GUIA Técnico Ambiental de Indústria de Cerâmica - série P L

GUIA Técnico Ambiental de Indústria de Cerâmica - série P L

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Figura – dosagem para preparação da massa

A garantia da homogeneidade da composição da massa depende do peso seco de cada matéria-prima envolvida, sendo necessário portanto o controle de umidade dos componentes. Os diferentes tipos de massas são preparados de acordo com a técnica a ser empregada para dar forma às peças, e de modo geral podem ser classificadas em:

• Suspensão (também chamada de barbotina) é uma “solução” de argila para obtenção de peças em moldes de gesso ou resinas porosas; • Massas secas ou semi-secas, na forma sólida e granulada, para obtenção de peças por prensagem; • Massas plásticas, constituída de um sólido maleável, para obtenção de peças por extrusão, seguida ou não de torneamento ou prensagem.

Figura 7 – preparação da massa 2.1.3 Moagem

O processo de trituração da matéria-prima na mineração fornece tamanhos de partícula de, aproximadamente, m. Porém, para conseguir uma maior redução de granulometria (partículas de diâmetro de m), faz-se necessário o uso de moinhos. Desta forma, a massa cerâmica é encaminhada aos moinhos por meio de esteiras, geralmente por gravidade. Nos moinhos é realizada a moagem, juntamente com água, dando origem à barbotina. Essa redução da granulometria serve para muitas aplicações, tais como telhas, paredes, placas de revestimento, produtos refratários e louça de mesa.

Figura 8 e 9 – moagem da massa cerâmica

O mercado oferece alguns tipos de moinhos, cada um com suas características específicas:

• Moinho de Bolas: a massa cerâmica é introduzida em cilindros de aproximadamente ,0m de diâmetro e ,5m de comprimento, que giram na posição horizontal, apoiados em dois eixos nas extremidades. Na parte interna, se encontram esferas (em geral, de alumina de alta densidade), responsáveis pela moagem do material; • Moinho de Rolos: são empregados extensamente na indústria pesada da argila para desintegrar, aplainar e homogeneizar as partículas de argila. O equipamento consiste em rolos que giram verticalmente posicionados, operando dentro de um anel exterior ao equipamento. A pressão é desenvolvida entre o rolo e o anel por ação centrífuga. A massa cerâmica pode ser introduzida no moinho com ou sem água, até atingir a granulometria necessária; • Moinho de Martelos: o equipamento consegue redução de tamanho das partículas por força de impacto. As matérias-primas no moinho são quebradas quando golpeadas por martelos, que giram rapidamente em seu interior; • Moinho Corredor de Borda: são apropriados para reduzir o tamanho das partículas de matérias primas plásticas. As bandejas com base perfurada asseguram a definição dos tamanhos das partículas, enquanto que as bandejas molhadas têm a função de permitir o controle de água no material.

2.1.4 Formação da Peça

Existem diversos processos para dar forma às peças cerâmicas, e a seleção de cada um deles depende fundamentalmente das características do produto, tais como geometria e dimensões deste, propriedades das matérias-primas, fatores econômicos e outros.

A transformação das matérias-primas em corpo de forma geométrica desejada pode ocorrer por meio de quatro processos principais:

• Colagem/Fundição em molde Usada basicamente quando se tem produtos feitos à base de barbotina, como xícaras e louça sanitária, esta técnica é realizada despejando-se a barbotina num molde de gesso, onde permanece durante um certo tempo até que a água contida na suspensão seja absorvida pelo gesso do molde e as partículas sólidas se acomodem em sua superfície, formando o que será posteriormente a parede da peça. O produto, assim formado apresentará uma configuração externa que reproduz a forma interna do molde de gesso. Após a fundição, os moldes são submetidos à uma injeção de ar comprimido, para expelir a água de seu interior e permitir que os mesmos sejam reutilizados. Atualmente tem-se difundido a fundição sob pressão em moldes de resina porosa

Figura 0 - preparação dos moldesFigura  - molde para fundição cerâmica

Figura - enchimento manual do molde Figura 5 - colagem no molde

• Prensagem Consiste na conformação de massas granuladas com baixo teor de umidade por meio de uma prensa, sendo usada primordialmente na produção de pisos e revestimentos, embora não se restrinja a esta aplicação.

No caso específico da cerâmica de revestimento por via úmida, antes da prensagem, a massa cerâmica, na forma de barbotina, passa pelo processo de atomização. Nesta etapa de processo, a barbotina é encaminhada por tubulações até o atomizador (torre de secagem), o qual consiste de um cilindro, dotado de bicos pulverizadores em sua periferia interna, por onde são borrifadas as gotas da barbotina. O spray da solução se mistura a um jato de ar quente (em torno de 700°C), obtido geralmente através da queima de gás natural, resultando numa massa granulada semi-seca que será encaminhada para prensagem

Existem diversos tipos de prensa que podem ser utilizadas, porém as mais utilizadas são:

- Prensa Mecânica: bastante empregada na manufatura de produtos cerâmicos, são carregadas com um volume pré-ajustado de massa cerâmica, na qual é aplicada uma pressão (geralmente de cima para abaixo) por pistões, dirigidos pela ação de um dispositivo mecânico e ajudados por volantes; - Prensa Hidráulica: mais modernas, as prensas hidráulicas podem fornecer elevada produtividade, consistência e fácil ajuste. Muitas são providas de unidades de controle eletrônico, que aferem a altura das unidades e ajustam automaticamente o ciclo para assegurar a uniformidade do tamanho, permitindo ajustes para uma variedade de exigências, inclusive para dar formas a peças refratarias complexas; - Prensa Isostática: promove uma prensagem uniforme em toda a superfície, exigida em alguns produtos de alta qualidade com densidade uniforme. Na prensa isostática, moldes da borracha são enchidos com a massa cerâmica que, em seguida, é submetida a uma pressão isostática elevada, moldando o objeto. O princípio da prensagem isostática também é aplicado para obtenção de materiais de revestimento (placas cerâmicas), onde a parte superior da prensa é revestida por uma membrana polimérica e uma camada interposta de óleo, que distribui a pressão de modo uniforme sobre toda a superfície a ser prensada.

Outra aplicação da prensagem isostática que vem crescendo, é a fabricação de determinadas peças do segmento de louça de mesa.

• Extrusão Nesta atividade, a massa plástica é colocada numa extrusora, também conhecida como maromba, onde é compactada e forçada por um pistão ou eixo helicoidal, através de bocal com determinado formato. Como resultado obtém-se uma coluna extrudada, com seção transversal e com o formato e dimensões desejados.

Figura e 7 - Processo de extrusão de massa cerâmica

Em seguida essa coluna é cortada, obtendo-se desse modo peças como tijolos vazados, blocos, tubos e outros produtos de formato regular, como no caso de alguns tipos de isoladores elétricos.

A extrusão pode ser uma etapa intermediária do processo de formação, seguindo-se, após corte da coluna extrudada, a prensagem como é o caso para a maioria das telhas, ou o torneamento, como para os isoladores elétricos, xícaras e pratos, entre outros.

• Torneamento Como descrito anteriormente, o torneamento em geral é uma etapa posterior à extrusão, realizada em tornos mecânicos ou manuais, onde a peça adquire seu formato final.

Figura 8 e 9 - Torneamento de peças cerâmicas

2.1.5 Secagem

Após a etapa de formação, as peças em geral ainda contém grande quantidade de água, proveniente da preparação da massa. Para evitar tensões e, consequentemente, defeitos nas peças (como trincas, bolhas, empenos, etc) é necessário eliminar essa água de forma lenta e gradual até um teor suficientemente baixo, de 0,8% a ,5% de umidade residual.

Figura 0 - secador de peçasFigura - peças montadas para secagem

O calor de secagem é fornecido principalmente por queimadores a gás natural, atingindo temperaturas de 70°C. É importante para a redução do consumo energético que a secagem seja rápida, eficiente e de baixo desperdício, controlando as taxas de aquecimento, circulação de ar, temperatura e umidade. A secagem pode ser realizadas em dois tipos de secadores, verticais ou horizontais:

eliminando o excesso de umidade das peças para aumentar sua resistência mecânica

• Secador Vertical: as peças são introduzidas a uma temperatura de 00ºC, elevada gradualmente ao longo do forno. Na parte superior do equipamento há dois queimadores a gás natural, que aquecem o ar a temperaturas que variam de 5ºC até 70°C, O material que deixa o secador vertical na mesma temperatura de sua entrada para evitar choque térmico com o ar à temperatura ambiente. O ciclo de secagem vertical dura entre 5 e 50 minutos, e a umidade residual da peça fica em torno de %;

Figura - peças na entrada de secador vertical

• Secador Horizontal: neste caso as peças são introduzidas em diversos planos no interior do equipamento, e se movem horizontalmente por meio de roletes. O ar quente, que entra em contracorrente com as peças, é produzido por queimadores situados nas laterais do forno, sendo que a temperatura máxima desse tipo de instalação é maior do que no caso dos secadores verticais, e os ciclos de secagem menores (entre 5 e 5 minutos); Comparativamente os secadores verticais ocupam menos espaço, e operam de forma mais flexível em relação às variações de umidade da peça, mas os secadores horizontais consomem menos energia em função da melhor disposição das peças em seu interior e da menor massa a ser aquecida.

Figura - peças na entrada de secador horizontal 2.1.6 Esmaltação e Decoração

Após a secagem, a maioria dos produtos recebe uma camada fina e contínua de um material denominado esmalte ou vidrado, que após a queima adquire aspecto vítreo. Esta camada contribui para o aspecto estético, higiênico e melhora algumas das propriedades físicas, principalmente de resistência mecânica e elétrica.

A composição dos esmaltes (vidrados) é bastante variada, e sua formulação depende das características do corpo cerâmico, das características finais do esmalte e da temperatura de queima. Sua preparação ocorre na forma de uma suspensão aquosa, cuja viscosidade é ajustada para cada tipo de aplicação.

Figura - moagem de esmaltes Figura 5 - estocagem de esmaltes

Os esmaltes (vidrados) podem ser do tipo cru, esmalte de fritas ou uma mistura de ambos:

- Esmalte cru: mistura de matérias-primas com granulometria fina, aplicado na forma de suspensão à superfície da peça cerâmica. Na operação de queima se funde e adere ao corpo da peça, adquirindo o aspecto vítreo durante o resfriamento. Esse tipo de vidrado é aplicado em peças que são queimadas em temperaturas superiores a 00ºC, como sanitários e peças de porcelana. - Esmalte de Fritas: diferem dos crus por terem em sua constituição um material denominado “frita”, composto vítreo insolúvel em água que é obtido por fusão e posterior resfriamento brusco de misturas controladas de matérias-primas. O processo de fritagem implica na insolubilização dos componentes solúveis em água após tratamento térmico, em geral entre 00ºC e 500ºC, quando ocorre a fusão das matérias-primas e a formação de um vidro. Os esmaltes contendo fritas são utilizados em produtos submetidos a temperaturas inferiores a 00ºC.

A aplicação dos esmaltes no corpo cerâmico pode ser realizada de diferentes maneiras, e sua escolha depende da forma, tamanho, quantidade e estrutura das peças, incluindo também o efeito que se deseja obter na superfície esmaltada. Entre estas técnicas podemos citar: imersão, pulverização, campânula, cortina, disco, gotejamento e aplicação em campo elétrostático. Em muitas indústrias, e dependendo do segmento cerâmico, o setor da esmaltação é totalmente automatizado.

Figura - aplicação de esmalte por pulverização

Muitos materiais também são submetidos a uma decoração, a qual pode ser feita por diversos métodos como serigrafia, decalcomania, pincel e outros. Nestes casos são utilizadas tintas que adquirem suas características finais após a queima das peças.

Figura 8 - aplicação de decalqueFigura 9 - decoração por pincel

Figura 7 - aplicação do esmalte por imersão

A decoração através de telas (silkscreen) é uma das técnicas mais difundidas, devido à facilidade da aplicação nas linhas de vitrificação. A técnica consiste em imprimir a decoração por meio de uma ou mais telas que contém aberturas apenas na região do desenho a ser reproduzido e por onde as tintas penetram pela força de um rolo, imprimindo assim a figura desejada na superfície da cerâmica. Outra forma de decoração bastante utilizada é a de rolo, que consiste numa seqüência de três rolos por onde as peças passam e recebem a decoração.

2.1.7 Queima

Na operação de queima, conhecida também por sinterização, os produtos adquirem suas propriedades finais, sendo de fundamental importância na fabricação dos produtos cerâmicos. Da eficiência desta etapa dependem o desenvolvimento das propriedades finais destes produtos, as quais incluem seu brilho, cor, porosidade, estabilidade dimensional, resistência à flexão, ao gretamento, a altas temperaturas, à água, ao ataque de agentes químicos, e outros. Em função desta importância é fundamental o projeto e a instalação correta dos fornos, a fim de garantir uma combustão eficiente.

O processo de queima ocorre em seguida à secagem e à esmaltação, sendo que a primeira tem o papel de reduzir a umidade, prevenindo o excesso de água na peça e as conseqüentes trincas provocadas pelo surgimento de bolhas de vapor. Desta forma, após a redução da umidade e o recebimento da camada de esmalte, as peças são encaminhadas para fornos contínuos ou intermitentes e submetidas a um tratamento térmico entre 800ºC e .700ºC. A operação atua em três fases, que são: aquecimento da temperatura ambiente até a temperatura desejada; patamar durante certo tempo na temperatura especificada e resfriamento até temperaturas inferiores a 00ºC.

Em função do tipo de produto, o ciclo de queima nas três fases pode variar de alguns minutos até vários dias. Durante esse tratamento ocorre uma série de transformações em função dos componentes da massa, tais como: perda de massa, desenvolvimento de novas fases cristalinas, formação de fase vítrea e a soldagem dos grãos. Desta forma, em função do tratamento térmico e das características das diferentes matérias-primas, são obtidos produtos para as mais diversas aplicações.

Figura - forno contínuo Figura - carregamento de forno túnel

As reações provocadas nas várias etapas do ciclo de queima, constituem a base das seguintes conversões físicas e químicas:

- Até 00°C: eliminação da água livre não eliminada totalmente na secagem; - ~ 00°C: elimina-se a água coloidal, que permanece intercalada entre as pequenas partículas de argila; - De 50 a 50°C: combustão das substancias orgânicas contidas na argila;

- De 50 a 50°C: decomposição da argila com liberação de vapor;

- ~ 570°C: rápida transformação do quartzo;

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