UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E
ENGENHARIA DE MATERIAIS
TESE DE DOUTORADO
FORMULAÇÃO DE MASSAS CERÂMICAS PARA
PORCELANAS ELÉTRICAS UTILIZANDO RESÍDUOS
ORIUNDOS DE CORPOS DE FUSÍVEIS
ELENISE BARRETO BARBOSA ANUNCIAÇÃO
Orientador:
Prof. Dr. Eng. Rubens Maribondo do Nascimento
Tese n.º 127/PPGCEM
Elenise Barreto Barbosa Anunciação
FORMULAÇÃO DE MASSAS CERÂMICAS PARA PORCELANAS ELÉTRICAS UTILIZANDO RESÍDUOS ORIUNDOS DE CORPOS DE FUSÍVEIS
Natal
2013
Tese apresentada ao Programa de Pós Graduação em Ciências e Engenharia dos Materiais da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como requisito parcial para obtenção do título de Doutor.
Orientador:
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E
DEDICATÓRIA
A,
Renato Barbosa Anunciação e Matheus Barbosa Anunciação, filhos amados, por entenderem os momentos de ausências e fazerem parte da construção de um projeto de vida.
Renato da Anunciação Filho, amor de uma vida, que esteve sempre ao meu lado dando força, apoio, coragem e incentivo.
AGRADECIMENTOS
A Deus, pela dádiva da vida e por iluminar o meu caminho.
A UFRN e ao IFBA pelo convênio firmado.
Ao PPgCEM que permitiu por meio do convênio a realização do curso e a utilização dos laboratórios da UFRN: Laboratório de Tecnologia Mineral e dos materiais, Laboratório de processamento cerâmico e Laboratório de Propriedades Física dos Materiais Cerâmicos - LaPFiMC.
A CAPES, pelo apoio financeiro.
Ao Professor orientador, Rubens Maribondo do Nascimento, pela dedicação, profissionalismo, acompanhamento, orientação e diretrizes traçadas durante a execução da pesquisa.
Aos professores do Programa de Pós Graduação da UFRN, Carlos Paskocimas, George Marinho, Edson Ito, Wanderson Silva, e Wilson Acchar, pelos conhecimentos difundidos durante o cumprimento dos créditos.
Ao professor Antônio Martinelli, pelos conhecimentos difundidos e pelas palavras de apoio e incentivo nos momentos difíceis.
Aos colegas do IFBA que se tornaram minha família durante a estadia na cidade de Natal, César Rogério, Eduardo Dultra, Elvio Guimarães, Ismar Andrade, Jorge Oliveira e Silvia Becher.
Aos colegas da UFRN, Graziele Lopes, Jean Carlos Andrade, José Carlos Calado e Tharsia Costa, pelo apoio, incentivo e acolhimento.
Ao secretário do PPGCEM, Ismael Torquato, pelo apoio, colaboração e profissionalismo.
Ao servidor da UFRN, responsável pelos laboratórios, Hudson Diniz, pelo apoio e profissionalismo.
A, Antônio Francisco, Edgar Barbosa , Luzia Barbosa, meus irmãos, pelas palavras de força e incentivo.
A Maria de Fátima, Rita Anunciação, Reginaldo Anunciação, e Cristina Rosália pelos momentos de colaboração na vida dos meus filhos durante meu afastamento e palavras de incentivo.
A Juracy, In memoriam, pelas palavras de incentivo: “Estudando? É isso aí, vá em frente”.
EPÍGRAFE
“É um paradoxo que a Terra se mova ao redor do Sol e que a água seja constituída de dois gases altamente
inflamáveis. A verdade científica é sempre um paradoxo,
se julgada pela experiência cotidiana, que apenas
capta a aparência efêmera das coisas”.
RESUMO
O setor elétrico gera como resíduo os corpos cerâmicos de fusíveis elétricos que são descartados após o uso. A formulação de massas cerâmicas para porcelanas elétricas utilizando resíduos oriundos de corpos de fusíveis promove uma destinação ambiental adequada, por meio do reaproveitamento do material. Neste trabalho foi avaliada a viabilidade técnica da utilização do resíduo para a aplicação em porcelanas elétricas com formulações contendo o resíduo, feldspato e argila caulinítica. As matérias primas foram processadas passando por moagem e peneiramento a 200 Mesh. As massas cerâmicas obtidas a partir das formulações propostas com 25%, 30%, 34% e 40% do resíduo passaram por um moinho vibratório para homogeneização e moagem e depois foram peneiradas a 325 Mesh. Os corpos de prova foram conformados em uma prensa uniaxial, com aplicação de 25 Mpa e sinterizados a 1100°C, 1150°C, 1200°C, 1225°C e 1250°C, com patamares de 20 e 45 minutos. Foram desenvolvidos também corpos de provas com formulações de referência obtidas sem o resíduo, para estabelecer um comparativo na caracterização física, mecânica e elétrica. Os ensaios e tecnológicos realizados foram: retração linear, porosidade, absorção de água, resistência a flexão a três pontos, medição de resistência de isolação elétrica, resistividade do material, difração de raios X e fluorescência de raios X. A caracterização do resíduo apontou para a existência de duas fases: mulita e quartzo, que são fases de grande importância na microestrutura do material cerâmico e esse fato revela uma possibilidade para o reaproveitamento em porcelanas elétricas. A mulita é um importante constituinte pois é uma fase que possibilita a elevação da resistência mecânica além de permite a utilização do corpo em elevadas temperaturas. O uso do resíduo cerâmicos dos corpos de fusíveis, se mostrou viável para a aplicação em porcelanas elétricas e os resultados mais significativos foram obtidos pelas formulações com 25% de resíduo e sinterização a 1200°C .
ABSTRACT
The power industry generates as waste ceramic bodies of electrical fuses that are discarded after use. The formulation of ceramic bodies for porcelain electrical insulators using waste from the bodies fuse allocation promotes environmentally appropriate, through the reuse of the material. This work evaluated the technical feasibility of using waste for use in electrical porcelains with formulations containing the residue, feldspar and kaolinite. The raw materials were processed through grinding and sieving to 200 mesh. The ceramic material obtained from the proposed formulations with 25%, 30%, 34% and 40% of the residue went through a vibratory mill for grinding and homogenization, and then were sieved at 325 mesh. The samples were shaped in a uniaxial press, with the application of 25 MPa and sintered at 1100° C, 1150°C, 1200°C, 1225°C and 1250°C, at levels of 20 and 45 minutes. Were also developed bodies of evidence with reference formulations obtained without residue, to establish a comparison on physical, mechanical and electrical. The tests were conducted and technology: linear shrinkage, porosity, water absorption, resistance to bending to three points, measuring insulation resistance electrical resistivity of the material, X-ray diffraction and X-ray fluorescence Waste characterizations pointed to the existence of two phases: mullite and quartz phases are of great importance in the microstructure of the ceramic and this fact reveals a possibility for reuse in electrical porcelains. The mullite is an important constituent because it is a phase that makes it possible to increase the mechanical strength in addition to the body allows the use at high temperatures. The use of ceramic bodies residue fuses, proved feasible for application in electrical porcelain and the most significant results were obtained by the formulations with 25% waste and sintering at 1200°C.
LISTA DE SÍMBOLOS
a,b,c Parâmetros de rede da célula unitária (comprimentos das arestas) α, , Parâmetros de rede da célula unitária (ângulo entre as arestas)
°C Graus Celsius
ρ Resistividade do material μ Massa específica
ɵ Ângulo
2ɵ Ângulo de varredura
Ω Unidade de medição de resistência (Ohm) σ Coeficiente de expansão térmica
Ʃ
i SomatórioÅ Ångström (unidade de comprimento que vale 10-10 metros)
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 (a)Imagem do Fusível montado com a base; (b) Imagem do Fusível Diazed 20
Figura 2.2 Imagem das partes componentes do fusível Diazed 20
Figura 2.3 Diagrama ternário com a identificação das regiões de aplicação das porcelanas 22
Figura 2.4 Imagens com as etapas de fabricação de isoladores de alta tensão ; (a) peça central; (b)Torneamento da peça; (c) peça torneada; (d) Aplicação do vidrado
26
Figura 2.5 Diagrama com as etapas de fabricação de isoladores de alta tensão 27
Figura 2.6 Imagem com tipos de isoladores de apoio 29
Figura 2.7 Imagem com tipos de isoladores de suspensão 30
Figura 2.8 Diagrama padrão de um isoladores de disco comercial, segundo a NBR 5032 31
Figura 2.9 Gráfico da distribuição de investimentos na mineração por regiões, ano base 2009 33
Figura 2.10 Representação das estruturas das lamelas dos argilominerais: a) tipo 1:1 e b) tipo 2:1.
34
Figura 2.11 Imagem das estruturas de alguns polimorfos do SiO2:
a) Quartzo α; b) Cristobalita 36
Figura 2.12 Diagrama com a localização de formulações para porcelanas elétricas por autores 40
Figura 2.13 Micrografia de porcelana elétrica com adição de Zeólito natural 42
Figura 2.14 Micrografia de porcelana elétrica 46
Figura 2.15 Micrografia de porcelana elétrica 46
Figura 2.16 Micrografia de porcelana elétrica 47
Figura 3.1 Diagrama do planejamento metodológico do experimento 52
Figura 3.2 Diagrama das matérias primas 54
Figura 3.3 Etapas do processamento do corpo fusível: (a) fusível com contatos metálicos; (b) fusível após a retirada dos contatos metálicos; (c) fusível quebrado
55
Figura 3.4 Diagrama triaxial com localização das matérias primas 58
Figura 3.5 Diagrama triaxial com a área de aplicação das matérias primas 59
Figura 3.6 Diagrama com a identificação da micro região e das formulações propostas 60
Figura 3.7 Gráfico com os percentuais de matérias primas nas formulações A, B, C e D 61
Figura 3.8 Gráfico com os percentuais de matérias primas nas massas PA, PB, PC e PD 61
Figura 3.9 Diagrama de fabricação dos corpos de prova 62
Figura 3.10 Homogeneização e moagem da massa cerâmica em moinho excêntrico vibratório 63
Figura 3.11 Gráfico da rampa de Temperatura de sinterização 65
Figura 4.1 Difratograma com identificação de fases para a amostra de argila 73
Figura 4.2 Difratograma com identificação de fases para a amostra de feldspato 74
Figura 4.3 Difratograma com identificação de fases para a amostra do resíduo 75
Figura 4.4 Imagem da Célula unitária:
(a) carta do microclinio; (b) carta da caulinita; (c) carta do quartzo
78
Figura 4.5 Imagem da Célula unitária:
(a) carta da muscovita; (b) carta do Microclínio; (c) carta da albita
79
Figura 4.6 Gráfico da granulometria a laser da amostra de argila 82
Figura 4.7 Gráfico da granulometria a laser da amostra de feldspato 83
Figura 4.8 Gráfico da granulometria a laser da amostra do resíduo 84
Figura 4.9 Gráfico da granulometria a laser da amostra da formulação A 86
Figura 4.10 Gráfico da granulometria a laser da amostra da formulação B 87
Figura 4.11 Gráfico da granulometria a laser da amostra da formulação C 88
Figura 4.12 Gráfico da granulometria a laser da amostra da formulação D 89
Figura 4.13 Gráfico da análise térmica TG e DTA para a amostra de argila 91
Figura 4.14 Gráfico da análise térmica TG e DTA para a amostra do Feldspato 92
Figura 4.15 Gráfico da análise TG e DTA da amostra de resíduo 93
Figura 4.16 Dilatometria das formulações A, B, C e D 94
Figura 4.17 Difratograma com identificação das fases das amostras 1100B7, 1100C3 e 1100D6, sinterizados a 1100°C
Figura 4.18 Difratograma com identificação das fases das amostras 1200D2, 1200A1 e
1200PB4, sinterizados a 1200°C 90
Figura 4.19 Diagrama ternário SiO2 - Al2O3 - K2O 91
Figura 4.20 Imagem dos corpos de prova com formulações A,B,C e D em função das
temperaturas de sinterização 93
Figura 4.21 Gráfico da MEA para os corpos com formulações: A, B, C e D 95
Figura 4.22 Gráfico da MEA para os corpos com formulações: PA, PB, PC e PD 96
Figura 4.23 Gráficos comparativos da MEA: (a) A e PA; (b) B e PB 97
Figura 4.24 Gráficos comparativos da MEA: (c) C e PC; (d) D e PD 98
Figura 4.25 Gráfico da porosidade aparente média dos corpos com formulações A, B, C e D 100
Figura 4.26 Gráfico da porosidade aparente média dos corpos de prova das formulações: PA, PB, PC e PD
102
Figura 4.27 Gráfico da absorção de água dos corpos de prova das formulações A, B, C e D 104
Figura 4.28 Gráfico de absorção média de água dos corpos de prova das formulações PA, PB, PC e PD
106
Figura 4.29 Gráfico da Retração Linear média dos corpos de prova das formulações A, B, C e D
107
Figura 4.30 Gráfico da Retração Linear média dos corpos de prova das formulações PA, PB, PC e PD
108
Figura 4.31 Tensão de ruptura à flexão dos corpos de prova de formulações A, B, C e D 110
Figura 4.32 Tensão de ruptura à flexão dos corpos de prova de formulações PA, PB, PC e PD 112
Figura 4.33 Micrografia do corpo de prova 1100B7, sinterizado a 1100°C 113
Figura 4.34 Micrografia do corpo de prova 1100B7, sinterizado a 1100°C 114
Figura 4.35 Micrografia do corpo de prova 1100D6, sinterizado a 1100°C 115
Figura 4.36 Micrografia da superfície do corpo de prova 1150C1, sinterizado a 1150°C 116
Figura 4.37 Micrografia da superfície do corpo de prova 1150C1, sinterizado a 1150°C 117
Figura 4.38 Micrografia do corpo de prova 1200B2, sinterizado a 1200°C 118
Figura 4.39 Micrografia do corpo de prova 1200B2, sinterizado a 1200°C 119
Figura 4.40 Micrografia do corpo de prova 1200C4, sinterizado a 1200°C 121
Figura 4.41 Foto dos corpos de prova 1250A2 e 1250B3, sinterizado a 1250°C 122
Figura 4.42 Micrografia do corpo de prova 1250B7, sinterizado a 1250°C 123
Figura 4.43 Micrografia do corpo de prova 1250B7, sinterizado a 1250°C 124
Figura 4.44 Micrografia da superfície de fratura do corpo de prova 1100B7, sinterizado a 1100°C
126
Figura 4.45 Micrografia da superfície de fratura do corpo de prova 1100B7, sinterizado a 1100°C
127
Figura 4.46 Micrografia da superfície de fratura do corpo de prova 1200B8, sinterizado a 1200°C
128
Figura 4.47 Micrografia da superfície de fratura do corpo de prova 1200B8, sinterizado a 1200°C
129
Figura 4.48 Micrografia da superfície de fratura do corpo de prova 1200B8, sinterizado a 1200°C
130
Figura 4.49 Micrografia da superfície de fratura do corpo de prova 1200C4, sinterizado a 1200°C
131
Figura 4.50 Micrografia da superfície de fratura do corpo de prova 1200C4 132
Figura 4.51 Micrografia da superfície de fratura do corpo de prova 1200C4, sinterizado a 1200°C
133
Figura 4.52 Micrografia da superfície de fratura do corpo de prova 1200PB4, sinterizado a 1200°C
134
Figura 4.53 Micrografia da superfície de fratura do corpo de prova 1200PB4, sinterizado a 1200°C
Figura 4.54 Gráfico da resistividade dos corpos de prova com formulações A, B, C e D 141 Figura 4.55 Gráfico com comparativo por formulação para a resistividade elétrica: (a)
Formulação A e massa de referência A; (b) Formulação B e massa de referência B; (c) Formulação C e massa de referência C; (d) Formulação D e massa de
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 Classificação dos isoladores 28
Tabela 2.2 Classificação dos isoladores de apoio 29
Tabela 2.3 Classificação dos isoladores de suspensão 30
Tabela 2.4 Quantidade de mineral no território brasileiro 32
Tabela 2.5 Classificação dos isoladores cerâmicos quanto a composição de acordo
com a Norma IEC 60672-3 37
Tabela 3.1 Percentuais das fases das matérias primas em função dos vértices do
diagrama triaxial 57
Tabela 3.2 Formulações das massas cerâmicas 60
Tabela 3.3 Formulações das massa cerâmicas de referência 60
Tabela 4.1 Fluorescência de raios X das matérias primas 73
Tabela 4.2 Parâmetros de rede das cartas do refinamento da argila 75
Tabela 4.3 Valores percentuais das fases da argila 75
Tabela 4.4 Parâmetros de rede das cartas do refinamento do feldspato 76
Tabela 4.5 Valores percentuais das fases do feldspato 77
Tabela 4.6 Comparativo entre distribuições granulométricas das matérias primas 80
Tabela 4.7 Valores da resistência de isolação elétrica dos corpos de prova com
formulações A, B, C e D 136
Tabela 4.8 Valores da resistência de isolação elétrica dos corpos de prova com formulações de referência PA, PB, PC e PD
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 15
1.1 OBJETIVOS ... 16
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 18
2.1 OS FUSÍVEIS ELÉTRICOS COMO DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO ... 19
2.2 RESÍDUOS UTILIZADOS NA INCORPORAÇÃO DE MASSAS CERÂMICAS ... 23
2.3 ISOLADORES ELÉTRICOS COMERCIAIS ... 25
2.4 PORCELANAS ELÉTRICAS ... 32
2.5 MATÉRIAS PRIMAS PARA AS PORCELANAS ELÉTRICAS ... 33
2.6 MICROESTRUTURAS DAS PORCELANAS ELÉTRICAS ... 41
2.7 ANÁLISE RACIONAL... 48
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 51
3.1 PLANEJAMENTO METODOLÓGICO EXPERIMENTAL ... 52
3.2 PREPARAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DAS MATÉRIAS PRIMAS ... 53
3.3 FORMULAÇÕES DAS MASSAS CERÂMICAS ... 55
3.4 QUANTIFICAÇÃO DAS FASES PELO MÉTODO RIETVELD ... 56
3.5 DIAGRAMA TRIAXIAL DOS MATERIAIS ... 57
3.6 CARACTERIZAÇÃO DAS FORMULAÇÕES ... 61
3.7 PREPARAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA ... 62
3.8 FORMULAÇÕES DE REFERÊNCIA ... 60
3.9 ANÁLISES E ENSAIOS EXPERIMENTAIS ... 65
3.9.1 Ensaio de porosidade e absorção de água ... 65
3.9.2 Retração linear ... 66
3.9.3 Massa específica aparente (MEA) ... 66
3.9.4 Ensaio de flexão ... 67
3.9.5 Análise mineralógica ... 67
3.9.6 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) ... 68
3.9.7 Análise térmica: DTA, TG e Dilatometria ... 68
3.9.8 Ensaio de Medição de resistência de isolação elétrica ... 69
3.9.9 Ensaio de resistividade elétrica ... 69
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 70
4.1 CARACTERIZAÇÃO MINERALÓGICA DAS MATÉRIAS PRIMAS ... 70
4.1.1 Quantificação das fases das matérias primas ... 74
4.2 CARACTERIZAÇÃO GRANULOMÉTRICA ... 78
4.3 ANÁLISES TÉRMICAS ... 84
4.4 CARACTERIZAÇÃO MINERALÓGICA DOS CORPOS DE PROVA SINTERIZADOS ... 89
4.5 DIAGRAMA TERNÁRIO DAS FORMULAÇÕES ... 91
4.6 CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL DOS CORPOS DE PROVA SINTERIZADOS ... 113
4.7 CARACTERIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS DOS CORPOS DE PROVA SINTERIZADOS ... 93
4.7.1 Massa específica aparente (MEA) das massa cerâmica das formulações A,B, C e D e das massas cerâmicas de referência ... 94
4.7.3 Retração linear das massa cerâmica das formulações A, B, C e D e das massas
cerâmicas de referência PA, PB, PC e PD ... 106
4.7.4 Resistência a flexão massa cerâmica das formulações A, B, C e D e das massas cerâmicas de referência ... 110
4.8 CARACTERIZAÇÃO DA PROPRIEDADE ELÉTRICA DOS CORPOS DE PROVAS SINTERIZADOS ... 136
5 CONCLUSÕES ... 146
6 SUGESTÕES... 147
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 148
1 INTRODUÇÃO
Atualmente a preservação ambiental tornou-se uma preocupação mundial e uma forma
de promover essa ação é a conservação dos recursos naturais, o que significa dizer que, o
reaproveitamento de materiais é a maneira mais econômica e ecológica que existe para
promover a sustentabilidade.
Em virtude da ação do mundo produtivo e das demandas da população, a geração de
resíduos vem crescendo nos países industrializados. Segundo Moura (2006) e Menezes (2010),
no setor industrial existem diversos resíduos que são descartados, por exemplo: O pó oriundo
do polimento e corte de mármores, o pó gerado pelas metalúrgicas, a torta de mamona oriunda
da prensagem da mamona, cerâmica quebrada durante o processo de fabricação e outros. Nos
sistemas elétricos ocorre o descarte de materiais de cosumo, equipamentos e instrumentos que
fazem parte das plantas das áreas industriais.
Os fusíveis são elementos de proteção dos sistemas elétricos e são descartados após a
atuação, gerando assim grande volume de lixo industrial que são jogados no ambiente, sem
nenhum tratamento ou em aterros industriais.
O reaproveitamento dos resíduos, pode contribuir para diversificação dos produtos e
redução de custos, nesse sentido o uso da cerâmica do corpo dos fusíveis irá reduzir o lixo
industrial e promover a sua utilização para a aplicação em porcelanas elétricas, agregando
valor ao resíduo.
Existe uma grande preocupação quanto à destinação dos resíduos industriais, para
evitar riscos ao meio ambiente e a saúde pública. Por esse motivo, em 1987 a ABNT
(Associação Brasileira de Normas Técnicas) criou a Norma Brasileira número 10004 (NBR
10004) que trata sobre a classificação de resíduos sólidos e em 2002 foi realizada uma
atualização desta Norma.
Diversos estudos vêm sendo realizado com relação ao aproveitamento de resíduos com
aplicação em cerâmica. Soares (2009) e outros, realizou pesquisa sobre o aproveitamento de
rejeito de caulim e de granito em massa cerâmica para fabricação de porcelana. O feldspato e o
quartzo foram substituídos pelo rejeito com adição de argila para dar plasticidade. Tomelin
(2010), estudou a influência do composto de granilha/esmalte cerâmico no comportamento
mecânico de isoladores elétricos de porcelana de média e alta tensão. As matérias primas
eletrofundida e a granilha queimada apresentou grânulos de formato irregular que atuam como
pontos de ancoramento do cimento.
Em sua pesquisa referente a fabricação de porcelanas elétricas, Chinelatto (2004), usou
as seguintes matérias-primas para as porcelanas triaxiais: a argila, o feldspato e o quartzo ou a
alumina. A elevada área superficial da argila combinada com a morfologia de suas partículas,
placas finas, fornece plasticidade à massa. A argila deve ser caulinítica, a fim de fornecer o
caulim (Al2O3·2SiO2·2H2O), que durante a sinterização irá se decompor e formar cristais de
mulita. Liebermann (2008), realizou estudos com a substituição total e parcial do quartzo pela
bauxita, com a finalidade de promover o aumento da resistência mecânica da peça sinterizada.
Silva (2010), diz que é possível o desenvolvimento de porcelana dielétrica, isoladores
cerâmicos a partir de materiais primas do Rio Grande do Norte, tais como: caulim, feldspato e
quartzo e os resultados apontam para bons valores de resistência mecânica, absorção de água e
resistência de isolação elétrica, que são propriedades que as porcelanas devem apresentar.
A incorporação do resíduo cerâmico oriundo dos corpos de fusíveis em massas
cerâmicas com a finalidade de desenvolver porcelanas elétricas é uma inovação tecnológica e
permite a geração de patente, pois não existem estudos com esse tema. Não foi encontrado
nenhum registro no meio acadêmico do aproveitamento do corpo cerâmico do fusível em
aplicação em massas cerâmicas para a fabricação de isoladores elétricos.
1.1OBJETIVOS
O objetivo geral da presente tese é avaliar a viabilidade técnica da utilização de resíduo
industrial cerâmico, oriundo de corpos de fusíveis, na formulação de massa cerâmica de
porcelanas elétricas de baixa e média tensão.
Diante do objetivo geral proposto, são destacados como objetivos específicos:
1-Avaliar as propriedades físicas e químicas das matérias primas utilizadas na fabricação das
massas cerâmicas para o desenvolvimento de porcelanas elétricas;
2-Preparar e caracterizar formulações de massa cerâmica com a incorporação de resíduo
cerâmico oriundo de corpos de fusíveis e massas de referências sem a incorporação de resíduo;
3-Avaliar a influência da introdução de resíduo industrial cerâmico, oriundo dos corpos de
fusíveis, nas propriedades físicas e mecânicas dos corpos de provas confeccionados com as
4-Avaliar a influência do resíduo cerâmico incorporado na massa cerâmica de porcelanas
elétricas em relação às propriedades elétricas, quanto à resistência de isolação elétrica dos
isoladores elétricos de média e baixa tensão;
5- Avaliar as alterações nas microestruturas dos copos de prova em função do ciclo térmico de
queima e sua influência para as propriedades físicas e mecânicas das diferentes formulações
desenvolvidas com a incorporação de resíduo à massa cerâmica para a aplicação em porcelanas
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A preocupação ambiental tem sido um forte elemento de reflexão no mundo, com uma
busca em unificar esforços para criar políticas que promovam o desenvolvimento sustentável.
Os antigos argumentos dos ambientalistas que relacionavam o desenvolvimento
institucional, apenas as questões ambientais, foram substituídos por versões mais abrangentes e
completas, que levam os aspectos sociais, econômicos e ambientais da vida (MAWHINNEY,
2005, p.21). Rios (2005), afirma que em 1992 a Conferência das Nações Unidas sobre o Meio
Ambiente Humano, realizada em Estocolmo, uniu os países desenvolvidos e em
desenvolvimento para traçarem juntos os “direitos” universais a um meio ambiente sadio e produtivo. Criou as bases da natureza como bem público, da legislação internacional de meio
ambiente e para a integração entre desenvolvimento e proteção dos recursos naturais.
Segundo Oliveira (2006), a década de 1990 foi marcada por uma série de debates sobre
o chamado desenvolvimento sustentável, conceito que abrange a preocupação da sociedade
com a oferta futura de bens e serviços indispensáveis á sobrevivência da humanidade.
Para Sepúlveda (2005), na vertente da nova ecologia ecológica, o desenvolvimento
sustentável no plano nacional enfatiza não apenas a importância da ineficiência e ineficácia do
mercado como causa de degradação dos recursos naturais, mas também a necessidade de sua
gestão eficiente. Essa definição reconhece os fatores condicionantes de caráter ecológico
distributivo da economia e o papel transcendental que podem desempenhar as instituições para
promover uma gestão racional do meio ambiente. Surge à necessidade da criação de uma
política que favoreça o processamento de resíduos promovendo duas grandes contribuições:
redução dos recursos naturais explorados e conservação ambiental evitando a degradação do
ambiente.
Segundo Menezes (2010) o aproveitamento dos rejeitos através de estudos capazes de
detectar suas potencialidades e viabilizar sua seleção preliminar é encarado hoje como
atividade complementar, que pode contribuir para diversificação dos produtos, diminuição dos
custos finais, além de resultar em “novas” matérias-primas para uma série de setores
industriais. O aproveitamento de resíduos é comumente chamado de reciclagem, para Moura
(2006), a reciclagem é uma operação de valorização de produtos e materiais que depois de
usados não mantêm, em geral, intactas as suas funcionalidades, podendo alguma parte ou a
totalidade ser reaproveitada, para entrar de novo na cadeia, como produtos originais ou inputs
Um resíduo comum no setor produtivo das grandes fábricas, químicas, petroquímicas,
farmacêutica, automotivas, metalúrgicas, petrolífera, entre outras, vem do setor elétrico e dos
sistemas elétricos instalados nos quadros de comandos dos equipamentos elétricos é o fusível,
que é um dispositivo de proteção descartado após sua atuação.
2.1 OS FUSÍVEIS ELÉTRICOS COMO DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO
No Brasil, as fábricas e residências pautam principalmente sua matriz energética, na
energia elétrica, portanto, apresentam sistemas de instalação elétrica em sua estrutura física e
consequentemente necessitam de um sistema de proteção elétrica adequado aos sistemas
elétricos. Mamede (1994), afirma que para sistemas com baixa e média tensão elétrica os
dispositivos de proteção utilizados são os fusíveis. Os quais são limitadores de corrente elétrica
e são aplicados na proteção de sobrecorrentes de curto-circuito e sobre carga em instalações
elétricas.
Os fusíveis são montados em quadros de comandos, ou em chaves de partida de
motores, são posicionados sobre uma base própria e presa a um anel fixador e por último é
colocado uma tampa com rosca e visor de vidro. Assim, o fusível fica isolado no quadro e
ainda é possível notar quando ocorre o acionamento do pino de segurança por meio do visor
da tampa. Os pinos de segurança são identificados por um código de cores para facilitar a
troca no momento da manutenção e cada anel de fixação tem dimensão própria ao valor de
isolação do fusível para evitar trocas indevidas.
Na figura 2.1 é apresentada a imagem do fusível de proteção em sistemas elétricos: (a)
fusível montado com a base e (b) fusível tipo “D”, que é bastante utilizado nos quadros de
Figura 2.1 (a)Imagem do Fusível montado com a base; (b) Imagem do Fusível Diazed Fonte: (a) Catálogo WEG (2010); (b) Foto da autora
A figura 2.2 apresenta as partes internas dos fusíveis tipo D que são constituídos por:
corpo cerâmico, contatos metálicos, pino indicador, elo fusível e areia (elemento extintor). A
depender da amperagem a que se destina, são mais robustos ou não, quanto maior a corrente
elétrica do sistema elétrica que se deseja proteger maior será o corpo do fusível.
Figura 2.2 Imagem das partes componentes do fusível Diazed Fonte: Catálogo WEG (2010)
Segundo Medeiros (1994), o corpo do fusível é fabricado em material cerâmico e a
tampa que geralmente é de porcelana, fixa o fusível á base. Embora o fusível seja um elemento
descartável, a base e a tampa não é inutilizada com a queima do fusível. A tampa permite
inspeção visual do indicador do fusível e sua substituição do mesmo sob tensão. O parafuso de
ajuste tem a função de impedir o uso de fusíveis de capacidade superior á desejada para o
circuito, a montagem do parafuso é por meio de uma chave especial. O anel é um elemento de
porcelana com rosca interna, cuja função é proteger a rosca metálica da base aberta, pois evita
a possibilidade de contatos acidentais na troca do fusível. O elo indicador de queima é
constituído de um fio muito fino ligado em paralelo com o elo fusível. Em caso de queima do
elo fusível, o indicador de queima também se funde e provoca o desprendimento da espoleta.
O princípio de funcionamento do fusível é o aquecimento gerado pela dissipação de
calor oriundo do efeito Joule, resultado da passagem da corrente elétrica por um condutor,
gerando calor proporcional ao quadrado da corrente elétrica.
Cotrim (2003) afirma que quando a corrente elétrica atinge o valor máximo
(determinado pelo fabricante) o calor gerado não é dissipado com a velocidade necessária e
então o elo fusível se rompe, interrompendo o circuito elétrico.
Os fusíveis sofrem classificação segundo a faixa de interrupção e categoria de
utilização: podendo ser: fusíveis de aplicação geral (proteção de circuitos contra correntes de
sobre carga e contra correntes de curto circuito), fusíveis para proteção de circuito de motores
(contra correntes de curto circuito) e fusíveis para proteção de motores (contra curto circuito)
com limite inferior da faixa de atuação.
Medeiros (1994) e Cotrim (2003), identificaram que as principais características dos
fusíveis elétricos são: Corrente Nominal - corrente máxima que o fusível suporta
continuamente sem interromper o funcionamento do circuito. Esse valor é marcado no corpo
de porcelana do fusível; Corrente de curto circuito - corrente máxima que deve circular no
circuito e que deve ser interrompida instantaneamente; Capacidade de ruptura - (KA) - valor
de corrente que o fusível é capaz de interromper com segurança. Não depende da tensão
nominal da instalação;Tensão Nominal - tensão para a qual o fusível foi construído. Os fusíveis
normais para baixa tensão são indicados para tensões de serviço de até 500V em CA e 600V
em CC e resistência elétrica (ou resistência ôhmica) - grandeza elétrica que depende do
material e da pressão exercida. A resistência de contato entre a base e o fusível é responsável
por eventuais aquecimentos que podem provocar a queima do fusível.
As características necessárias á aplicação são obtidas por meio do material cerâmico
empregado na fabricação do fusível. Acchar (2010) afirma que os materiais cerâmicos podem
ser divididos em cerâmicas tradicionais, das quais fazem parte: os silicatos, as argilas, as
porcelanas, os vidros, etc.; e em cerâmicas técnicas, as quais são também conhecidas como
Na figura 2.3 é apresentado um diagrama que mostra as regiões de aplicação das
porcelanas em função das composições.
A aplicação de um material para porcelana elétrica passa pela análise da estrutura
cristalina, composição, forma e principalmente pelo conhecimento da microestrutura, o que
permite conhecer algumas das propriedades dos materiais. Segundo Norton (2003), existem
limitações quanto aos materiais empregado na fabricação dos isoladores, a exemplo de
cerâmicas porosas e de baixas resistências, como as aplicadas em telhas, blocos, e filtros que
não podem ser aplicadas como porcelanas elétricas, devido ao alto percentual de porosidade,
baixa resistência mecânica e baixa isolação elétrica, por isso é importante conhecer a
localização das porcelanas em função da aplicação a que se destina.
Figura 2.3 Diagrama ternário com a identificação das regiões de aplicação das porcelanas
Fonte: Adaptado de Norton (1973)
As porcelanas elétricas devem apresentar resistência mecânica elevada, baixa
porosidade, baixa absorção de água e altos valores de resistividade elétrica e de resistência de
isolação elétrica, pois na aplicação diária são submetidos a esforços mecânicos, intempéries e
2.2 RESÍDUOS UTILIZADOS NA INCORPORAÇÃO DE MASSAS CERÂMICAS
A incorporação de vários resíduos em massas cerâmicas é avaliada por pesquisadores,
em diversas aplicações, por exemplo: cerâmica dentária, pisos e revestimentos, porcelanato,
louças, telhas e porcelanas elétricas.
Gouveia (2008) estudou o efeito da incorporação de resíduo cerâmico queimado em
massa cerâmica para fabricação de blocos cerâmicos e concluiu que a incorporação promoveu
uma melhoria nos parâmetros de pré-secagem, diminuindo a retração de queima.
Wei (2010), Gao (2010) e Sui (2010) em seu artigo Synthesis of low temperature, fast,
single-firing body for porcelain stoneware tiles with coal gangue, estudaram a utilização do
resíduo sólido de carvão ganga, nas indústrias da China e os resultados indicaram que a
mistura ideal foi a que continha 34% em peso de carvão ganga sinterizados a 1170 ° C durante
cerca de 1 h e apresentou uma força de ruptura de 43 MPa e absorção de água de 0,22%.
A incorporação de um resíduo oleoso proveniente ao setor de extração de petróleo em
massa de cerâmica vermelha foi avaliada, por Vieira (2006) e Monteiro (2006), em relação às
alterações produzidas nas propriedades físicas e mecânicas da cerâmica. Concluíram que a
incorporação do resíduo possibilitou uma melhoria na performance técnica da cerâmica, com
incremento na densidade aparente a seco e de queima, redução da absorção de água e
incremento da resistência mecânica.
Vieira e outros (2006) produziram porcelana elétrica com o resíduo da serragem de
rocha ornamental e concluíram que o melhor desempenho das características físicas e
mecânicas foi apresentado pela amostra com 60% em peso do resíduo, sendo compatível com
o comportamento esperado de materiais cerâmicos. A microestrutura após sinterização
também foi similar às apresentadas pelas porcelanas tradicionais, constituída de mulita, quartzo
e fase vítrea. Os resultados mostraram que o resíduo proveniente da produção industrial de
rochas ornamentais pode substituir quartzo e feldspato da massa típica de porcelana, além de
reduzir a temperatura de sinterização.
O efeito da adição de TiO2 à porcelana de alumina padrão na sua microestrutura e
resistência à flexão foi investigada por Montoya e outros (2010) e os resultados indicaram
uma maior quantidade de formação de mulita em corpos de porcelana contendo TiO2.
Observou-se uma alta densidade de cristais de mulita secundários presentes nas áreas de grãos
antes de feldspato de espécimes com TiO2. A Avaliação das propriedades mecânicas dos
padrão de porcelana. A melhoria das propriedades mecânicas pode ser associada a um aumento
da densidade de amostra e o conteúdo relativo de tipos II e III mulitas secundárias. Ambas as
observações podem ser atribuído a uma diminuição da viscosidade do feldspato derretido, que
por sua vez favorece a nucleação e crescimento dos cristais de mulita secundárias e, portanto,
aumenta a densidade final do corpo da porcelana.
Abdel (2002) estudou os efeitos de variação da razão de alumina/argila e de adições de
5% em peso de dolomite e/ou Óxido de Bário, nas propriedades físicas, mecânicas e eléctricas
dos corpos de porcelana de alumina e os resultados mostraram que o aumento do teor de
alumina melhora as propriedades mecânicas e a dopagem dos corpos diminuiu a temperatura
de sinterização e atribuiu melhores propriedades eléctricas.
Dana (2003) investigou corpos de porcelana fabricados a partir de misturas de argila
triaxiais, quartzo e feldspato, com diferentes quantidades de Na2O e K2O, para se estudar o seu
comportamento de densificação do tratamento térmico a que os corpos alcançar a vitrificação
completa. Verificou-se que o feldspato Na-rico contendo a composição corporal alcançar a
vitrificação completa à temperatura mais baixa em comparação com a composição que contém
o K-feldspato rico com uma melhor resistência à flexão.
O quartzo foi progressivamente substituído por uma mistura de pirofilite em porcelana
convencional com uma composição de 50% de argila, 25% de quartzo e feldspato 25% em
pesquisa realizada por Mukhopadhyay e outros (2006). A adição resultou num vitrificação
precoce e diminuição da dilatação térmica da peça sinterizada. O aumento progressivo na
resistência à flexão com a incorporação de pirofilite foi principalmente devido à eliminação de
tensões na estrutura, com um conteúdo decrescente de quartzo, bem como com o aumento da
quantidade de mulita secundária distribuído por toda a matriz de formação de uma rede de
bloqueio. Para além da proporção ótima de pirofilite, um grande volume de vidro formado,
bem como grandes poros alongados, distribuídas na matriz, resultando na deterioração das
propriedades mecânicas.
A literatura científica e tecnológica não apresentam registros significativos da utilização
do resíduo oriundos dos corpos de fusíveis elétricos para o desenvolvimento de massa
2.3 ISOLADORES ELÉTRICOS COMERCIAIS
A aplicação para isoladores elétricos de um material cerâmico novo, desenvolvido a
partir do resíduo industrial oriundo de corpos de fusíveis, necessita de uma avaliação não só
das propriedades físicas e mecânicas, mas também das propriedades elétricas, como a
resistência de isolação elétrica.
Segundo a empresa de pesquisa energética (EPE), os isoladores elétricos de porcelana
são utilizados em função das suas boas propriedades mecânicas e elétricas, aliadas ao baixo
custo em relação a outros materiais utilizados para esse fim. A EPE projeta que a carga de
energia crescerá 5,1% ao ano no período de 2010 a 2019, ao passo que o Programa Luz para
todos, prorrogado até 2010, vem gerando uma grande demanda de isoladores para linhas de
distribuição.
De acordo com a norma internacional IEC 60672-3, as porcelanas elétricas são
divididas em três classes principais: C-110, C-120 e C-130. As principais diferenças entre as
classes citadas dizem respeito principalmente à densidade aparente após queima e resistência
mecânica a flexão três pontos. A classe C-110 refere-se a isoladores constituídos basicamente
de quartzo, enquanto as demais classes são constituídas preponderantemente de alumina para
obtenção de propriedades mecânicas melhoradas, devido à minimização de defeitos produzidos
pela transformação alotrópica do quartzo.
Norton (2003) afirma que os isoladores comerciais apresentam como composição
geral, a porcelana triaxial formada com SiO2-Al2O3-RO, onde R é o alcalino. Os principais
elementos da composição dos isoladores são: quartzo, alumina, argilominerais e os fundentes
(sódico e potássico).
Segundo a Abceram (2012), o processo de fabricação dos isoladores elétricos passam
por diversas etapas. Se inicia com a matéria prima dividida em grupos: Plásticos e não
plásticos, passando por moagem, peneiramento homogeneização e extrusão para compor a
primeira etapa com a fabricação da peça central. A etapa seguinte é o torneamento que é
responsável pelos contornos da forma dos isoladores de acordo com a Norma a NBR5032 e
Na figura 2.4 são mostradas fotos com as etapas de fabricação de isoladores de alta
tensão.
Figura 2.4 Imagens com as etapas de fabricação de isoladores de alta tensão ; (a) peça central; (b)Torneamento da peça; (c) peça torneada; (d) Aplicação do vidrado
Fonte: GERMER Indústria de fabricação de isoladores
a
b
Na figura 2.5 é apresentado um diagrama com as etapas de fabricação dos isoladores
comerciais para aplicação em linhas de alta tensão.
Figura 2.5 Diagrama com as etapas de fabricação de isoladores de alta tensão Fonte: Redesenhado de Abceram (2012)
Setor de modelagem
Setor de vidrado
Matérias primas plásticas Matérias primas não plásticas
Argila
Desagregação em água e peneiramento
Caulim Moagem intermediária
Moagem e homogeneização em moinho de bolas
Peneiramento
Separação Magnética
Tanque com agitação mecânica
Filtro prensagem
Extrusão
Estampo
Calibração
Gesso
Modelo
Molde original
Matriz
Secagem parcial
Torneamento
Aplicação do vidrado
Queima
Inspeção e ensaios
Montagem das ferragens
Inspeção e ensaios
Embalagem e expedição Secagem parcial
Torneamento
Matérias primas
Dosagem
Moagem a úmido
Peneiramento
Estocagem de vidrado
Secagem
Quanto a instalação nas linhas dos sistemas elétricos, os isoladores comerciais devem
obedecem critérios regidos por Normas Técnicas, em função da tensão de trabalho.
A tensão de trabalho é dividida em faixas para classificação e a ABNT NBR normatiza
as regras para as linhas elétricas dentro da faixa designada. Assim, a ABNT NBR 5410:2004 e
a Norma Internacional IEC 60364 (Electric Installations of Buildinger) tratam das instalações
elétricas de baixa que compreende a tensão de até 1KV(quiloVolts) em corrente alternada ou
1,5KV em corrente contínua. A média tensão para valores de 1KV até inclusive 36,2 KV a
normatização é feita pela ABNT NBR 14039:2003.
Segundo Saraiva (1998), o isolador elétrico é um dispositivo utilizado para garantir o
isolamento de fios e cabos energizados com seus pontos de sustentação adjacentes. Exige-se,
portanto que o isolador tenha grande capacidade de se opor à passagem da corrente elétrica
em linhas elétricas, além de elevada resistência mecânica.
Mamede (1994) afirma que os isoladores são aplicados em três tipos diferentes de
instalação elétrica: transmissão, distribuição e subestações, porém na área industrial eles são
divididos em dois grandes grupos: Isoladores de apoio e isoladores de suspensão, conforme a
tabela 2.1.
Tabela 2.1 Classificação dos isoladores
Grupos de isoladores Definição
Isoladores de apoio são aqueles em que apoiam os condutores, fixado rigidamente, caso de barramento de subestações e painéis metálicos, ou através de laços pré formados de modo a permitir um pequeno deslocamento durante o ciclo de carga utilizados em redes de distribuição.
Isoladores de suspensão são aqueles que, quando fixados à estrutura, permitem o livre deslocamento em relação a vertical, são os isoladores de disco.
Dentre esses dois grupos de isoladores existem vários tipos de acordo com a aplicação
A figuras 2.6 apresenta alguns dos tipos de isoladores de apoio que são utilizados no
ramo do setor elétrico, (a) isolador bastão ; (b) isolador bucha para transformador ; (c)
isolador tipo castanha; (d) isolador pedestal; (e) isolador de segurança.
Figura 2.6 Imagem dos tipos de isoladores de apoio Fonte: Catálogo da Eletrosud, 2011
A tabela 2.2 apresenta a classificação dos tipos de isoladores de apoio e suas
aplicações, segundo Eletrosud (2011).
Tabela 2.2 Classificação dos isoladores de apoio
Tipo Aplicação
Isolador Bastão são alternativas válidas, em montagem rígida, com garfo (campânula) e olhal redondo (pino), substituindo as cadeias de isoladores de ancoragem de vidro ou porcelana.
Isolador Bucha fabricado em porcelana e é utilizada como proteção e isolante de transformadores de baixa tensão
Isolador tipo Castanha
utilizado em estais(tirantes) de postes de distribuição ou em ancoragem (fim-de-linha) de linha de distribuição.
Isolador Pedestal fabricado em porcela e é utilizado em suporte de barramento e em subestações. Podem ser aplicados em tração, flexão, compressão ou em esforços combinados. A partir de 69 kV são montados em colunas homogêneas ou escalonadas atendendo ao nível de isolamento requerido
Isolador de Segurança tipo Canivete
o isolador de segurança tipo canivete com rosca whitworth, fabricado em porcelana, são utilizados como fusíveis para entrada de energia residencial e industrial
Os vários tipos de isoladores de suspensão utilizados nos sistemas elétricos são
mostrados na figura 2.7, (a) isolador pino multicorpo; (b) isolador roldana; (c) isolador com
cadeia de ancoragem; (d) isolador tipo disco.
Figura 2.7 Imagem dos tipos de isoladores de suspensão Fonte: Catálogo da Eletrosud, 2011
A tabela 2.3 apresenta a classificação dos tipos de isoladores de suspensão e suas
aplicações, segundo Eletrosud (2011).
Tabela 2.3 Classificação dos isoladores de suspensão
Tipo Aplicação
isolador pino multicorpo
fabricado em porcelana utilizado em montagem rígida vertical (ou horizontal), em cruzeta ou diretamente no poste, apresentam entalhe superior ou gola lateral para fixação dos cabos aéreos, sendo normalmente amarrados a estes como laços pré-formados.
isolador roldana fabricado em porcelana são utilizados em montagens horizontais acondicionadas em armações secundárias, fixado por parafuso nos postes para entradas em residências e industrias ou afastamento da rede.
isolador com cadeia de ancoragem
fabricado em porcelana, e utilizado em cadeia de ancoragem ou fim-de-linha, formam conjuntos flexíveis de 2 unidades (15kV), 3 unidades (25kV) e 4 unidades (35kV), articuladas nos engates tipo garfo-olhal-redondo e garfo-olhal-quadrado.
isolador tipo disco fabricado em porcelana, utilizados em cadeias de suspensão e ancoragem com engates tipo concha bola.
O padrão de um isolador de disco obedece a NBR5032, conforme mostra a figura 2.8,
as dimensões e a forma de instalação são determinada pela Norma, o material dielétrico pode
variar com a inclusão de quartzo ou alumina.
Figura 2.8 Diagrama padrão de um isolador de disco comercial, segundo a NBR 5032 Fonte: NBR 5032
Os isoladores podem ser fabricados em diversos materiais a depender da aplicação e do
custo benefício do projeto, a exemplo as porcelanas, as louças, os materiais poliméricos e
vidros. Em uma abordagem geral os materiais condutores mais comuns utilizados nos diversos
ramos do setor elétrico são: os metais, carbono, soluções aquosas de ácidos, bases e sais, gases
rarefeitos, etc e os materiais isolantes mais empregados são: vidro, louça, porcelana, baquelite,
algodão, resinas, óleo e ar seco. Diversas variáveis alteram o comportamento dos materiais,
tais como: temperatura, umidade, ponto de fusão e energia de ligação e por isso é necessário
realizar a escolha em função das propriedades que se deseja encontrar no produto final a ser
comercializado.
Os principais fabricantes de isoladores são: WEG, Siemens, Schneider e Germer, essas
fábricas utilizam como materias primas: quartzo, feldspato, argilomineral: argila ou caulim e
alumina. De acordo com as apresentações institucionais, a Schneider Electric tem 197 unidades
fabris em todo o mundo, a Germer iniciou suas atividade em julho de 1950 e atualmente conta
com 60 unidades de produção no Brasil e no exterior, e centenas de representantes. A Siemens
tem origem alemã e possui um parque fabril distribuído em 144 países. A WEG obteve no ano
de 2012 uma receita operacional líquida de 6,1 bilhões de reais e tem 91 unidades de produção
2.4 PORCELANAS ELÉTRICAS
A composição química das porcelanas elétricas é fundamental para atender a sua
aplicação, ou seja, as propriedades dielétricas e a capacidade de isolação devem ser atendidas,
alinhando-se o projeto e os materiais. As proporções da matéria prima é fator determinante nas
propriedades que serão apresentadas pelo material fabricado. As matérias primas principais
para a confecção de porcelana elétrica são: argilas, feldspato e quartzo.
As principais matérias primas das porcelanas elétricas tem aplicações em várias áreas da
indústria. Segundo o anuário mineral brasileiro (2010), o uso do produto bruto é distribuído da
seguinte forma: argila (33,55% em cerâmica vermelha, 21,68% na construção civil, 17,71% em
pisos e revestimentos, 10,48% outros e 17,58% não informado); feldspato (41,95% pisos e
revestimentos,28,82 cimento,13,21% extração e beneficiamento de materiais, 7,89% cerâmica
branca, 4,49% construção civil, 2,26% refratário e 1,38% não informado) e quartzo (100% em
isolantes elétricos).
A tabela 2.4 apresenta os dados da produção bruta de minério no território nacional,
onde os valores são mostrados em toneladas e seguem o código de mineração, onde são
definidas três classes de reservas minerais: Reserva Medida, Reserva Indicada e Reserva
Inferida, em virtude da densidade e da qualidade de dados obtidos durante os trabalhos de
pesquisa mineral. Quanto maior a densidade e melhor a qualidade dos dados adquiridos, maior
será a confiabilidade dos resultados obtidos.
Tabela 2.4 Quantidade de mineral no território brasileiro
Mineral Medida (t) Indicada(t) Inferida(t) Lavrada(t) Argila 6.224.376.137 2.209.667.312 1.289.824.517 2.672.804.116 Feldspato 1.240.877.046 799.981.836 654.686.975 558.715.010
Quartzo 6.343.147 819.554 226.166 3.312.725
Fonte: Anuário Mineral Brasileiro 2010
A reserva mineral indicada é a parcela economicamente lavrável do Recurso Mineral
Indicado; a Reserva Mineral Medida é a parcela economicamente lavrável do Recurso Mineral
Medido e Recurso Mineral Inferido é a parte do Recurso Mineral para a qual a tonelagem ou
volume, o teor e/ou qualidades e conteúdo mineral são estimados com base em amostragem
A distribuição de capital de investimento na mineração por região, no ano base de
2009, é apresentada na figura 2.9. Observa-se que a região com maior investimento foi a
Sudeste e Norte, destacando respectivamente Minas gerais e Pará com os maiores percentuais.
Figura 2.9 Gráfico da distribuição de investimentos na mineração por regiões, ano base 2009 Fonte: Anuário Mineral Brasileiro 2010
2.5 MATÉRIAS PRIMAS PARA AS PORCELANAS ELÉTRICAS
Segundo Mamede Filho (1994), as argilas representam quantitativamente cerca de 30%
da composição das porcelanas elétricas, sendo os 70% restantes, composto por feldspato e
quartzo numa proporção de 30% e 40% respectivamente, são então chamados de isoladores de
quartzo.
De acordo com Santos (1975), as argilas são constituídas essencialmente por partículas
cristalinas extremamente pequenas de um número restrito de minerais conhecidos como “argilominerais”. Além dos argilominerais as argilas contêm outros materiais e minerais, tais como matéria orgânica, sais solúveis e partículas de quartzo, pirita, mica, calcita, dolomita e
outros minerais residuais, e podem conter também minerais não-cristalinos ou amorfos.
Chinelatto (2004) afirma que o caulim (Al4Si4O10(OH)8) tem a função de dar
plasticidade à massa não queimada, para que possa ser moldada e torneada na forma desejada.
O quartzo (SiO2) atua como agregado e o feldspato (Na, K)AlSi2O3 que pode ser potássico ou
sódico, funde-se durante a queima da porcelana, dissolvendo parte dos outros componentes e
formando o fluxo que solidifica-se durante a fase de resfriamento, conectando os elementos
Segundo Mackenzie (1959) o Comité Internacional Pour l´Étude des Argiles (CIPEA),
recomenda a seguinte subdivisão para os argilominerais cristalinos: a) silicatos cristalinos com
reticulado em camadas ou lamelar e b) silicatos cerâmicos com reticulado de estrutura fibrosa.
Os silicatos de estrutura lamelar podem ser divididos em três grupos ou famílias: a) camadas
1:1 ou difórmicos; b) camadas 2:1 ou trifórmicos e c) camadas 2:2 ou tetrafórmicos. A
nomenclatura 1:1 e 2:2 se prende ao número de camadas de tetraedros SiO4 e de octaedros de
hidróxidos, respectivamente, que entram na constituição da cela unitária do reticulado
cristalino do argilomineral.
Um importante argilomineral a ser tratado é a caulinita que é formada, segundo a
classificação que foi apresentada, pelo empilhamento regular de camadas 1:1 em que cada
camada consiste de uma folha de tetraedros SiO4 e uma folha de octaedros Al2 (OH)6 (folha de
gibicita), ligadas entre si em uma única camada, através do Oxigênio em comum, resultando
em uma estrutura fortemente polar. Segundo Doucha e outros (2009), em argilominerais é
possível ocorrer substituições isomórficas dos átomos centrais das folhas tetraédrica e
octaédrica. Por mais que os substituintes apresentem diferenças entre propriedades como
eletronegatividade e raio atômico, estas substituições não causam alterações significativas na
estrutura cristalina, mas sim na densidade de carga. Na figura 2.10 é mostrada a representação das estruturas das lamelas dos argilominerais, a) tipo 1:1 e b) tipo 2:1
Os feldspatos são os fundentes mais utilizados na indústria cerâmica e são responsáveis
pela formação de fase líquida. Os elementos mais eficientes para promover essa ação, são os
óxidos alcalinos, que compreende o grupo formado por Li2O, Na2O e K2O e os óxidos
alcalinos terrosos CaO e MgO, segundo Riella (2002).
De acordo com Norton (2003), os principais tipos de feldspatos utilizados são:
Ortoclásio ou feldspato de potássio (KAlSi3O8); albita ou feldspato de sódio (NaAlSi3O8);
anortoclásio [(Na,K)AlSi3O8]; anortita (CaAl2Si2O8); espudumênio (LiAlSi2O6); petalita
(LiAlSi4O10), sendo que a albita e o ortoclásio são os mais empregados.
Riella (2002) e Duran (2003), afirmam que a adição do feldspato sódico ao potássico
favorece a formação da fase líquida devido a formação de um eutético de mais baixa
temperatura e isso garante a formação de uma fase vítrea ou vidro, que atua como aglomerante
da fase mulítica.
Segemar (2000) argumenta que o grupo dos feldspatos é constituído de
aluminossilicatos de potássio, sódio e cálcio, e raramente bário. Os feldspatos têm
propriedades físicas muito similares entre si, no entanto, devido à sua composição química, se
agrupam em: feldspato potássico (ortoclásio, microclínio, sanidina, adularia), feldspato de
bário (celsiana) e feldspato calco-sódico.
Dondi (1999) e outros e Sánchez (2001) e outros, ressaltam que a importância de um
material fundente na massa está relacionada com a sua capacidade de diminuir a temperatura
de formação de fase líquida durante o processo de queima. O líquido formado, a depender da
viscosidade, tende a diminuir ou eliminar a porosidade devido ao preenchimento das cavidades
do corpo cerâmico.
O quartzo é um mineral bastante comum na crosta terrestre e contribui para na
composição das rochas ígneas, metamórficas e sedimentares, tem como fórmula química SiO2.
Segundo Luz (2000), uma grande contribuição do quartzo fundido é o emprego em indústrias
que produzem bens com alto valor agregado, a exemplo das cerâmicas especiais e de precisão,
fibra óptica, equipamentos elétricos, sensores, porcelanas elétricas, além da utilização nas
indústrias de vidro, cimento, fertilizante e na construção civil.
O ciclo térmico é de fundamental importância nas transformações do quartzo e segundo
Höland(2002), em temperaturas inferiores a 573ºC, a sílica possui uma estrutura cristalina
denominada quartzo α e acima desta temperatura quartzo . Em temperaturas mais altas ela
Dana (1976), afirma que os polimorfos da sílica se dividem em três categorias
estruturais: o quartzo (com a simetria mais baixa e o retículo mais compacto), a tridimita (com
simetria mais alta e estrutura mais aberta) e a cristobalita (com simetria máxima e o reticulado
mais dilatado).
De acordo com Richerson (1992), as transformações polimórficas da sílica podem ser
de dois tipos: uma envolvendo quebra e rearranjo de ligações químicas, chamadas de
reconstrutivas e outra sem quebras de ligação, envolvendo apenas o deslocamento de planos
atômicos, chamadas de displasivas. A inversão de quartzo- para α, durante o resfriamento, é
um exemplo de transformação displasiva, é uma variação reversível e geralmente acarreta uma
variação de volume, que pode produzir tensões residuais as quais, dependendo da intensidade e
magnitude, podem levar à quebra do material. O quartzo, a tridimita e a cristobalita
apresentam cada qual um polimorfo de alta temperatura, designado convencionalmente pela letra grega (ou com a adjetivação de alta, significando alta temperatura) e outro de baixa temperatura designado pela letra α (quartzo α, ou quartzo de baixa; tridimita ou tridimita de alta etc). O processo de transformação que relaciona as fases de altas e baixas temperaturas e α é denominado polimorfismo de deslocamento e corresponde tão somente à reorientação espacial das ligações químicas e das unidades tetraédricas.
Na figura 2.11 é apresentada a estrutura de alguns polimorfos do SiO2: o quartzo α, e a
cristobalita , segundo Barack (2003) e Nater (2003), onde ocorreu a transformação por deslocamento de planos atômicos.
Figura 2.11 Estruturas de alguns polimorfos do SiO2a) Quartzo α, b) Cristobalita
Fonte: Barack e Nater (2003)
O teor de matérias primas e consequentemente as formulações, devem ser pensadas em
função da contribuição significativa de cada grupo de materiais para as propriedades exigidas
para a porcelana elétrica, quanto aos aspectos elétricos, dielétricos, físicos e mecânicos, que é
fundamental para a obtenção de uma massa cerâmica que tenha boa fundência, boa estabilidade
dimensional e resultem em peças com alta resistência mecânica e alta resistência de isolação
elétrica.
2.5 FORMULAÇÕES PARA PORCELANAS ELÉTRICAS
Rolim (2002) expõe que os componentes das formulações tem influência predominante
no aspecto térmico, mecânico ou dielétrico. Assim, em termos gerais, tem- se: o aspecto
térmico - o componente que influi termicamente é o quartzo; portanto, quanto maior sua
porcentagem, maior é a temperatura suportada por essa porcelana; o aspecto dielétrico - é o
feldspato o componente que define o comportamento isolante, ou seja, os valores de rigidez
dielétrica e o fator de perdas e o aspecto mecânico - a exemplo da grande maioria dos demais
materiais isolantes, os esforços melhor suportados pelos mesmos, são os de compressão,
apresentando perante essas solicitações, valores dez vezes superiores aos de tração. Esses
valores são consequência da porcentagem de argila e caulim presentes na massa cerâmica.
Diante do estudo desses aspectos é proposta a seguinte composição básica para a porcelana
elétrica: Caulim+argila=20% (argilominerais); feldspato=40%; quartzo=40% .
A Norma 60672-3 (International Electrotechnical Connission-IEC 1997) estabelece três
classes de isoladores, a classe C110 a base de quartzo, C120 a base de alumina e C130 com
alto teor de alumina, cada classe é especificada de acordo com a resistência mecânica exigida
na demanda, a classificação é apresentada na tabela 2.5.
Tabela 2.5 Classificação dos isoladores cerâmicos quanto a composição de acordo com a Norma IEC 60672-3
Óxidos Massa (%)
C110 C120 C130 SiO2 60 a 62 50 a 52 35 a 40
Al2O3 33 a 35 44 a 47 57 a 62
K2O+Na2O 3 a 4,5 3 a 5 3 a 4,5
Fonte: IEC, 1997
Desde os anos 70 que já se utilizava como matérias primas para isoladores o quartzo,
quantidades: 28% de quartzo, 20% de feldspato, 32% de caulim e 20% de argila, somando
52% de contribuição dos argilominerais.
Demirkiran (2010) afirma que o corpo referência de porcelana elétrica é feito de uma
mistura de Caulim, feldspato e quartzo, contém agregado de mulita e cristais de quartzo
incorporado numa matriz vítrea.
Segundo Mukhopadhyay (2006), o corpo de porcelanas elétricas, consistem
essencialmente de 50% de argila Caulinítica, 25% quartzo e 25% de feldspato e essas matérias
primas reúnem as propriedades de plasticidade e fundência necessárias para a fabricação de
isoladores elétricos.
Liebermann (2002) indica para formulação, as matérias primas utilizadas na fabricação
da porcelana C110, que são: a argila (45 a 50 %), o feldspato (25 a 30 %) e o quartzo (20 a 25
%). A exemplo da formulação composta por: 45% de argila, 30% de feldspato e 25% de
quartzo, que se tornaram valores de referência em suas pesquisas sobre os isoladores elétricos.
Chinelatto (2000), propõe uma formulação composta por 28% de argilominerais
composto por caolim e argila, 54% de feldspato e 18% de alumina (ou quartzo), para a
fabricação de porcelanas elétricas e afirma que a massa cerâmica após a sinterização apresenta
propriedades desejadas aos isoladores de correntes elétricas.
Ronchi (2011) em sua pesquisa sobre o desenvolvimento de porcelanas triaxias
sinterizadas em atmosfera redutora, utilizou três formulações para os isoladores: a primeira
contendo 50% de argila, 20% de feldspato, 8% de nefelina, 10% de areia quartzosa e 12% de
bauxita; a segunda com 50% de argila, 28% de feldspato, 12% de areia quartzosa e 12% de
alumina;a terceira com53% de argila, 22% de feldspato, 5% de bauxita e 20% de alumina.
As composições de massa cerâmica para fabricação de isoladores elétricos proposta por
Bonetti (2009) foram: na primeira massa, 18% de argila, 32% de caulim, 28% de feldspato e
22% de quartzo; na segunda massa, 18% de argila, 32% de caulim, 8% de nefelina, 20% de
feldspato, 12% de bauxita e 10% de Quartzo e na terceira massa 18% de argila, 32% de
caulim, 8% de nefelina, 20% de feldspato,12% de alumina e 10% de Quartzo.
Chaudhuri (1999), Sarkar (1999) e Chakraborty (1999) no artigo Electrical resistivity
of porcelain in relation to constitution, descrevem como formulação para porcelana elétrica a
massa constituída com: 63% de argila, 12% de quartzo e 25% de feldspato e avaliam a
influência da formulação e temperatura de sinterização na propriedade de condutividade
