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UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE

POLO UNIVERSITÁRIO DE VOLTA REDONDA

ESCOLA DE ENGENHARIA INDUSTRIAL E METALÚRGICA DE VOLTA REDONDA

INDÚSTRIAS DO VIDRO

CAMILA REZENDE

ELINE CONCEIÇÃO

LAILA LABORÃO

LUAN MARTINS

NATÁLIA PIRES

RAFAEL SEABRA

RAMONA RODRIGUES

TEREZA MANSUR

THIAGO MOZER

Processos Industriais

Volta Redonda

2011

Sumário

Indústrias do Vidro

O vidro é um material tão comum em nossas vidas que, muitas vezes, nem percebemos o quanto ele está presente. Porém, basta olharmos à nossa volta com um pouco de atenção e vamos encontrá-lo nas janelas, nas lâmpadas, na mesa de refeições, na forma de garrafas, copos, pratos, travessas.

História

Como no caso de muitos outros materiais de uso comum da nossa civilização moderna, a descoberta do vidro é muito obscura. Uma das referências mais antigas a este material encontra-se em Plínio, que conta a história bem conhecida da sua descoberta por mercadores fenícios, que estavam cozinhando num vaso colocado acidentalmente sobre um pedaço de trona, numa praia. A combinação entre a areia e o álcali chamou a atenção dos mercadores e levou às tentativas de reproduzir o resultado. Já em 6000 ou 5000 a.C., os egípcios fabricavam falsas gemas de vidro, algumas de bela feitura artesanal e significativa beleza. O vidro de janela é mencionado no ano 290 d.C. O cilindro do vidro de janela soprado foi inventado por um monge, no século XII. Durante os tempos medievais, Veneza tinha o monopólio de centro da indústria de vidro. Somente no século XV o uso de vidro de janela se tornou geral. Até o século XVI não se fabricava vidro na Alemanha ou na Inglaterra. A chapa de vidro apareceu, como produto laminado, na França, em 1688.

As fábricas de vidro, nos Estados Unidos, foram fundadas em 1608, em Jamestown, Virgínia, e em 1639, em Salem, Massachusetts. Durante mais de três séculos a partir destas datas, os processos eram praticamente todos manuais e empíricos. Do ponto de vista químico, a única melhoria durante este período limitou-se à purificação das matérias-primas e a um aumento da economia de combustível. Certamente, entretanto, foram estabelecidas algumas relações entre a composição química dos vidros e as respectivas propriedades óticas e físicas; no seu todo, porém, a indústria anterior a 1900 era uma arte, com fórmulas secretas ciumentamente guardadas e processos empíricos de manufatura baseados primordialmente na experiência.

Em 1914, foi desenvolvido na Bélgica o processo Fourcault de fabricação contínua de folha de vidro. Durante os 50 anos seguintes, os engenheiros e cientistas efetuaram modificações no processo de fabricação da folha, visando a reduzir a distorção ótica, característica dos vidros de janela, e a baixar o custo de produção do vidro plano esmerilhado e polido. Estes esforços levaram ao estágio mais moderno da tecnologia de produção do vidro plano. Na base de conceitos patenteados nos Estados Unidos, em 1902 e 1905, um grupo de pesquisa da Inglaterra aperfeiçoou o processo da chapa flutuante. Em apenas 10 anos, a folha de vidro obtida por flutuação quase que eliminou a chapa obtida por outros processos e invadiu significativamente o mercado de vidro de janela. Em número crescente, cientistas e engenheiros começaram a participar dos esforços no setor, e novos produtos apareceram em conseqüência de pesquisas intensas. Inventaram-se máquinas automáticas para a produção de garrafas, de bulbos de lâmpadas etc.

A primeira fábrica de vidro brasileira foi em Salvador, em 1810, por Francisco Ignácio de Siqueira Nobre com o nome de Real Fábrica de Vidros da Bahia segundo o modelo da Real Fábrica da Marinha Grande de Portugal, contudo a brasileira logo fechou atingida pelos conflitos da independência.

Apenas no início do século 20 que completou a transição de rótulas por folhas de vidro ou janelas envidraçadas. No entanto, a implantação de um fábrica de vidro no Brasil durante todo esse processo foi em vão, muitos eram os problemas econômicos e as tensões políticas no Brasil, o vidro continuava a vir da Europa.

Por fim, depois do Brasil se desvencilhar de Portugal, passa a ter contato com a corte francesa e assim, o aparecimento de vidros à francesa e a construção de sobrados e palacetes em estilo neoclássico de grandes janelas envidraçadas, bem como os cristais belgas.

Em 1882 foi criada a primeira indústria brasileira de vidros, a Fábrica Esbérad, produtora de vidros de embalagem. Em São Paulo, nascia a Companhia Vidraria Santa Marina, por ilustres empresários paulistanos, a partir deste momento outras começaram a aparecer como a Cisper, em 1916 e a Nadir Figueiredo, em 1933.

A década de 30 é marcada pela modernização industrial, é o Período Vargas. O que começou nos anos 30, completa-se nos anos 40 o vidro está presente em grandes construções, é a modernização urbano-industrial do Brasil. Depois desses períodos o Brasil começou a crescer, deu-se a industrialização e além de uma produção importante de vidro de embalagem, tivemos o aparecimento de empresas de grande porte do vidro plano e atualmente uma produção artística do vidro, com designers especializados em criar arte em vidro.

O que é o vidro

É uma substância inorgânica, homogênea e amorfa, obtida através do resfriamento de uma massa em fusão até atingir a rigidez, sem formar cristais. Suas principais qualidades são a transparência e a dureza.

O vidro distingue-se de outros materiais por várias características: não é poroso nem absorvente, é ótimo isolador elétrico, possui baixo índice de dilatação e condutividade térmica, suporta pressões de 5.800 a 10.800 Kg/cm². Estas propriedades desejáveis conduzem a um grande número de aplicações. No entanto, o vidro geralmente é frágil, quebra-se com facilidade. Existem muitos tipos de vidros que apesar de partirem da mesma base, possuem composições diferentes, de acordo com a finalidade a que se destinam.

Dentre as principais vantagens do vidro está o fato dele ser 100% reciclável, ou seja, ele pode ser usado e posteriormente utilizado como matéria-prima na fabricação de novos vidros infinitas vezes sem perda de qualidade ou pureza do produto. Outras importantes vantagens são a versatilidade, impermeabilidade e o fato de ser higiênico por não absorver as substâncias que entram em contato com ele. Entre as desvantagens podem-se citar sua fragilidade, o peso relativamente grande, dificuldade no fechamento hermético e dificuldade de manipulação.

Usos e Economia

Os usos e as aplicações do vidro são muito numerosos devido à versatilidade desse material. Os vidros podem ser divididos em quatro grandes grupos:

Tipos

Aplicações

Vidro para embalagens

garrafas, potes, frascos e outros vasilhames fabricados em vidro comum nas cores branca, âmbar e verde;

Vidro plano

vidros de janelas, de automóveis, fogões, geladeiras, microondas, espelhos;

Vidros domésticos

tigelas, travessas, copos, pratos, panelas e produtos domésticos fabricados em diversos tipos de vidro;

Vidros técnicos

lâmpadas incandescentes ou fluorescentes, tubos de TV, vidros para laboratório, para ampolas, para garrafas térmicas, vidros oftálmicos e isoladores elétricos.

Uma das razões de o vidro ser tão popular e duradouro, talvez esteja na sua análise, pois os vidros mais comuns, aqueles usados para fazer os vidros planos e embalagens têm uma composição química muito parecida com a da crosta terrestre.

Óxido

Crosta terrestre

%

Vidros comuns

%

Função

SiO2 (sílica)

60

72

Matéria prima básica cuja função é de vitrificante

Al2O3 (alumina)

15

0,7

Dá mais resistência mecânica.

CaO (cálcio)

5

9

Dá estabilidade ao vidro contra os ataques de agentes atmosféricos.

MgO (magnésio)

3

4

Resistência para suportar, dentro de certos limites, mudanças bruscas de temperatura. Enriquece sua resistência mecânica.

Na2O (sódio)

4

14

Tem por finalidade baixar o ponto de fusão.

K2 (potássio)

3

0,3

Dessecante leve

Desempenho Global do Setor Vidreiro

SEGMENTO

Faturamento

(milhões R$)

2008

Participação

Capacidade de produção

(mil toneladas)

Investimento

(milhões US$)

2008

Investimento

(milhões US$)

2009

Empregos

(mil)

Embalagem

1.422

34,9%

1.292

50

55

5,2

Doméstico

582

14,3%

240

21

40

2,4

Vidros técnicos

789

19,4%

182

15

17

2,4

Vidros planos

1.278

31,4%

1.280

138

230

1,8

Total

4.071

100%

2.994

224

342

11,8

Fabricação

O vidro é um produto completamente vitrificado, ou seja, com um teor muito pequeno de material não vitroso em suspensão.

Do ponto de vista físico é definido como um líquido sub-resfriado, rígido, sem ponto de fusão definido, com viscosidade elevada (acima de 10¹³ P) para impedir a cristalização. E do ponto de vista químico, o vidro é o resultado da união de óxidos inorgânicos não-voláteis resultantes da decomposição e da fusão de compostos alcalinos, alcalino-terrosos, areia e outras substâncias.

Composição

Nos últimos anos apareceram várias outras formulações para o vidro, trazendo importantes mudanças em sua composição. Porém a cal, a sílica e a soda ainda são os principais ingredientes e constituem cerca de 90% do vidro em todo o mundo, como há 2000 anos atrás. Quaisquer outros materiais são considerados secundários, mesmo assim, podem causar efeitos importantes no produto final.

São dois os fatores mais importantes na fabricação do vidro: a viscosidade dos óxidos fundidos e a relação entre esta viscosidade e a composição.

Existem várias classificações para os vidros comerciais, como definido abaixo:

  1. Silicatos alcalinos: são os únicos que utilizam apenas dois componentes (areia e barrilha). Estes são fundidos obtendo-se os silicatos de sódio, cuja composição vai de Na2O.SiO2 a Na2O.4SiO2. São solúveis em água e utilizados apenas como solução, conhecidos também como vidro de água. São utilizados amplamente como adesivos de papel, para fabricação de caixas de papelão ondulado, para proteção contra fogo e preservação de ovos. As espécies como maior teor de álcali são utilizadas como detergentes e encorpadores de sabão.

  2. Vidro de sódio e cálcio: é o mais produzido atualmente e destinado à fabricação de vasos de todos os tipos, de vidros planos e de automóveis (janelas, painéis, bóias...), garrafas, louças de mesa, bulbos e tubos de lâmpadas. A qualidade física dos vidros planos melhorou muito, com a uniformidade da superfície, ausência de ondas e tensões, porém a composição química variou pouco, tendo como limites: 70 a 74% de SiO2, 10 a 13% de CaO, 13 a 16% de Na2O. Os vidros com esta composição não fundem a uma temperatura muito alta e são suficientemente viscosos para não desvitrificarem, porém não tão viscosos para impedir o trabalho em temperaturas razoáveis. A melhoria foi devido à substituição do operador manual por dispositivos mecânicos com controle a instrumento. O mesmo ocorreu com os frascos de vidro, e com a influência do comércio de bebidas, passou-se a produzir a vidraria com alto teor de alumina e cal, e baixo teor de álcalis, sendo um vidro mais difícil de fundir, mas quimicamente mais resistente. A qualidade da cor também melhorou devido à purificação da matéria-prima e a utilização do selênio como descorante.

  3. Vidros de Chumbo: são obtidos a partir do óxido de chumbo (elevado teor – 92%), sílica e álcalis. São importantes em trabalhos óticos devido ao alto índice de refração e à grande dispersão. Com o alto teor de chumbo pode-se obter um brilho de alta qualidade. Esses vidros são utilizados na construção de bulbos de luz, nos tubos de lâmpadas neons, em válvulas eletrônicas, devido à resistência elétrica. Também são utilizados para proteção contra partículas nucleares.

  4. Vidros de borossilicatos: são compostos de 13 a 28% de B2O3 e 80 a 87% de sílica. Possuem baixo coeficiente de expansão, excelente estabilidade química, e alta resistência ao choque e resistência elétrica. Entre suas várias aplicações estão as travessas de cozinha (caso do Pyrex e do Marinex), a vidraria de laboratório, tubulações, isoladores de alta tensão e anéis de vedação.

  5. Cerâmica de vidro: são utilizadas para utensílios domésticos de cozer, de servir e de utilizar na geladeira.

  6. Vidros de alumina e sílica: são destinados a altas temperaturas e contem cerca de 20% ou mais de alumina (óxido de alumínio). São utilizados em tubos de combustão, fibras de reforço, vidros com alta resistência química e vitro-cerâmicos.

  7. Vidros especiais: incluem vidros coloridos; opalinos ou translúcidos; sílica fundida ou com alto teor de sílica; cerâmicos; vidros de segurança; fotossensíveis; óticos; e fibra de vidro.

    1. Vidro colorido: pode ser de três tipos, de acordo como a cor é produzida – (1) pela absorção de frequências da luz por agentes em solução no vidro. Esse tipo pode ser subdividido no grupo em que a cor é provocada por diferenças no estado de oxidação, ou no grupo em que a cor é produzida pela interação química das vizinhanças; (2) por partículas coloidais precipitadas, num vidro inicialmente incolor, mediante tratamento térmico. Um exemplo é a precipitação do ouro coloidal formando o vidro rubi; (3) por partículas microscópicas ou um pouco maiores que podem ter coloração própria (como o vermelho de selênio – SeO2 – usados nos sinais luminosos, em globos de lanternas...), ou podem ser incolores formando-se opalinas.

    2. Vidros opalinos ou translúcidos: podem ser obtidos pelo crescimento de cristais não-metálicos a partir de núcleos de partículas de prata desenvolvidas num vidro originalmente transparente e contendo prata. São límpidos quando líquidos e se tornam opalescentes quando o vidro é moldado devido à separação e suspensão de partículas, de vários tipos, tamanhos e densidades no meio transparente que difunde a luz incidente. É empregado para transmissão de comprimentos de ondas específicos e na louça de mesa.

    3. Vidro de sílica fundida ou vitrosa: é o vidro feito pela pirólise do tetracloreto de silício (SiCl4) a alta temperatura. É caracterizado pelo baixo coeficiente de expansão e elevado ponto de amolecimento, por isso, é muito resistente térmica e quimicamente, podendo ser utilizado em faixas maiores de temperatura em relação a outros vidros. Também é muito transparente à radiação ultravioleta.

    4. Vidros de segurança: existem dois tipos, os laminados e os temperados. Os laminados possuem uma estrutura composta constituída por duas camadas de vidro com uma folha intermediária de resina de polivinilbutiral plastificada e quando o vidro é quebrado, os fragmentos ficam presos a esta película. E os vidros temperados, que quando partidos desintegram-se em milhares de pequenos fragmentos sem os usuais bordos cortantes.

    5. Fibras de vidro: são extremamente finas, da ordem de 0,0013 a 0,0005 cm. Podem ser fiadas ou acamadas e constituir isolamentos, fitas, filtros de ar e outros produtos como tubulações, com ligantes plásticos; têxteis e como reforçador.

Matérias-Primas

Grandes quantidades de areia de vidro são consumidas a cada ano na fabricação dos diversos tipos de vidro. Os fundentes desta sílica são a barrilha, o sulfato de sódio impuro e o calcário ou a cal. Além disso, há um grande consumo de óxido de chumbo, carbonato de potássio, salitre, bórax, ácido bórico, trióxido de arsênio, feldspato e de fluorita, juntamente com uma grande variedade de óxidos metálicos, carbonatos e de outros sais necessários para colorir o vidro. Nas operações de acabamento, usam-se diversos produtos como abrasivos e ácido fluorídrico.

A areia para a produção de vidro deve ser quase de quartzo puro. O teor de ferro não deve exceder a 0,45%, na areia para vidro de mesa, ou a 0.01% para vidro ótico, pois o ferro não tem efeito benéfico sobre a coloração. A função da areia é fornecer SiO ao vidro. Os grãos angulares da areia favorecem o processo pois a fusão se inicia nas pontas e arestas dos grãos. Como a areia é o principal insumo na manufatura do vidro, a localização da jazida de areia, na maioria dos casos, influencia na escolha do local da fábrica.

O óxido de sódio (NaO) provém principalmente da barrilha (NaCO). Outras fontes podem ser o bicarbonato de sódio, o sulfato de sódio e o nitrato de sódio. Este é útil para oxidar o ferro e acelerar a fusão. Embora seu percentual em peso não seja tão grande, a barrilha representa o maior custo entre as matérias-primas dos vidros sodo-cálcicos. Pode-se dizer que 60% do custo de uma composição é devido à ela.

Os feldspatos tem a fórmula geral RO.AlO.6SiO, onde RO representa o NaO ou o KO ou uma mistura dos dois. Os feldspatos te muitas vantagens sobre a maioria dos outros materiais como fonte de AlO, pois são baratos, puros e fusíveis, além de serem constituídos inteiramente por óxidos formadores de vidro. O teor de alumina serve para baixar o ponto de fusão do vidro e retardar a desvitrificação. Esse mineral é consumido em torno de 100 quilos para cada tonelada produzida, sendo substituído quando ocorrem incorporações potássicas ou sódicas.

O bórax, como ingrediente menor, fornece ao vidro o NaO e o óxido bórico. Embora seja raramente usado como vidro de janela ou vidro plano, o vidro de bórax é atualmente comum em certos tipos de vasos de vidro. Há também um vidro com alto teor de bórax, que tem um valor mais baixo de dispersão e um índice de refração mais elevado que qualquer vidro anteriormente conhecido, e que é um vidro ótico valioso. Além do seu elevado valor como fundente, o bórax não só diminui o coeficiente de expansão, mas também aumenta a durabilidade química. O ácido bórico é usado em partidas que só precisam de pequeno teor de álcali. Seu preço é cerca de duas vezes o do bórax.

O sulfato de sódio, há muito tempo aceito como ingrediente secundário do vidro, além de outros sulfatos, como o de amônio ou de bário, são encontrados frequentemente em todos os tipos de vidro. É preciso usar carvão com os sulfatos, para reduzi-los a sulfito. Ele é um composto industrializado (NaSO), utilizado como afinante, pois tem como característica, a altas temperaturas, liberar grandes bolhas e de maneira violenta, incorporando a ela as pequenas bolhas contidas na massa do vidro provocadas pela reação das outras matérias-primas. O trióxido de arsênio pode ser adicionado para facilitar a remoção das bolhas. Os nitratos de sódio, ou de potássio, servem para oxidar o ferro e torná-lo menos notável no vidro acabado. o nitrato de potássio, ou carbonato de potássio, é sempre empregado em muitos tipos de vidro para louça, para decoração, ou de vidro ótico.

A sucata de vidro é o vidro aos pedaços proveniente de objetos imperfeitos, de recortes e de outros refugos de vidro. Facilita a fusão e utiliza material rejeitado. Pode constituir uma pequena fração da carga, uns 10%, ou chegar até 80% da carga. O vidro pode ser reciclado até sete vezes sem perda de qualidade, sendo assim um material muito ecológico, se descartado devidamente. O Brasil produz, em média, 890 mil toneladas de embalagens de vidro por ano, usando cerca de 46% de matéria-prima reciclada na forma de cacos.

Os blocos refratários da indústria de vidro foram desenvolvidos especialmente em virtude das severas condições em que trabalham. São típicos para os tanques de vidro os de zircônio, alumina, mulita e mulita-alumina sinterizados, os de zircônia-alumina-sílica, alumina e cromo-alumina eletrofundidos. As temperaturas de operação dos fornos estão limitadas, principalmente, pelos tijolos de sílica vitrificada, que são de emprego econômico na indústria.

Reações Químicas

As reações envolvidas no processo podem ser resumidas por:

NaCO + αSiO → NaO.αSiO + CO

CaCO + βSiO → CaO.βSiO + CO

NaSO + γSiO + C → NaO.γSiO + SO + CO

A última reação pode ocorrer como nas seguintes equações:

NaSO + C → NaSO + CO

2NaSO + C → 2NaSO + CO

NaSO + γSiO → NaO.γSiO + SO

Deve-se observar que as razões NaO/SiO e CaO/SiO não são razões molares. A razão pode ser do tipo NaO/1,8SiO, por exemplo. No vidro comum de janela, as razões molares são aproximadamente 2 moles de NaO, 1 mol de CaO e 5 moles de SiO. Outros vidros variam amplamente. Não existem no vidro compostos químicos, pois o material é essencialmente uma mistura sólida amorfa, dos vários componentes, ou um líquido sub-resfriado.

A sequência típica da fabricação pode ser dividida nas seguintes operações unitárias (Op) e conversões químicas (Cq):

Transporte das matérias-primas para a usina (Op);

Classificação de alguns materiais (Op);

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