Matérias-primas usadas no processamento de materiais cerâmicos 20/3/18

(1)

Matérias-primas usadas no processamento de materiais

cerâmicos

20/3/18

(2)

Matérias-primas Sintéticas

1 – aluminas

2 – magnésia 3 – mulita

4 – mulita-zircônia 5 – óxido de zinco 6 – carbeto de silício

7 – ferritas 8 – sílica ativa 9 - zircônia

PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS I matérias-primas sintéticas

(3)

1. Alumina - Al ₂ O ₃

(4)

1 - Aluminas

A palavra alumina apesar de ser um termo químico específico para definir o óxido de alumínio (Al₂O₃), na prática comercial existe uma grande variedade de tipos de alumina que recebem uma série de adjetivos, tais como:

A base para a produção dessas aluminas é principalmente o processo Bayer

• calcinada,

• baixa soda,

• hidratada,

• gama,

• tabular,

• eletrofundida

• e outras.

(5)

Óxidos e hidróxidos de alumínio

Fonte: Alcoa

(6)

Óxidos e hidróxidos de alumínio

(7)

1 - Aluminas

Vanderlei Ferreira - IPEN

(8)

1 - Aluminas

Vanderlei Ferreira - IPEN

(9)

• Esta alumina é constituída de óxido de alumínio alfa, algumas fases de transição e um pouco de gibbsita; sua aplicação em cerâmica é restrita.

Aluminas

Grande parte da alumina produzida pelo processo Bayer destina-se à produção de alumínio primário.

(10)

Produção da alumina calcinada – Processo Bayer

(11)

Bayer

(12)

110°C 4-8 atm

5 h Al₂O₃.xH₂O + 2 NaOH  2 NaAlO₂ + (x+1) H₂O Lixiviação da bauxita – tanque 10

Hidrólise – tanque 17

Calcinação – forno 17

(13)

3/4/18

(14)

Alumina Calcinada para Cerâmica

 controle do tamanho de partículas

 introdução de modificações no processo Bayer

 tratamento térmico – temperaturas que variam de 1250 a 1500ºC

 redução do teor de Na₂O

(15)

• isoladores elétricos de porcelanas,

• placas para revestimento de moinhos e silos,

• elementos moedores (esferas e cilindros),

• guia-fios para a indústria têxtil,

• camisas e pistões de bombas,

• bicos de pulverização agrícola,

• tubos de proteção de termopar,

• selos mecânicos,

• parte cerâmica da vela de ignição,

• substratos para microeletrônica e outras.

Alumina Calcinada para Cerâmica (1250 a 1500ºC)

São empregadas para fabricação de refratários, fibras cerâmicas e de inúmeros produtos classificados como cerâmica técnica, tais como:

Aplicações:

(16)

Aluminas eletrofundidas marrom e branca

(17)

Aluminas eletrofundidas marrom e branca

Fonte: Elfusa

Forno Higgins

(18)

Fonte: Tese Leonardo Curimbaba

(19)

Alumina Eletrofundida Marrom (óxido de alumínio eletrofundido marrom)

A matéria prima principal é a bauxita calcinada, que em mistura com coque de petróleo ilmenita e cavaco de ferro, sofre um processo de fusão em fornos elétricos especiais, formando após o resfriamento, blocos do produto desejado.

Aplicações: Indústria de abrasivos e de refratários.

Agregados: parte mais grossa dos refratários

cerâmicos Catálogo da

Elfusa de Eletrofusão

(20)

Alumina Eletrofundida Branca (oxido de alumínio eletrofundido branco)

O processo de fabricação assemelha-se ao da fabricação de óxido de alumínio eletrofundido a partir do bauxita, diferindo, somente, quanto as matérias-primas da carga e ao fato de não haver redução quando da eletrofusão.

Neste caso emprega-se como matéria-prima apenas a alumina. Em alguns casos é adicionado à alumina, pequenos teores de óxido de cromo.

Aplicações: Indústria de abrasivos e de refratários e em algumas massas de porcelana em substituição ao quartzo.

Catálogo da Elfusa de Eletrofusão

(21)

Alumina eletrofundida

Fonte: Elfusa

(22)

LINHA DE PRODUÇÃO - SINTERIZADOS

Material Sinterizado

MOAGEM

TRATAMENTO MAGNÉTICO MATÉRIA

PRIMA

BRITAGEM

EMBALAGEM

CLASSIFICAÇÃO MOINHO DE

BOLAS CALCINADOR

MOINHO DE BOLAS

SECADOR

Fonte: Curso de refratários 2015– Prof. Edmilson - ELFUSA

(23)

Alumina Tabular

É obtida pela calcinação da alumina em temperatura próxima a de fusão do óxido de alumínio (2050 ºC).

Aplicações: Indústria de refratários.

(24)

utilizam-se outras aluminas, obtidas por processos químicos não convencionais.

Aluminas especiais para Cerâmica

• no caso de aplicações que exigem aluminas isentas de impurezas,

• granulometria extremamente fina,

• tamanho e forma de grãos rigorosamente controlados,

Exemplos de aplicações: tubos de alumina translúcida para lâmpada de vapor de sódio, peças para implantes, catalisadores, etc.

Precipitação homogênea - Processo sol-gel

(25)

Fonte: Tese Leonardo Curimbaba

Divisão mercadológica dos produtos refratários

(26)

2. Magnésia - MgO

(27)

As principais fontes para obtenção deste material é a magnesita natural (MgCO₃) e a água do mar ou salmoura pela precipitação do hidróxido de magnésio.

Esta matéria-prima para ser empregada na fabricação de cerâmicas e principalmente para refratários, necessita sofrer um tratamento térmico em elevadas temperaturas para minimizar o problema de hidratação do óxido de magnésio e melhorar outras características.

2. Magnésia - MgO

(28)

Magnésia

 Aquecida em temperaturas mais elevadas (calcinada a morte) ela apresenta uma grande retração e sua reatividade à água e ao dióxido de carbono diminuem.

Muita Reativa

 Importante matéria-prima para a indústria de refratários

 Pode estar na forma de sinter ou de grãos eletrofundidos

 magnesita a aproximadamente 700ºC se decompõe com desprendimento de CO₂ , obtendo-se a magnésia cáustica

 Esta magnésia se hidrata e se carbonata facilmente

(29)

 A produção de grãos eletrofundidos é feita em fornos elétricos a arco a partir do sinter.

Magnésia

 A partir de 1.450ºC e mesmo antes, formam-se pequenos cristais submicroscópicos de magnésia cristalina, denominados de periclásio.

 Quanto mais elevada for a temperatura, maiores serão os cristais e, como consequência, maior será a resistência à hidratação. A essa magnésia dá-se o nome de magnésia calcinada a morte.

 O tratamento térmico é feito em temperaturas superiores a 1.700º C, em fornos rotativos ou verticais

(30)

(31)

Magnésia

(32)

Os produtos a base de magnésia, em suas várias formas e composições, têm inúmeras aplicações e em diversos setores, tais como siderurgia, cobre, cal, cimento e vidro.

Magnésia

Aplicações:

 sinter e grãos eletrofundidos de espinélio,

 sinter e grãos eletrofundidos de magnésia

 sinter e grãos eletrofundidos de magnésia-cromita, entre outros.

 na forma de sinter e grãos eletrofundidos - importante matéria-prima para obtenção de outros materiais sintéticos, como:-

(33)

3. Mulita - 3Al ₂ O ₃ .2SiO ₂

3Al

₂

O

_3(s)

+ 2SiO

_2(s)

3Al

₂

O

₃

.2SiO

₂

(34)

Ela existe na natureza apenas como uma raridade mineralógica (ilha de Mull, daí o nome); sendo obtida artificialmente por fusão ou pela reação no estado sólido (sinterização)

3. Mulita Sintética

A mulita é um silicato de alumínio (3Al

₂

O

₃

.2SiO

₂

),

correspondendo a 71,8% de Al

₂

O

₃

e 28,2% de SiO

₂

,

em massa.

(35)

Localização da Ilha de Mull, onde a mulita de composição 3:2 foi primeiramente encontrada – costa Oeste da Escócia – Aksay at al., 1991

(36)

Diagrama de fases do sistema SiO₂-Al₂O₃

As quantidades estão em massa ou em mol? Justifique.

(37)

(38)

(39)

3. Mulita Sintética

• fornos de redução de ferro-ligas

• fornos de fusão de cobre

• fornos de vidro

• regeneradores de indústrias siderúrgicas

• cuba e rampa de altos fornos

• confecção de moldes para microfusão

• vagonetas de fornos cerâmicos

• mobílias de fornos cerâmicos

• tubos (rolos) para fornos a rolo.

Processos de produção

• Sinterização

• Eletrofusão

• Especiais Aplicações:

(40)

Forno de rolos

Forno de rolos - PAMESA Aplicação de tubos de mulita

(41)

Exemplo de aplicação de Mulita

Catálogo da Elfusa

(42)

4. Mulita - Zircônia

(43)

4 - Mulita - Zircônia

É uma matéria-prima obtida artificialmente a partir de uma mistura de alumina (Al₂O₃) e Zirconita (ZrSiO₄).

Reação??

Dois são os processos empregados para a sua obtenção: o de sinterização e o de fusão, sendo este o mais usual.

Aplicações:

Fabricação de produtos refratários para a indústria vidreira e para a indústria siderúrgica (válvula gaveta) e na produção de alguns aços especiais).

(44)

5. Óxido de zinco

(45)

5 - Óxido de Zinco

Existem alguns processos para obtenção do Óxido de Zinco, entre os quais o que é obtido através da volatilização do zinco metálico.

Processos de obtenção: oxidação do zinco ustulação da blenda

especiais (sol-gel)

Aplicações:

• em composições de esmaltes (vidrados)

• pigmentos cerâmicos

• fabricação de varistores, empregados como componentes de pára-raios

(46)

6. Carbeto de silício

(47)

6 - Carbeto de silício - SiC

• carbeto de silício ou carborundum)

• fórmula química SiC

• resistente ao ataque dos ácidos e das bases

 bastante duro e abrasivo

 baixa tenacidade à fratura – 2 a 6 MPa.m^1/2

vários polítipos

-SiC

-SiC

(48)

Carbeto de silício

Aplicações Gerais

• Produção de rebolos e discos de corte

• usado para o polimento de pedras (como ardósia, mármore, granito e outras) e para o polimento de lentes;

• elementos de aquecimento para fornos elétricos

• polimento de vidros para óptica

• refratários

Aplicações Especiais

• Blindagens Balísticas

• Sensores utilizados em altas temperaturas para aeronaves, satélites, naves espaciais

• Sensores utilizados dentro de motores automotivos para maior controle na combustão

• grande dureza (9,0 a 9,5 na escala de Mohs)

• boa condutibilidade, térmica e elétrica

(49)

Componentes fabricados com SiC ou Si₃N₄

(50)

Aplicações do SiC em temperaturas elevadas

(51)

Processo Acheson

SiO_2(s) + 3 C_(s) SiC_(s) + 2 CO_(g)

2000 ºC 36 h

SiO₂ + 2C → Si_(vapor)+ 2CO Si_(vapor)+ C → SiC

Estoque de MP Mistura de MP Forno

Fragmentação primária Britagem

Moagem

Separação Magnética Classificação Embalagem

(52)

CARBETO DE SILÍCIO-SIC-PROCESSO DE PRODUÇÃO

(53)

REAÇÃO E RESFRIAMENTO SEPARAÇÃO DO MATERIAL

MOAGEM

TRATAMENTO MAGNÉTICO MATÉRIA

PRIMA

BRITAGEM

EMBALAGEM

CLASSIFICAÇÃO

PRODUÇÃO

(54)

CARBETO DE SILÍCIO-ESPECIFICAÇÕES

Exterior (%) Interior (%) Centro (%)

SiC 50-95 98-99 99-99,5

C 2-6 0,05-0,1 0,01-0,05

Si 0,2-0,6 0,5-0,7 0,3-0,4

SiO₂ 2-5 0,15-0,4 0,1-0,2

Fe 0,3-0,6 0,09-0,2 0,09-01

Al₂O₃ 0,3-0,6 0,05-0,09 0,04

(55)

Carbeto de Silício – Processo de obtenção

 preparação em escala industrial foi conseguida pela primeira vez por Acheson, em 1981, pelo aquecimento de areia e coque em forno elétrico

 O processo de fabricação do carbeto de silício é essencialmente o mesmo até o presente

• Emprega-se areia silicosa, tanto quanto possível pura (o teor de SiO₂ não deve ser inferior a 97%) e coque de petróleo, em proporção estequiométrica com um ligeiro excesso de carbono

 A mistura é colocada num forno de formato retangular, sendo que a mesma fica disposta ao redor de um eletrodo de grafita e em seguida, levada a uma temperatura superior a 2000 ºC durante aproximadamente 36 horas, cuja reação principal efetua-se da seguinte maneira:

SiO₂ + 2C → Si_(vapor)+ 2CO Si_(vapor)+ C → SiC

(56)

 Ao redor do eletrodo origina-se o carbeto de silício na forma de grandes cristais (2000ºC)

 Camadas de estruturas diferentes, tais como: SiC amorfo e uma crosta constituída por materiais que não reagiram

• O carbeto de silício é constituído de 96 a 99% de SiC, o restante sendo silício, sílica livre, carbono livre, óxido de cálcio, de ferro e de alumínio

Carbeto de silício

• o carbeto de silício formado a temperaturas mais baixas é o -SiC, que cristaliza no sistema cúbico.

• o carbeto de silício formado a temperaturas mais elevadas é o -SiC, que cristaliza nos sistemas hexagonal e rômbico.

(57)

.

Carbeto de Silício

Fonte: Elfusa Catálogo da Elfusa

(58)

7. Ferritas

Exemplo: preparação da ferrita de zinco (Zn,Mn)O.Fe₂O₃

10/4/18

(59)

Para saber mais sobre ferritas ler o artigo abaixo

(60)

Ferritas^–são óxidos de metais bivalentes misturados com óxido de ferro sendo este o componente principal

Classes:

1 – ferritas macias - estrutura do tipo espinélio – MeO.Fe₂O₃ - cúbica como MnZn, NiZn, NiMg e MgMnZn

2 – ferritas macias - estrutura do tipo granada– [A₃B₂(SiO₃)₃] - microondas

3 – ferritas duras - estrutura do tipo magnetoplumbita (hexagonal) – MeO.6Fe₂O₃ – (Ca²⁺ou Sr²⁺) - imãs permanentes

Aplicações:

Indutores, hastes de antena, bobinas de carregamento e bloqueadores, garfos de deflexão, cabeças de gravação, amplificadores magnéticos, transformadores de potência

Alta tecnologia

A obtenção de ferritas policristalinas com boas propriedades magnéticas é considerada complexa e difícil  propriedades não intrínseca – depende da rota de processamento

(61)

Granadas são ortossilicatos de fórmula geral, A₃B₂(SiO₄)₃.

As diversas variedades de granada podem incorporar diversos elementos químicos na sua estrutura, principalmente Ca,Mg, Al, Fe²⁺, Fe³⁺, Cr, Mn e Ti.

(62)

Bruna Larissa Lima Crisóstomo

Ferrita magnética é um tipo de material da classe cerâmico ferrimagnético, que pode ser classificada como ferrita mole e ferrita dura.

Devido à sua alta resistividade elétrica, baixas perdas específicas e propriedades magnéticas interessantes, que dependem de sua composição e microestrutura, as ferritas são empregadas em diversos dispositivos eletroeletrônicos.

Para fins de aplicações eletroeletrônicas, em frequências elevadas, as ferritas magneticamente moles podem ser do tipo NiZn (níquel-zinco) ou MnZn (manganês-zinco).

Já as ferritas magneticamente duras são ímãs permanentes à base de estrôncio ou bário.

jornalpet.ee.ufcg.edu.br/materias/ed41art2

(63)

Em termos de microestrutura, o tamanho médio, a porosidade e o contorno de grão são fatores que interferem diretamente nas propriedades magnéticas extrínsecas das ferritas.

Tais fatores podem ser controlados durante o processamento e permitem que o material seja o mais adequado possível à determinada aplicação.

Na utilização como núcleo de transformadores de alta frequência, por exemplo, o controle de grão é necessário para diminuir as perdas por correntes parasitas. Neste caso, quanto menor for o grão, menores serão as perdas.

(64)

Nas ferritas dos tipos NiZn e MnZn, a alta permeabilidade magnética e a baixa perda magnética possibilitam aplicações diversas, tais como:

indústrias automobilísticas, telecomunicações, fontes chaveadas, núcleos de transformadores e reatores empregados em sistemas de iluminação.

As ferritas magneticamente duras têm aplicações em motores elétricos, instrumentos de medidas de grandezas elétricas e transdutores acústicos, como microfones e alto-falantes.

(65)

Fonte:

(66)

(67)

Exemplo: preparação da ferrita de zinco

Processo convencional - reações entre sólidos

Pós iniciais

Produto da reação Totalmente reagido

tempo

(68)

Preparação da Ferrita de Zn-Mn e processo de secagem por spray dryer

Exemplo

(Zn,Mn)O.Fe₂O₃

(69)

Exercício: preparação da ferrita de zinco e níquel

Qual o tempo de reação necessário para total conversão das MP em ferrita? Como você faria isso?

Calcular as massas de matérias-primas necessárias para obtenção de 1 kg de ferrita de zinco-manganês pelo processo da reação no estado sólido. Considere as matérias- primas puras.

Dados: Fe = 55,8; Mn = 55,0; Zn = 65,00; O = 16,0; C = 12,0

(70)

8. Sílica ativa

(71)

Aplicações:

• concretos refratários convencionais

• concretos refratários de baixo teor de cimento

• concretos refratários de ultra baixo teor de cimento

• concreto de fluência livre

• produção de mulita de elevada pureza cinza da casca de arroz

8 - Sílica Ativa - SiO₂

• processo de fabricação de ferro-silício ou de silício elementar.

Obtenção

(72)

9. Zircônia

(73)

Zircônia

• ZrO₂

Isso decorre em função da combinação das propriedades: térmicas, mecânicas, químicas, elétricas e ópticas e do bom conhecimento das transformações de fases e do desenvolvimento da microestrutura desses materiais

Algumas aplicações:

• Ferramentas de corte e outros

• Dispositivos eletrônico

• Células a combustível

• Catalisadores

• Implantes – ortopédicos e dentários

Dentre os materiais cerâmicos de alto desempenho, os que apresentam o maior potencial de aplicação são aqueles à base de zircônia.

(74)

9. Zircônia

(75)

zircônia

Novo implante dentário de zircônia chega ao Brasil

Novo implante apresenta como diferenciais maior biocompatibilidade que os

materiais usados até hoje e a cor branca, que favorece a estética e imita o natural

(76)

Estrutura cristalina da ZIRCÔNIA

= 5,56 g/cm³ = 6,10 g/cm³ = 5,83 g/cm³

(77)

Diagrama de fases do sistema zircônia-ítria (STEVENS, 1986) Estrutura cristalina da ZIRCÔNIA

(78)

Zircônia – Processo de produção

Fusão alcalina da zirconita

Lixiviação aquosa

Lixiviação ácida Moagem

Filtragem

sulfatação

hidroxilação

calcinação

ZrO₂

Fluxograma do processo de sulfatação para produção da zircônia

(79)

Matérias-primas usadas no processamento de materiais cerâmicos 20/3/18