundida Branca (oxido de alumínio eletrofundido branco) Aplicações: Indústria de abrasivos e de refratários e em algumas massas de porcelana em substituição ao quartzo. Alumina Tabular É obtida pela calcinação da alumina em temperatura próxima a de fusão do óxido de alumínio (2020 ºC).. Aplicações: Indústria de refratários

58 Fonte: Elfusa PROCESSAMENTO DE MATERIAIS CERÂMICOS Matérias-primas sintéticas Aluminas eletrofundidas marrom e branca Forno Higgins

59 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS I Alumina eletrofundida matérias-primas sintéticas Fonte: Elfusa

60 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS I matérias-primas sintéticas Catálogo da Elfusa de Eletrofusão

61 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS I matérias-primas sintéticas Catálogo da Elfusa de Eletrofusão

62 Matérias-primas sintéticas Aluminas 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.

63 Matérias-primas sintéticas Carbeto de silício

64 Matérias-primas sintéticas Carbeto de silício carbeto de silício ou carborundum) 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 dureza (9,0 a 9,5 na escala de Mohs) boa condutibilidade, térmica e elétrica

65 Matérias-primas sintéticas 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 Sensores utilizados em altas temperaturas para aeronaves, satélites, naves espaciais Sensores utilizados dentro de motores automotivos para maior controle na combustão

66 Matérias-primas sintéticas Carbeto de silício

67 Matérias-primas sintéticas Carbeto de silício 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. Catálogo da Elfusa

68 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

69 Matérias-primas sintéticas Mulita

70 Matérias-primas sintéticas Mulita 3Al 2 O 3(s) + 2SiO 2(s) 3Al 2 O 3.2SiO 2 Processos de produção Sinterização Eletrofusão Especiais

71 Matérias-primas sintéticas Mulita 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 mobílias de fornos cerâmicos tubos (rolos) para fornos a rolo.

72 Matérias-primas sintéticas Mulita Aplicação de tubos de mulita Forno de rolos Forno de rolos - PAMESA

73 Matérias-primas sintéticas Mulita Catálogo da Elfusa

74 Matérias-primas sintéticas Magnésia

75 Matérias-primas sintéticas 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.

76 Matérias-primas sintéticas 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.

77 Matérias-primas sintéticas 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.

78 Matérias-primas sintéticas

79 Matérias-primas sintéticas Magnésia

80 Matérias-primas sintéticas 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 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.

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