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Trabalho sobre as caracteristicas fisicas, processo de fabricação de pisos e revestimentosm entre outras
Tipologia: Trabalhos
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1 – Introdução. As indústrias cerâmicas tradicionais, algumas vezes denominadas indústrias de produtos de argila ou indústrias de silicatos, tem como produtos
recentes, desenvolveram-se novos produtos para atender á demanda de materiais capazes de suportar temperaturas mais elevadas, resistir a maiores pressões, apresentando ao mesmo tempo, propriedades mecânicas superiores, ou tendo características elétricas superiores, ou tendo características elétricas especiais, ou oferecendo proteção contra agentes químicos corrosivos. Abaixo segue um breve resumo, dos materiais existentes a base de cerâmica. Um dos produtos é a cerâmica branca, onde essa designação abarca produtos que são usualmente brancos e tem uma textura fina. São obtidos a partir de tipos escolhidos de argila aglutinados mediante quantidades variáveis de fundentes (que são em geral o feldspato, argilas e a sílica) e aquecidos num forno a temperaturas relativamente elevadas (1 200 a 1 500 °C). Em virtude das quantidades diferentes das diversas espécies de fundentes, há uma variação grande no grau de vitrificação das cerâmicas brancas, desde a louça comum, pisos e revestimentos até a porcelana vitrificada. Outra linha de produtos é a de produtos estruturais da argila. São em geral os produtos mais baratos, mas muito duráveis, como os tijolos, manilhas, pisos e revestimentos que são fabricadas muitas vezes com a argila comum e mais barata (argilas vermelhas, brancas e ocres, usualmente refratárias), com ou sem vitrificação. Em geral as argilas têm impurezas suficientes para fornecer os fundentes necessários á aglomeração do corpo cerâmico, quando a massa é vitrificada. Encontramos também na linha das cerâmicas os refratários, que podem ser ácidos, básicos e neutros, e também super-refratários, compreendem os materiais usados para resistir aos efeitos térmicos, químicos e físicos, que se encontram nos processos ocorrentes em fornos. Os fundentes usados para manter aglutinadas as partículas dos refratários são empregados em quantidades mínimas, para reduzir a vitrificação. A possibilidade de conformar peças a partir de massas sem argila, e mesmo sem qualquer plasticidade natural, leva a fabricação de cerâmicas a um só componente, com qualidades superiores; por exemplo, os refratários a óxidos. Estes refratários são monocristalinos e auto-aglutinantes, em comparação com os refratários convencionais, aglutinados pela vitrificação. Existem vários tipos de refratários como os de: argila refratária, de sílica, de alta alumina, refratários básicos, de magnesita, entre outros.
proporções variáveis), ou seja a base para os produtos cerâmicos são essas argilas. Existem três tipos de feldspatos, são eles: os potássicos (K 2 O.Al 2 O 3. 6SiO 2 ), os sódicos (Na 2 O. Al 2 O 3. 6SiO 2 )e os cálcicos(CaO. Al 2 O 3. 6SiO 2 ), os quais em maior ou menor medida, são usados nos produtos cerâmicos. O feldspato é de grande importância como fundente nas fórmulas cerâmicas. Podendo estar presente nas jazidas, ou podendo ser adicionado conforme as necessidades. Do ponto de vista cerâmico, as argilas são plásticas e moldáveis quando estão suficientemente reduzidas e úmidas, quando secas são rígidas e vitrosas quando queimadas numa temperatura elevada. Outro constituinte principal das cerâmicas é a areia, no caso de produtos cerâmicos de cor clara, é preciso usar areia com baixo teor de ferro.
Tabela 2.1 - Matérias-primas básicas para as cerâmicas. Caulinita Feldspato Areia ou Sílica Fórmula Al 2 O 3 .2SiO 2 .2H 2 O K 2 O.Al 2 O 3 .6SiO 2 SiO (^2)
Tabela 2.2 - Fundentes mais utilizados nas cerâmicas.
Bórax (Na 2 B 4 O 7 .10H 2 O) Fluorita (CaF 2 )
Ácido bórico (H 3 BO 3 ) Criolita (Na 3 AlF6)
Barrilha (Na 2 CO 3 ) Óxidos de ferro
Nitrato de sódio (NaNO 3 ) Óxidos de antimônio
Perlasso (K 2 CO 3 ) Óxidos de chumbo
Nefelino sienito Minerais de lítio
Ossos calcinados Minerais de bário
Apatita [Ca 5 (F.Cl.OH)(PO 4 ) 3 ]
Tabela 2.3 - Ingredientes refratários especiais.
Alumina (Al 2 O 3 ) Zircônia (ZrO 2 )
Olivina [(FeO.MgO)2SiO 2 ] Titânia (TiO 2 )
Cromita (FeO.Cr 2 O 3 ) Silicatos de Magnésio hidratados, por exemplo: talco (3MgO.4SiO 2 .H 2 O) Silicatos de alumínio (Al 2 O 3 .SiO 2 ) Carborundo (SiC) (cianita, silimanita, andalusita) Mulita(3Al 2 O 3 .2SiO 2 ) Dumotierita (8Al 2 O 3 .B 2 O 3.
6SiO 2 .H 2 O)
Dolomita [CaMg(CO 3 ) 2 ]
Magnesita (MgCO 3 ) Tória (ThO 2 ) Cal (CaO) e calcário (CaCO 3 )
3. Retículo Cristalino. As estruturas cerâmicas são compostas por pelo menos dois elementos químicos, suas estruturas cristalinas são mais complexas que as dos metais. A ligação atômica desses materiais varia desde puramente iônica até totalmente covalente, muitas cerâmicas exibem uma combinação desses dois tipos de ligação, sendo que para a ligação iônica depende-se das eletronegatividades dos átomos.
3.1 - Ligações Iônicas. As estruturas cristalinas podem ser consideradas compostas por íons eletricamente carregados, não por átomos. Duas características dos íons que compõem os materiais cerâmicos cristalinos influenciam a estrutura do cristal: a magnitude da carga elétrica de cada um dos íons componentes e os tamanhos relativos dos cátions e dos ânions. Em relação à primeira característica, o cristal deve ser neutro; isto é, todas as cargas positivas dos cátions devem ser contrabalanceadas por um número igual de cargas negativas dos ânions. O segundo critério envolve o tamanho ou os raios iônicos dos cátions e dos ânions.
3.2 - Estruturas cristalinas do Tipo AX.
Na estrutura da gibbsita os átomos de alumínio estão posicionados nos centros dos octaedros e, nos vértices estão posicionados os grupamentos hidroxila. Somente 2/3 dos octaedros são ocupados e os octaedros são ligados pelas arestas, o que caracteriza a caulinita como dioctaédrica. Na estrutura da sílica, os átomos de silício estão posicionados nos centros dos tetraedros, nos quais os vértices são ocupados por átomos de oxigênio. Devido à forma com que os tetraedros são coordenados uns aos outros, cria-se um buraco na lamela que expõe a hidroxila para eventuais reações. (figura 1b)
4.2 - Feldspato (K 2 O.Al 2 O 3 .6SiO 2 ).
O Feldspato é a designação que se dá aos aluminossilicatos, sendo principal componente do grupo ortoclásio. Os cristais de ortoclásio são monoclínicos. Cristais monoclínicos (por exemplo, ortoclásio) são caracterizados por vetores de rede de diferentes comprimentos. Sua estrutura se assemelha a um prisma retangular com uma base de paralelogramo.
4.3 - Sílica (SiO 2 ).
Estruturalmente, a sílica consiste na rede tridimensional que é gerda quando todos os átomos de oxigênio localizados no vértice de cada tetraedro são compartilhados por tetraedros adjacentes. Sendo assim o material é eletricamente neutro e todos os átomos possuem estruturas estáveis. Esses tetraedros se arranjam de maneira regular formando estruturas cristalinas polimórficas.
5 – Propriedades Físicas.
5.1 – Propriedades Mecânicas.
Embora o comportamento mecânico dos materiais cerâmicos seja em diversos aspectos superiores ao de outros materiais, algumas características são negativas. Uma das razões porque os materiais cerâmicos não são empregados com fins estruturais é devido á fratura frágil. Pois, estes materiais normalmente não apresentam deformação plástica apreciável e sua resistência
ao impacto é reduzida, isto é, eles apresentam baixa tenacidade. Os materiais cerâmicos sofrem o fenômeno conhecido como fadiga estática, que leva a diminuição de sua resistência á fratura com o tempo sob aplicação de uma carga. Apesar destas desvantagens, estes materiais possuem a alta resistência á abrasão, a inércia química e resistência a altas temperaturas. Na tabela abaixo segue alguns dos fatores que influenciam as propriedades mecânicas das cerâmicas.
Tabela 5.1 – Alguns parâmetros que influenciam as propriedades mecânicas de materiais cerâmicos.
Parâmetros do Material Meio Ambiente Composição Temperatura Estrutura cristalina Atmosfera Microestrutura Taxa de deformação Defeitos/Falhas Fadiga estática
Resistência á flexão. Uma das maneiras de medir o comportamento tensão-deformação das cerâmicas não é em geral avaliado através de um ensaio de tração, mais sim nas maiorias das vezes torna-se adequado empregar um ensaio de flexão transversal. Por sua vez um corpo de prova na forma de uma barra, com seção reta retangular, é apoiado em dois pontos, onde em seguida é aplicada uma carga geralmente no centro do corpo, que é flexionado até sua fratura. Este teste é usado também para medir o comportamento elástico das cerâmicas, que por sua vez apresenta um comportamento linear entre tensão e deformação. Os módulos de elasticidade para as cerâmicas é ligeiramente superior aos módulos de elasticidade encontrados para os demais materiais. Geralmente os materiais cerâmicos são frágeis rompem após uma pequena deformação plástica. Conforme a temperatura é elevada, a separação atômica aumenta, diminuindo a força para separações posteriores e portanto diminuindo a elasticidade.
O método mais comum utilizado para caracterizar os materiais translúcidos quanto á transparência ou opacidade é razão de contraste, ou seja, é a razão entre a taxa de reflectância do espécime sobre um fundo preto e da reflectância do mesmo espécime obtido sobre um fundo branco. A escala de razão de contraste varia de zero a 1, onde se considera que um material é opaco quando a mesma luz é refletida independente do fundo utilizado. Já um material é considerado transparente quando a luz é totalmente absorvida pelo fundo preto.
5.3 – Propriedades Térmicas.
Forças de ligação interatômicas relativamente fortes são encontradas em muitos materiais cerâmicos, o que se reflete na forma de coeficientes de expansão térmica comparativamente baixos. De fato alguns materiais cerâmicos, mediante o seu aquecimento, se contraem em algumas direções cristalográficas enquanto se expandem em outras. No caso de vidros inorgânicos, o coeficiente de expansão depende da composição.
Os materiais cerâmicos que precisam ser submetidos a mudanças de temperaturas devem possuir coeficientes de expansão térmica que sejam relativamente pequenos. De forma, esses materiais frágeis podem experimentar uma fratura em conseqüência de variações dimensionais não- uniformes, no que é conhecido por choque térmico.
As cerâmicas são materiais não metálicos, e devido a essa natureza são isolantes térmicos, uma vez que eles carecem de grandes números de elétrons livres. Dessa forma os fônons são os principais responsáveis pela condutividade térmica. Estes por sua vez não são tão efetivos como os elétrons livres no transporte da energia calorífica, o que é um resultado do espalhamento muito eficiente dos fônons pelas imperfeições do retículo. O vidro e outras cerâmicas amorfas possuem menores condutividades do que as cerâmicas cristalinas, uma vez que o espalhamento dos fônons é muito mais efetivo quando a estrutura atômica é altamente desordenada e irregular.
O espalhamento das vibrações dos retículos se torna mais pronunciado com o aumento da temperatura; assim, a condutividade térmica da maioria dos
materiais cerâmicos diminui normalmente em função de um aumento na temperatura, pelo menos a temperaturas relativamente baixas. A porosidade nos materiais cerâmicos pode ter influencia dramática sobre a condutividade térmica; o aumento do volume dos poros irá, sob a maioria das circunstancias, resultar em uma redução da condutividade térmica. De fato, muitos materiais cerâmicos utilizados para isolamento térmico são porosos. A transferência de calor através dos poros é normalmente lenta e ineficiente, pois estes contem ar estagnado, o qual possui uma condutividade extremamente baixa.
5.4 – Propriedades Elétricas. A maioria das cerâmicas iônicas é composta por materiais isolantes á temperatura ambiente e, portanto, possuem estruturas da banda de energia eletrônica. Essas bandas consistem em, uma banda de valência preenchida que é separada de uma banda de condução vazia por um espaço entre bandas relativamente grande. Dessa forma, em temperaturas normais, apenas uns poucos elétrons podem ser excitados através do espaçamento entre bandas pela energia térmica que esta disponível, o que é responsável pelos valores muito pequenos de condutividade que são encontrados para esses materiais. Com um aumento da temperatura, os materiais isolantes experimentam um aumento na sua condutividade elétrica, que pode, no final, ser maior do que aquela apresentada pelos materiais semicondutores.
5.5 - Propriedades Magnéticas. O magnetismo é um fenômeno conhecido desde a antiguidade, sendo a magnetita o material mais conhecido. O interesse pelo magnetismo em cerâmicas é recente. Foi J. L. Snoek, Philips Labs, em 1946 que demonstrou pela primeira vez que era possível sintetizar cerâmicas com propriedades magnéticas fortes, alta resistividade elétrica e baixas perdas. As propriedades magnéticas dependem das ligações covalentes e/ou iônicas das estruturas cristalinas e das microestruturas, ou seja, os elétrons
que é o ambiente mais tradicional de formação de depósitos de argila nas regiões interiores e a planície costeira (planice litorâneas), junto às regiões litorâneas. Esses locais constituem zonas saturadas em água, ou sujeitas a inundações periódicas, onde, com as camadas argilosas, comumente acumula- se matéria-orgânica, componentes que exercem influência no comportamento tecnológico do material. Dessa maneira, as argilas quaternárias caracterizam- se pela elevada umidade e alta plasticidade, o que lhes propicia boa trabalhabilidade para os processos cerâmicos de conformação plástica, a exemplo dos produtos extrudados, tais como tijolos e telhas, até mesmo para a produção artesanal (olarias) ou com equipamentos de pequeno porte. De forma geral, no território brasileiro, as argilas aluvionares constituem se de caulinitas e detríticas, devido à disponibilidade desse mineral na área- fonte – regiões que serviram de suprimento para a formação dos depósitos sedimentares. Isso decorre do clima quente e úmido dominante no período Quaternário (e final do Terciário) que favoreceu o desenvolvimento da caulinita nos espessos mantos de intemperismo (solos e rochas alteradas), seguindo-se de erosão e carreamento detrítico nas estações chuvosas. Ocasionalmente, em áreas mais restritas, pode-se encontrar também argilas detríticas mistas, compostas de caulinita e ilita (eventualmente esmectita), devido à contribuição na fonte de rochas menos alteradas, ou pelas condições locais mais áridas, que possibilitaram o enriquecimento nesses minerais. As argilas aluvionares formam depósitos lenticulares, com espessuras de porte métrico e distribuição em áreas que podem variar de poucos hectares até quilômetros quadrados, variando de acordo com a extensão da planície de inundação. O perfil geológico é tipificado por um substrato arenoso e passagens ricas em matéria orgânica, culminando, às vezes, com um capeamento orgânico turfoso.
Argilas de Bacias Sedimentares As argilas das bacias sedimentares, também denominadas de formacionais, são aquelas relacionadas às unidades geológicas antigas, as principais bacias sedimentares brasileiras, são das eras Paleozóicas e Mesozóicas (570 a 65 milhões de anos), secundariamente, a Terciária (65 a 1, milhões de anos). Essas bacias constituíram grandes áreas deprimidas que
acumularam sedimentos durante longos períodos, em grande parte em ambientes marinhos, incluindo espessos pacotes argilosos, de mais de uma centena de metros. Com a evolução geológica, esses sedimentos sofreram processo de litificação, transformando-se em rochas compactas, e encontram- se hoje parcialmente expostos no continente, modelados na forma de colinas e morros. Outra característica importante das argilas de bacias sedimentares é a grande dimensão dos depósitos, formando pacotes argilosos contínuos e homogêneos, que podem atingir espessuras de algumas dezenas de metros. No entanto, nessas extensas camadas podem ocorrer variações de granulometria (pacotes mais arenosos ou mais argilosos), de composição química (domínios mais carbonáticos, mais alcalinos) e de composição de argilominerais (variação nas proporções entre ilita, esmectita e caulinita), influenciando no desempenho cerâmico das matérias-primas. Os taguás (rochas de interesse cerâmico que são os folhelhos, argilitos, siltitos, ritmitos e outras rochas de natureza pelítica, que são denominadas no jargão cerâmico, genericamente, de “taguá) são mais abundantes que as argilas quaternárias, possuem ampla distribuição no território nacional e apresentam bom desempenho cerâmico, sobretudo no processamento térmico. Isto tem possibilitado o crescimento de seu aproveitamento, em substituição às argilas de várzea, na cerâmica vermelha, pois constituem depósitos mais espessos e homogêneos, posicionados em situações topográficas mais favoráveis, fora das áreas de inundação, com vantagens técnicas e ambientais para as operações de lavra. O uso dos taguás vem sustentando também a expansão em larga escala da indústria de revestimentos cerâmicos via seca. Somente no APL de Santa Gertrudes (SP), são consumidas cerca de 450 mil t/ mês de taguás para produção de placas cerâmicas.
6.2 - Extração e Localização. Nas minerações mais bem estruturadas, a extração costuma ser conduzida de acordo com um projeto orientado pelos seguintes condicionantes.
direta. Nestes casos, podem ser necessárias operações de desmonte com explosivos para fragmentar o material, procedendo-se então ao seu carregamento e transporte. Principais Jazidas-Localização.
Figura : Principais Jazidas de Matéria-Prima, Cerâmica Brasileiras.
Tabela 6.2.1 – Localização dos Municípios.
Estado Municipio
Acre Rio Branco.
Bahia Reconcavo
Ceará Caucaia Caulicaia, Russas.
Espirito Santo Colatina, Itapemirin.
Goias Anapolis.
Maranhão Timon.
Mato Grosso Varzea Grande.
Mato Grosso do Sul Campo Grande, Rio Verde, Tres Lagoas.
Minas Gerais Governador Valadares, Igaratinga, Ituiutaba Monte Carmelo, Sete Lagoas, Uberlândia.
Pará Santarem, São Miguel do Guama.
Paraiba Juazeirinho.
Paraná Curitiba, Foz do Iguaçu, Londrina, Prudentopolis.
Rio Grande do Norte Açu, Goianinha, Parelhas.
Rio Grande do Sul Feliz, Lajeado, Pelotas, Porto Alegre, Santa Maria, Santa Rosa.
Rio de Janeiro Campos de Goytagazez, Itaborai, Tres Rios.
Rondonia Porto Velho.
Santa Catarina Canelinha, Criciuma, Pouso Redondo.
São Paulo Barra Bonita, Bragança Paulista, Itu Mogi Guaçu, Ourinhos, Panorama, Penapolis
Tambau, Tatui.
6.3 - Transporte, Armazenamento e Estocagem das Matérias-Primas. As matérias-primas são transportadas do local de extração, por via rodoviária ou ferroviária, na qual é analisada e dependendo de suas características e de seu grau de processamento, podem ainda permanecer estocadas em pátios a céu aberto, para maturação, por cerca de seis meses. Esse processo é denominado intemperismo que alivia as tensões nos produtos conformados, auxiliando na plasticidade, na trabalhabilidade da argila e na homogeneização e distribuição da umidade nas massas além de ocorrer a decomposição da matéria orgânica presente na camada do solo. As matérias- primas devem ser desagregadas ou moídas, classificadas de acordo com a granulometria e muitas vezes também purificadas.
O processo de fabricação, propriamente dito, tem início somente após essas operações.
Figura 6.3.1 - Extração da argila (barreiro).
Figura 6.3.2 - Armazenamento da argila.
6.4 – Síntese. Todos os produtos cerâmicos são feitos pela combinação de quantidades diversas das matérias- primas mencionadas anteriormente, pela conformação apropriada e pelo aquecimento até a temperatura de queima. Estas temperaturas podem ser baixas, como uns 700°C, na queima de certas vidrados sobrepostos, ou tão elevadas quanto 2 000°C, necessária para muitas vitrificações. Estas temperaturas provocam várias reações, que constituem a base das seguintes conversões químicas:
mesmo em refratários, para atuar como agente ligante, mas uma vitrificação muito intensa é capaz de destruir algumas propriedades dos mesmos.
Diagrama 6.4.1 – Diagrama de fase do sistema Al 2 O 3 (alfa) – SiO 2. A mulita tem a fórmula 3Al 2 O 3 .2SiO 2.
6.5 – Identificação do Produto. Os pisos e revestimentos cerâmicos são utilizados em larga escala na construção civil, são bonitos, duráveis e fáceis de limpar. São aplicados no acabamento de uma determinada obra. No mercado existem diversos tamanhos, cores e modelos desses materiais. Estes por sua vez são grandes responsáveis pela temperatura do ambiente, variando de acordo com o material escolhido. Qual a diferença de piso e revestimento? A diferença está no tamanho e na aplicação: O piso foi feito para ser aplicado no chão, mas também pode ser utilizado na parede, já o revestimento pode ser aplicado apenas na parede, e geralmente é de tamanho menor.
O Brasil é o quarto maior produtor mundial de pisos e revestimento cerâmico, ficando atrás apenas de China, Itália e Espanha, e é o terceiro maior exportador mundial. Em 1997, foram produzidos 383,3 milhões de metros quadrados de revestimentos cerâmicos, entre pisos e azulejos, volume 13,94% maior que o de 1996. Do total produzido, foram vendidos no mercado interno 339,8 milhões de metros quadrados, ou seja, mais de 88% da produção nacional. Conseqüentemente, o faturamento das indústrias do setor cresceu, alcançando a marca de US$ 1,9 bilhão, o que representa um aumento de 15,3% em relação ao ano anterior.
6.6 - Fabricação de Pisos e Revestimentos Cerâmicos.
Preparação da Massa. As massas ou pastas cerâmicas são compostas por duas ou mais matérias-primas, além de aditivos e água. Logo uma etapa fundamental do processo é a dosagem das matérias-primas e aditivos, que deve seguir com rigor as formulações de massas estabelecidas previamente. As matérias-primas
devem ser adicionadas em proporções controladas, bem misturadas, com um rigoroso controle de umidade, e homogeneizadas, de modo a conseguir a uniformidade física e química da massa. O processo pode ser classificado de acordo com a preparação da massa, ou seja, via úmida ou via seca. As indústrias que utilizam o processo de via úmida produzem a partir das seguintes etapas:
Já em alguns processos por via seca, utilizam desde argilas vermelhas até as argilas mais claras para a fabricação de cerâmicas para revestimentos, sendo a produção das matérias-primas feita pelas operações de:
Os usuários deste processo para a fabricação de pisos e revestimentos é o pólo de Santa Gertrudes, sendo que a argila é proveniente da formação Corumbataí. Para a composição da massa há, geralmente, uma mistura de rocha fresca, mais fundente, com rocha parcialmente alterada, mais plástica.
Moagem. Durante a extração da matéria-prima (argila), ocorre uma previa trituração desta durante a mineração, gerando partículas de aproximadamente 2mm. Porém, deve-se reduzir a granulometria para diâmetros inferiores a 1mm, para isso necessita-se do uso de moinhos. A argila no estado bruto é levada aos moinhos por meio de esteiras. O mercado oferece alguns tipos de moinhos, cada um com suas características específicas: