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Secagem, Queima e Acabamento de Produtos Cerâmicos
Muitos processos de conformação de peças cerâmicas requerem adição intencional de água à mistura de matérias primas iniciais. Uma vez que essas peças conformadas vão ser queimadas em altas temperaturas, que transformaria essa água em vapor e literalmente levaria a explosão do produto, deve-se usar processos de secagem bem controlados para a remoção dessa água antes da etapa de Queima propriamente dita. A Secagem é a remoção da água mecanicamente combinada e algumas vezes envolve a vaporização de aditivos orgânicos tais como plastificantes e ligantes. As cerâmicas que são conformadas sem a adição de água, incluindo muitos componentes eletrônicos, certas formas refratárias e isoladores como as velas de ignição, não requerem uma etapa de secagem antes da queima. A Queima do produto cerâmico é uma das mais importantes etapas no seu processo de produção. É durante a queima que o produto à “verde” se “matura”- ou seja, que as suas propriedades e utilidades finais são desenvolvidas. São complexas as mudanças físicas, químicas e mineralógicas que ocorrem enquanto o material está sendo queimado. Uma grande variedade de fornos (geralmente chamados de Kilns) são usados para efetuar a queima dos produtos cerâmicos e para a fusão de vidros. Métodos como lixamento, esmaltagem e soldagem a outros materiais são usados no acabamento de produtos cerâmicos.
Secagem
A superfície e as partes mais finas de uma peça cerâmica vão sempre secar mais rápido. Isso leva ao desenvolvimento de trincas na superfície da peça. Para se evitar essa situação, costumasse aquecer inicialmente a peça em um ambiente fechado com uma umidade relativa mantida alta na superfície e nas partes mais finas da peça. Quanto maior for a umidade do ar circundante à peça, mais lenta vai ser a taxa de evaporação da água na superfície da peça. A peça vai secar uniformemente se inicialmente a taxa de evaporação na superfície for mantida praticamente igual à taxa de infiltração (ou difusão) da água do interior da peça para a sua superfície. A temperatura de secagem pode ir sendo gradualmente aumentada e a umidade gradualmente diminuída. O estágio final da secagem vai ser feito sob umidade muita baixa e a temperaturas maiores que 100º C, a temperatura de ebulição da água. Isso deve resultar em uma peça seca e isenta de trincas de
encolhimento. Utiliza-se algumas vezes envolver as peças, principalmente suas partes mais finas em panos úmidos durante a parte inicial da secagem. Deve-se também usar uma ventilação constante do ar em volta da peça de forma a não deixar desenvolver uma camada saturada de água na sua superfície. Produtos com seções transversais muito delgadas ou que tenham baixo conteúdo de água podem ser secos simplesmente por uma circulação de ar em uma área ligeiramente morna. A maioria dos produtos, no entanto requerem que a secagem seja processada em fornos secadores onde temperatura, umidade e circulação de ar possam ser controlados. Para a facilidade de manuseio, o produto é usualmente colocado em carros transportadores que podem descarrilar-lhe tanto para dentro quanto para fora dos secadores. Hoje em dia já se está usando secagens assistidas por vácuo e por microondas. Quando uma grande variedade de artigos estão sendo produzidos é necessário utilizar-se secadores ciclicamente programados. Esses secadores consistem de câmaras que uma vez preenchidas com os produtos a serem secos, são aquecidas através de uma programação envolvendo tempo-temperatura- umidade. Quando termina o ciclo de secagem, o forno secador é parcialmente resfriado e os produtos secos são removidos. Quando se esvazia o forno, um novo carregamento de produtos é efetuado, e o ciclo de secagem é repetido. Secadores à túnel são secadores contínuos que são adequados para uma operação contínua de queima. Eles consistem de longas câmaras através das quais o produto é lentamente empurrado para dentro. Ao longo de toda a extensão do túnel, várias zonas de temperatura e umidade constantes são mantidas. No caso de produtos cerâmicos granulados, como os cimentos por exemplo, pode-se usar bandejas secadoras com o material espalhado sobre elas, que se movem progressivamente através de uma câmara de secarem. Esses materiais também podem ser secos em um secador rotatório, que consiste de longo cilindro ligeiramente inclinado da horizontal e lentamente girado em torno de seu eixo. O ar quente é soprado a partir da parte mais baixa e retirado na sua parte mais alta. O material ainda úmido é alimentado na parte mais alta e descarregados já secos na parte mais baixa.
Queima ou Cozimento do Corpo Cerâmico
A maturação de um corpo cerâmico pode ocorrer de duas maneiras: Por Vitrificação : quando, durante a queima, ocorre a formação de uma quantidade grande de fase vítrea no produto. Por Sinterização : quando pequena ou mesmo nenhuma quantidade de líquido é formada durante a queima do produto. Em ambos os casos o resultado final da queima são os mesmos – ou seja, a redução ou a quase total eliminação dos poros, acompanhada pelo encolhimento e aumento na densidade do produto, e uma junção dos grãos cristalinos ou seus constituintes mineralógicos individuais de modo a formar um massa rígida e resistente. A maioria das cerâmicas, incluindo todos os produtos de cerâmica branca, produtos estruturais de argila e refratários argilosos, sofrem vitrificação durante a queima. Os termos, não vitrificado, semi- vitrificado e vitrificado são descritivos da quantidade de porosidade presente no produto final (Normas ASTM C242-90a). A maioria dos produtos cerâmicos vitrificáveis contém argila ou talco junto com outros silicatos. Quando se aumenta a temperatura do corpo, as impurezas carbonáceas são eliminadas, a água quimicamente ligada as matérias primas é evoluída e os carbonatos e sulfatos começam a se decompor. Todos esses processos produzem gases que devem escapar do produto passando para a sua superfície através dos seus poros. Com o posterior aquecimento, alguns dos minerais começam a se transformar em novas formas estruturais, e os fluxos presentes começam a reagir com os minerais que estão se decompondo para formar líquidos de silicatos viscosos ou fases vítreas. (Se essa formação de líquido procede rapidamente pode começar a bloquear os poros antes que todos os gases sejam ventilados para fora e o corpo cerâmico pode inchar em um processo indesejável conhecido “bloating”).
Atmosfer a de Forno
A composição da atmosfera na qual um produto cerâmico é queimado tem uma forte influência nos resultados da operação, independente mente se o produto passa por vitrificação ou por sinterização. O teor de oxigênio da atmosfera dentro do forno é particularmen te importante. Se a atmosfera tem suficiente oxigênio para permitir que a cerâmica absorva algum oxigênio, essa atmosfera é dita oxidante; se a atmosfera tende a roubar oxigênio da cerâmica, é dito que a atmosfera é redutora. Quando uma cerâmica absorve oxigênio da atmosfera, ela pode queimar carbono e converte todos os compostos instáveis presentes para óxidos. Se ocorre uma atmosfera redutora, íons de valência variáveis presentes na cerâmica tenderão a mudar para seu estado menos positivo, resultando em mudanças nas características óticas (especialmente cor), elétricas etc. AS atmosferas dos fornos aquecidos por combustão terão uma mistura de gases como o CO (^) 2, N2, CO, O (^) 2, H (^) 2O e usualmente algum SO2. Se presente em grandes quantidades o SO 2 é bem prejudicial
para as cerâmicas. Nesse caso, a prática comum tem sido o uso de muflas nos fornos. A mufla é um recinto no qual o produto pode ser colocado de forma que os gases de combustão que passam pelo lado de fora da mufla nunca entrem em contato com o produto. A mufla também proteje o produto de ser inflamado o que pode provocar encolhimentos diferenciados durante a queima. Se não se tem disponível uma mufla, ou se proteção extra se faz necessária, "saggers" (caixas de argila refratárias em que se leva louças de barro para cozer) são utilizadas.
Fornos Cerâmicos (KILNS) -
Estrutura na qual um material ou produto é queimado, calcinado, sinterizado, ou de outra forma submetido a temperatur as elevadas.
O forno no qual se dá a queima de produtos cerâmicos, comument e chamado de kiln, pode ser classificado ou como periódico (intermitente ou de bateladas) ou à túnel (contínuo), dependendo de sua construção e modo de operação. Um kiln periódico é aquele no qual todo o forno é aquecido e resfriado de acordo com um programa (schedule) particular para aquele produto; Um kiln à túnel, por outro lado, mantém continuamente certas zonas de temperatura e o produto é movido de uma zona para outra para atender o requerido ciclo de tempo-temperatura. A figura abaixo mostra um tipo de forno à túnel e seu painel de controle.
O forno periódico é mais flexível uma vez que se pode mudar os ciclos tempo-temperatura para diferentes tipos de produtos. O forno à túnel é mais econômico em termos de trabalho (para carregar e descarregar os produtos no forno) e combustível (embora os revestimentos fibrosos e o isolamento nos carros fornos -kiln car - tenham tornado os fornos periódicos eficientes) mas é relativamente inflexível, sendo limitado para a queima de longas jornadas envolvendo somente um tipo de produto. Muitas fábricas adotam ambos os tipos de fornos, sendo que os periódicos são usados para as linhas de produtos especiais e os fornos à túnel para os produtos de linha padrão e alto volume de produção. O investimento inicial para o forno à túnel é alto, e sistemas de controle mais sofisticados que os dos fornos periódicos são requeridos.
Entrar na home page indicada abaixo e obter informações sobre os diferentes tipos de fornos cerâmicos.
UNIQUE/PERENY has been designing and fabricating a broad range of kilns, furnaces, ovens and thermal systems for over 50 years. These include box type, car bottoms, shuttles, elevator, onveyorized and tunnel type units; many of which are exclusive designs not normally supplied by other companies. ( http://www.hed.com/index.html)
Os fornos periódicos consistem de uma única câmara forrada e selada por refratários, possuem portinholas para entrada dos gases quentes (burner port) e saídas para os produtos de combustão. A menos que seja construído com uma mufla, o forno aquece o produto pela passagem de gases quentes de combustão através dos produtos.
chamados "rollers kilns" são agora usados em muitos setores da indústria cerâmica para queimar uma diversidade de produtos desde os componentes de circuitos eletrônicos até produtos da indústria de sanitários. Materiais cerâmicos não consolidados podem ser calcinados em fornos rotatórios, que são tubos cilíndricos de aço forrados com refratários. Os "rotatory kilns" podem ser bem longos (vários metros) com agluns metros de diâmetro
Fusão de Vidros
A fusão de matérias primas para formar vidros é comumente realizada em fornos grande e rasos, tipo piscina - "pool-type", chamados tanques de vidros (glass tanks). A parte de baixo (base) do tanque é construída de blocos refratários especiais capazes de manter uma piscina de vidro derretido a vários metros de profundidade. Acima do nível da superfície do vidro estão as paredes que contém as portas dos queimadores limitados por um teto na forma de coroa. O aquecimento praticamente ocorre por radiação a partir da coroa quente até o vidro. Compartimentos grandes recobertos com refratários, chamados de câmaras de checagem ou regeneradores, são dispostas ou em um terminal ou ao longo e abaixo do tanque. O propósito desses regeneradores é capturar uma parte do calor dos gases de exaustão e usá-lo para pre-aquecer o ar usado na combustão. Uma parede refratária, chamada "bridge wall" divide alguns tanques em duas regiões distintas. Na seção mais larga, a matéria prima é continuamente alimentada e fundida até produzir um líquido viscoso cheio de bolhas. A seção maior é a de refino. Alí o líquido perde as bolhas e adquire uma viscosidade própria para a conformação. Em alguns tanques, o vidro flui da seção de fusão para dentro da seção de refino através de uma passagem na "bridge wall". Essa passagem, ou garganta, está submersa abaixo da superfície do vidro de modo que somente o material já fundido é que passa para a seção de refino. Outros tanques usam um bloco refratário que sobrenada e impede que o material ainda não fundido passe para a seção de refino. O fluxo constante de vidro da região de fusão para a de refino ocorre porque o vidro está sendo continuamente removido do terminal de refino e enviado para a seção de conformação. É prática comum aumentar o aquecimento usando além do aquecimento da câmara por combustão um tipo de aquecimento elétrico. Esse procedimento utiliza o próprio vidro como um resistor e passa grandes quantidades de corrente através da piscina de vidro entre eletrodos de metal refratário imersos no banho. Os vidros especiais e óticos não são normalmente fundidos em tanques. Grandes "containers" ou "pots" refratários são usados tanto para a fusão quanto para o refino desses vidros. Os "pots" são colocados dentro de um grande forno para aquecimento.
Combustão
A fonte de calor da maiora dos processos industriais, incluindo a secagem e a queima de cerâmicas, é a combustão direta de um combustível com o ar. Os combustíveis mais usados nas indústrias cerâmicas são o gás natural, óleo combustível, gases do petróleo líquido e carvão. O ideal é queimar todo o carbono, hidrogênio e que o combustível tenha pouco enxofre. Para se Ter uma grande quantidade de gases quentes provindos da combustão desses combustíveis deve-se usar mais ar do que teoricamente seria necessário. Os produtos de combustão (quando se usa excesso de ar) de um combustível isento de enxofre geralmente consistem de CO2, CO, H2O, O2 e N2. O N2 vem do arusado para fornecer oxigênio para a combustão. As quantidades relativas desses gases dependem do excesso de ar e da eficiência total da operação de combustão. Monitora-se a composição química dos produtos de combustão para otimizar essa operação. Hoje em dia já estão disponíveis muitos instrumentos para monitorar automaticamente a atmosfera do forno para um ou dois dos gases mais importantes tais como excesso de oxigênio e combustíveis não queimados. O combustível mais conveniente para o uso é o gás natural.
Acabamento
Muitos produtos cerâmicos podem ser tomados diretamente do forno, inspecionados e enviados para o cliente. Outros produtos entretanto precisam ser mais processados para poderem satisfazer as especificações dos clientes. Nesses casos o produto ainda não está totalmente formado até que a sua superfície tenha sido modificada e/ou revestimentos funcionais ou decorativos tenham sido aplicados.
Esses processos pós-queima são agrupados na categoria geral de operações de acabamento e podem incluir lixamento e polimento, aplicações de recobrimentos de proteção ou decoração, ou outras necessidades especiais. As cerâmicas avançadas devem ser cuidadosamente examinadas quanto a presença de falhas antes de serem embaladas para transporte até os clientes. Algumas vezes essas falhas tais como trincas podem ser visualmente detetadas. Outras vezes se fazem necessárias inspeções por líquidos penetrantes, técnicas de raios X e ultrassônicas.
Processos de impressão através de telas perfuradas (“screen”) são largamente usados para imprimir filmes espessos de condutores, resistores e dielétricos sobre substratos cerâmicos e filmes decorativos sobre ladrilhos, utensílios institucionais (de estabelecimento, de prédios, artigos sanitários por exemplo, “institutional ware”) e uma variedade de produtos cerâmicos domésticos. Impressão por almofada de transferência e transferência por decalques (“decals”) são usados para impressão em superfícies planas ou contornadas.
Lixamento
Pode-se alisar a superfície de um produto cerâmico usando-se os processos de esponjamento ou rebarbação. Retífica superficial e torneamento superficial são usados para produzir recessos recortados, superfícies contornadas e superfícies roscadas (filetadas). Fita cerâmica à verde (antes de ser sinterizada) para substratos eletrônicos é colocada no tamanho e forma desejados por recorte e puncionamento.
Esmaltagem
Muitos produtos cerâmicos são esmaltados depois de sinterizados. Um esmalte é um vidro especial designado para ser fundido sobre a superfície de um corpo cerâmico e para aderir a sua superfície durante o resfriamento. Os esmaltes são usados principalmente para selar a superfície de cerâmicas porosas evitando a absorção de água ou outras substâncias. A superfície que se obtém é lisa e impermeável, também mais atrativa e mais fácil de limpar. Em isoladores de alta tensão, um esmalte assegura a manutenção de boas propriedades elétricas mesmo em durante dias chuvosos. Cores e texturas especiais podem ser desenvolvidas no esmalte proporcionando efeitos decorativos e apelos de vendagem. O principal constituinte de um esmalte é sílica geralmente finamente moída, com a adição de constituintes ricos em alcalinos tais como óxidos de sódio e potássio para abaixarem o ponto de fusão do vidrado e óxidos de alcalinos terrosos como o óxido de cálcio para conferir durabilidade química. O óxido de chumbo e o óxido de bórico são também freqüentes constituintes dos esmaltes (vidrados). A composição total é sempre ajustada de modo a controlar a expansão térmica do esmalte, que deve ser igual ou ligeiramente menor que a do corpo subjacente. Para colorir ou tornar os esmaltes opacos são usados aditivos. As técnicas para formulação de um esmalte de conhecida composição são discutidas no capítulo 9. A maioria dos vidrados são preparados por moagem a úmido de várias matérias primas junto com uma "frita" especialmente preparada e comercializada. A frita é um vidro contendo todos os materiais originalmente solúveis, todos óxidos colorantes e aqueles materiais que são tóxidos na forma não combinada. As fritas são produzidas comercialmente pela fusão e têmpera de um vidro feito dos constituintes químicos requeridos. A têmpera pode ser realizada vazando-se a frita fundida diretamente em água ou por têmpera entre rolos de laminação na qual a frita é temperada entre rolos de aço resfriados a água. Após a têmpera, a frita é ,moída, seca, embalada e enviada aos consumidores para uso em formulações de esmaltes e vidrados.
