Baixe Aula de vidro MIN238 2010 I e outras Notas de aula em PDF para Engenharia de Minas, somente na Docsity! Aula de VIDROS Engenharia de Processos para Minas MIN238 – 2010/I Miguel Peralta peraltage@yahoo.com INDUSTRIAS DE CERÂMICAS Introdução (vidro) Cimentos, cal, gessos Vidro Abrasivos Produtos estruturais Refratários Louça vitrificada e esmaltada Cerâmica branca Minerais cerâmicos processados Industria: Construção – lar – sanitária Metalúrgica Automobilística – aerodinâmica Cerâmica Os vidros se apresentam como: material de uso diário; nas estruturas das cerâmicas; esmaltes aplicados às louças, azulejos e metais; na natureza como rocha vulcânica “obsidiana” ou na forma de tubos dentro de areias “produto dos relâmpagos”. Representação bidimensional: (a) do arranjo cristalino simétrico e periódico de um cristal de composição A2O3 ; (b) representação da rede do vidro do mesmo composto, na qual fica caracterizada a ausência de simetria e periodicidade. Embora um vidro não possua a eleva ordem de um cristal, ele não é destituído de estrutura. Todos os vidros apresentam dois aspectos estruturais característicos: (1) relações de primeira vizinhança ou ordem em pequenas distancias e (2) uma estrutura contínua de ligações primárias fortes. - O homem na idade de Pedra, utilizava como ferramenta o vidro natural “obsidiana” ou também as Fulguritas. - A fabricação de vidro foi descoberta acidentalmente pelos fenícios na Mesopotâmia 8000 a.C. - Os primeiros objetos elaborados aproximadamente 7000 - 6000 a.C, em Egito. - O descobrimento do soprado inovou a vidraçaria, na Palestina e Síria (250 a.C.) . - O vidro de janela foi mencionado em 290d.C. - Século XIII, Veneza capital na fabricação de vidro (ilha de Murano). - A chapa de vidro foi criada em 1688 na França (Século XVII) - Século XIX, na revolução industrial se introduziram as primeiras máquinas de automatização da produção de vidro. -No Século XX a produção de vidro, se transformou em uma industria em massa. Historia Figura 1: Vitral Oeste. Catedral de Chartres (França). figura representa a genealogia de Cristo. Principais Características de um vidro • Densidades variáveis: cristal ordinário (3,33), vidro para óculos (2,46), vidro ordinário (2,53) ou vidro para garrafas (2,64); • Transparência: apesar de haver alguns opacos; • Inalterável ao tempo e resistência ao ataque químico: bases ou ácidos (só o ácido fluorídrico e bases em altas concentrações podem corroer); • Isolante elétrico e mau condutor do calor; • Retém o vácuo: impermeáveis aos gases e aos líquidos, permeáveis às radiações do espectro solar; • Quebradiço; • Resistência a compressão; • Inflexível, ou mínima nos tipos temperados ou tratados. • Pode suportar tratamentos térmicos (temperar): com água, ar, óleo, para suportar mais flexão, choque térmico (resfriamento 80 a 150°C) ou quedas; • Composto principalmente de 3 sustâncias comuns como: areia de sílice (SiO2), carbonato de sódio (Na2CO3) e calcário (CaCO3) e,com boratos ou fosfatos. • É reciclável. Principais Características mecânicas de um vidro • Modulo de elasticidade: 600000 a 800000 Kgf/cm2; • Tensão de ruptura à flexão: vidro recozido (350 a 450 Kgf/cm2), vidro temperado (1800 a 2000 Kgf/cm2); • Coeficiente de Poisson: 0,22; • Tensão de ruptura à compressão: 2000 a 6000 Kgf/cm2 ; • Dureza: entre 6 e 7 da escala de Mosh Dentro das propriedades térmicas podemos definir quatro temperaturas de referencia em função da viscosidade do vidro: • O ponto de trabalho, onde a viscosidade do vidro quente é suficiente baixa para dar-lhe forma utilizando métodos ordinários. • O ponto de amolecimento, temperatura na qual o vidro começa a deformar-se de forma visível. • O ponto de re-cozido, quando as tensões internas existentes são aliviadas, e corresponde à temperatura más alta de recozido. • O ponto de deformação, onde o vidro é um sólido rígido e pode resfriar-se rapidamente sem criar nenhum tipo de tensão externa. Características térmicas do vidro • Coeficiente de dilatação linear entre 20 e 220°C: α = 88 x 10-7 ; • Coeficiente de condutibilidade térmica a 20°C: K = 0,8 a 1 Kcal/mh°C; • Calor especifico: C = 0,19 Kcal / Kg°C B- Modificadores de reticulados: Os modificadores incluem cátions alcalinos, alcalino-terrosos, de chumbo, de zinco e muitos outros de menor importância. Eles se ajustam nos vazios do reticulado, enfraquecem a ligação, de forma que o vidro tem temperatura de amolecimento mais baixa, menor resistência química e um maior coeficiente de dilatação: Os seguintes óxidos podem ser Modificadores: Oxido de magnésio MgO , óxido de lítio Li2O, óxido de bário BaO , óxido de cálcio CaO , óxido de estrôncio SrO , óxido de sódio Na2O , óxido de potássio K2O. C- Formadores de vidro intermediários: Há cátions que podem, em condições adequadas, entrar no reticulado do vidro como substitutos parciais de formadores de reticulado. Em outros casos, eles formam o reticulado do vidro com outras substancias não-formadoras de vidro. 1: Al3+ podem substituir o Si4+ no reticulado 2: sistemas com cátions não formadores de vidro: MgO-CaO-Al2O3 , K2O-CaO-Al2O3 , BeO-Al2O3  Al3+ age como formador do reticulado. Os seguintes óxidos podem ser Intermediários: Oxido de alumínio Al2O3 , óxido de antimônio Sb2O3 , óxido de zircônio ZrO2 , óxido de titânio TiO2 , óxido de chumbo PbO , óxido de berílio BeO , óxido de zinco ZnO. Constituição dos Vidros e Tipos Principais Formadores de rede Intermediários Modificadores de rede B2O3 GeO2 V2O5 Al2O3 B2O3 As2O5 Sb2O5 ZrO2 TiO2 PbO ZnO Al2O3 ThO2 BeO ZrO2 CdO Sc2O3 ; La2O3 Y2O3 ; Cs2O HgO ; Rb2O K2O ; CdO Na2O ; CdO SrO ; CaO SnO ; Ga2O3 In2O3 ; PbO2 ThO4 ; MgO Composição do Vidro • Óxido de boro (B2O3): utilizado na fabricação de vidros especiais. • Óxido de alumínio (Al2O3): aumenta a resistência química do vidro e eleva a sua viscosidade em baixas temperaturas. • Óxido de chumbo (PbO): melhora a resistência, aumenta a refração e o brilho da luz, e reduz a temperatura da fundição. • Óxido de potássio (K2O): melhora o processo de fundição, baixa o risco de cristalização e obtêm-se cores mais brilhantes. • Óxido de cálcio (CaO): aumenta a qualidade química do vidro plano e vitral, facilita a homogenização e a fundição do vidro. • Óxido de sódio (Na2O): auxiliar a diluição do SiO2. A composição dos vidros é evidenciada pela análise química. Basicamente, todo vidro deve preencher os seguintes requisitos: - Deve satisfazer a finalidade para o qual foi destinado - Deve ser capaz de ser preparado em condições adequadas para as operações de trabalho. - Deve possuir propriedades que o tornem apto às necessárias operações de trabalho. - Deve ser de custo baixo para permitir ser comercializado. Composições dos Vidros e Principais usos Vidros comerciais: existem três tipos de vidros que tem uso muito difundido (vidro alcalino, vidro chumbo e vidro boro-silicato. 1- Vidros alcalino (vidro cal): é o vidro mais usado, para garrafas, frascaria de modo geral e baixelas, vidro plano de construção civil e da industria automobilística e outros produtos. Mais de 95% de todo vidro fabricado no mundo é alcalino. Composições dos Vidros e Principais usos 2- Vidro chumbo (cristal): altos teores de PbO entre 10 e 29%. Tem índice de refração mais elevados e mais brilho que os vidros comuns, são fabricados para peças artísticas. Sua menor condutividade elétrica lhe permite ser utilizado em aparelhos científicos. Os vidros chumbo com altos teores de PbO (> 50%) são utilizados como escudo protetor e atenuador de raios gama. 3- Vidro boro-silicato (cristal): Caracterizado pela presença de quantidade significativa de B2O3 , tem grade resistência ao choque térmico e ao ataque dos agentes químicos. Usado na fabricação de ampolas de injetáveis, frascos de fármacos e de vacinas, aparelhagem de laboratório e utensílios domésticos como travessas e tijelas. Vidro Vidraria laboratório ampolas ampolas SiO2 81% 74% 70% B2O3 13 10 7 Al2O3 2 5 6 Na2O 4 6 6 CaO --- 2 --- BaO --- 1 3 Composições dos Vidros e Principais usos 4- Fibra de vidro: as altas concentrações de Al2O3 garantem a estabilidade da fibra. 5- Vidro opalino: A presença na massa, possivelmente sob a forma de minúsculos cristais de CaF2 produzem a opalescência do vidro. Vidro B SiO2 63,84% F 8,05 Al2O3 7,86 Na2O 10,51 ZnO 6,99 MnO 1,12 CaO 1,86 Fe2O3 1,50 MgO 0,25 6- vidro para termômetro: vidros especiais que não devem, em uso, apresentar variação no volume do bulbo que contem o mercúrio. Pela forma: chapa plana , chapa curva , chapa perfilada , chapa ondulada Pela coloração: vidro incolor , vidro colorido Quanto a transparência: vidro transparente – transmite a luz e permite visão nítida através dele Vidro translúcido – transmite a luz em vários graus de difusão, de modo a não permitir visão nítida. Quanto ao acabamento de superfície: vidro liso – transparente, apresentando leve distorção das imagens refratadas, em virtude das características ocasionadas pelo processo de fabricação Vidro polido – transparente, mas permitindo visão sem distorção das imagens, pelo tratamento superficial. Vidro impresso (fantasia) – durante a fabricação é impresso um desenho Vidro espelhado – reflete totalmente os raios luminosos, em virtude do tratamento químico sobre uma das superfícies. Vidro esmaltado – ornamentado através da aplicação de esmalte vitrificável em uma ou nas duas superfícies. Vidro gravado (ornamentos químicos ou físicos) Vidro termo-refletor: colorido e refletor, tratamento a alta temperatura. Classificação dos Vidros para construção Matérias Primas As matérias primas usadas na indústria do vidro são em sua grande maioria naturais e, fornecem os óxidos vidros-formadores, óxidos estabilizadores, os óxidos fundentes e os óxidos acessórios. As características gerais das matérias primas minerais para vidros são: a- homogeneidade (constância de análise) é a característica mais importante. b- pureza química, com teores muito baixo dos elementos estranhos ao mineral, especialmente baixos teores dos elementos cromógenos (Fe, Ti, Cr, etc.) c- granulometria homogênea, sem muito finos que são arrastados pelos gases de combustão ou de grão grossos que não fundem integralmente. É desejável uma granulometria entre 35 a 200 mesh (425 a75µm). d- são preferíveis os grãos angulosos aos arredondados (maior superfície) e- minerais refratários (principalmente maiores a 60 mesh) devem estar ausentes (zirconita, cianita, coríndon, etc.). 1- Areia: utilizada na industria do vidro, são de depósitos naturais, principalmente marítima, tendo de ser lavada, secada e peneirada. O teor de ferro deve ser mantido o mais baixo possível  coloração verde ao vidro. 2- Quartzito: utilizada em substituição da areia. 3- Quartzo: material muito puro e difícil moagem. Matérias Primas 4- Barrilha: o carbonato de sódio é obtida de depósitos naturais salitrosos (antes de conchas marinas): 2NH3 + CO2 + H2O  (NH4)2CO3 (NH4)2CO3 + 2NaCl  NaCO3 + 2NH4Cl amônia carbonato de amônia salmoura (NH4)2CO3 + 2NaCl  NaCO3 + 2NH4Cl Na2CO3 + CO2 +H2O  2NaHCO3 Redução do bicarbonato de sódio: 2NaHCO3  Na2CO3 + CO2 +H2O Recuperação de amônia: 2NH4Cl + CaO +H2O  2NH3 + CaCl2 +2H2O 5- Trona: mistura natural de carbonato de sódio e de bicarbonato de sódio hidratado: Na2CO3 NaHCO3.2H2O A trona é submetida à moagem e calcinação, perde CO2, obtendo-se o carbonato de sódio impuro  dissolvido em água  decantado e filtrado  evaporado 6- Hidróxido de sódio: ou soda cáustica  sua utilização depende da disponibilidade da barrilha. 2NaOH  H2O + Na2O 7- Potassa: obtida por eletrólise do cloreto de potássio com posterior carbonatação do hidróxido de potássio resultante. É utilizada comumente na forma calcinada K2CO3 Matérias Primas 24- Criolito: fluoreto de alumínio Na2AlF6. usado para a fabricação de vidros opalinos. 25- Ácido Bórico: H3BO3. obtido a partir do bórax, utilizado quando não se requere Na2O na mistura. 26- Fluorita: CaF2 , vidros opalescente. 27- Fluoreto de sódio: NaF , vidros opalescente. 28- Óxido de zinco: ZnO, na fabricação de vidros resistentes aos agentes químicos. 29- Cloreto de sódio: NaCl (da água de mar), como agente de refino na fabricação do vidro boro-silicato. 30- Cascos: o cascos de garrafas entra no forno misturado com as matérias primas entre 50 a 60%  reduze o consumo de combustível, atua como agente aglomerante da carga, o ponto de fusão é menor, ajuda à distribuição do calor. O caco deve estar livre de impurezas, a mesma composição do vidro em fabricação, usado em pedaços < 5mm. Matérias primas Reações Areia, quartzito  SiO2 Soda ou barrilha: Na2CO3  Na2O + CO2 ↑ Soda cáustica ou hidróxido de sódio: 2NaOH  Na2O + H2O ↑ Potassa ou carbonato de potássio: K2CO3  K2O + CO2 ↑ Calcário ou carbonato de potássio: CaCO3  CaO + CO2 ↑ Dolomita ou carbonato duplo de cálcio e magnésio: CaCO3 MgCO3  CaO + MgO + 2CO2 ↑ Feldspato – silicato duplo de alumínio e R2O onde R2O  Na2O , K2O , CaO Borax ou tetraborato de sódio hidratado: Na2B4O7.10H2O  Na2O + 2B2O3 + 10H2O ↑ Pirobor ou tetraborato de sódio anhidro: Na2B4O7  Na2O + 2B2O3 Ácido bórico: 4NaNO3  4NO ↑ Salitre ou nitrato de sódio: 4NaNO3  4NO ↑ + 3O2 ↑ + 2Na2O Alumina hidratada: Al2O3 . 3H2O  Al2O3 + 3H2O ↑ Litargírio: PbO Monossilicato de chumbo: PbO.SiO2 Sulfato de sódio: Na2SO4  Na2O + SO3 ↑ rd É E [CoO “ SO, — Na,O. - IC0O 650, — SO, o » pd 3 | Nao * 2510, — Na,0 - SO, a 24 Na,O * 250, —SiO, E | Na,O - 2510, — Na,O - 2CoO * 3510, — No,O * 3C0O - 65IO, ————— ——— o E E e o % ne E “| Na,0 + 250, — No,O « 3C00 - 6510, — SO, 000 ooo é : o E E 5 E CaO + SIO— Casio, 3 fer aid à . -— een! o: - = sl Na,CO, +CaCO—Na,Ceo, * —— E a Ê a % as ' fCaco,— coo +'Co, ——T E E | Nao, +50, — NO 20,+c0, TT ad -. = e E r E Ee M a E a 8 | NaCO,— Na,0+ CO, a : E — eco o o E 4 nd E ao a E »: E E a a £ x E 150;— Na,O + 50, =. go e a L 1 L L j 1 Ra + 1 ri 1 1 dg 100 200 300 400” 500 &00 700 HO 00 Iodo 00 8 Temperatura, ºC E ) dna u e a 18-3. Algumas das reações que ocorrem na fusão do vidro. E > E E a A a A Etapas de fabricação do vidro ARENA SILÍCEA HORNO de ton. que continuo W Vo, TE Mo) som hifurados, lavodos y taomitados a 20 - hi] AE A unos BOO - 1100"€ CARBPONATO usa Na, COs da lo sad, Materias secas según el arículo y el producto a 30 20 - 120 mallas o granviar Unos S00ºC. 60-90 minutos en el homo de túnel con cadena ontinua. € inspecci ensayo pn $ PIEDRA CALIZA (o cal viva) Mezcia era ar soplado. presi y estrado o que da la cal Coo. Sila coliza fene MaCO, también da Meo as genizociên R cilíndrico Tr o sumergido pared del puente FELDESPATO e Anuais Rio tia adoy Na,0 o Prestes o granulor. Taturación del desecho Vidrio de dese- cho machac de la misma composición que da 8,0;.Ohas odicionei dên K:0 MgO.InO. EaO,PbO Agente de exidación, decolora- <ión y coloración. Processo de Fundição do Vidro • Fundição grossa: os componentes da mistura reagem juntos (1000 à 1200°C). • Massa e concretização: composições gasosas evaporam. A mistura se concretiza e começa a criar-se os silicatos. • Formação do vidro: a mistura de concretização começa a fundir (1300 à 1600°C) e a ficar transparente. • Fundição fina: a viscosidade aumenta e as infiltrações de ar se libertam mais facilmente. (1300 à 1600°C) • Homogeneização: remove-se as infiltrações de ar restantes. • Descanso da fundição: período de descanso entre 900 e 1200°C para baixar a viscosidade e melhorar a manipulação. Fornos de vidro A fabricação do vidro se resume em obter altas temperaturas para fundir as matérias- primas em um recipiente adequado para conter o vidro fundido. Contínuos Regenerativos Recuperativos Elétricos Queima lateral (side port) Queima traseira (end port) Queima lateral (side port) Queima traseira (end port) Abóbada fria Abóbada quente Abóbada semi-fria Com apoio elétrico Descontínuos Tanque diário (Day Tank) Potes Abertos Fechados Processo Fourcault • O vidro é puxado do forno através de uma débiteuse; • O estiramento juntamente com o escoamento do vidro é realizado por uma barra metálica; • O vidro é puxado para cima na forma de uma fita; • A superfície do vidro é arrefecida por serpentinas de água adjacentes; • A fita deslocando-se ainda na vertical é suportada mediante roletes de aço recobertos por amianto; • Passa por uma chaminé de recozimento; • Ao sair do recozimento o vidro é cortado em folhas do tamanho desejado. == Mesa de core E ie | 5 Gf+ Cilindros estiradores Arsia | Barrilha Fório de j Processo Fomo Câmara de = recozimento su Foureault ==. ce fusão estiramento. Cal Balança.. “y 143006 Y 1 e E - Arsénio branco a E | ] Í Í 10200 : 4 ; O aj Carvão pulverizado ê [1 a , mi ' Sucata 08 vidro Gás E [ | Eva Ebieuss rcalu Fo E , E rocess Folha Contínua • Vidro fundido alimenta continuamente; • Vidro é forçado por um conjunto de rolos de laminagem; • Acabamento feito posteriormente Banho Float(Flutuação) • Vidro fundido é distribuído em um tanque de metal fundido; • Devido a diferença de densidade o vidro flutua; • Planifica-se o vidro devido ao paralelismo das superfícies. Floatglass • É a técnica mais utilizada atualmente para a fabricação de vidros planos. Cerca de 90% das fábricas utilizam este método. • O vidro é fundido e passa por dois cilindros de aço. Esta fita de vidro passa flutuando por um tanque de estanho líquido até um cilindro de aço que o apanha e leva-o até o canal de resfriamento, reduzindo a sua temperatura e eliminando tensões internas. Acabamento • Todos os tipos de vidros recozidos devem sofrer pelo menos alguma operação de acabamento, que embora simples são importantes. E “Acabamento E . Limpeza; E E Esmerilhamento; Eae . Lapidação; SER e * Despolimento; . * Esmaltamento; | 2a no - Graduação: ==" Sae SP a ação. EE as