C E N T R O U N I V E R S I T Á R I O P A D R E A N C H I E T A

C U R S O S U P E R I O R D E T E C N Ó L O G O D E P R O C E S S O S Q U Í M I C O S

P R OC E S S OS I ND U S T R I AI S

I N O R G Â N I C OS

M A T E R I A L D E A P O I O

( N O T A S D E A U L A )

P R O F . F Á B I O C A L H E I R O S C A I R E S

fabioc@anchieta.br

1ºSEMESTRE – 2010

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1. CERÂMICA

Materiais inorgânicos, não metálicos, obtidos geralmente após tratamento térmico em temperaturas

elevadas. São geralmente isolantes elétricos, embora possam existir materiais cerâmicos

semicondutoras, condutores e até mesmo supercondutores (estes dois últimos, em faixas específicas de

temperatura).

São comumente estáveis sob condições ambientais severas. Os materiais cerâmicos são geralmente

duros e frágeis.

Em geral, a estrutura cristalina dos materiais cerâmicos é mais complexa que a dos metais, uma vez

que eles são compostos pelo menos por dois elementos, em que cada tipo de átomo ocupa posições

determinadas no reticulado cristalino.

1.1 Classificação: Os materiais cerâmicos podem ser classificados em função de diversos fatores como

matérias-primas, propriedades e áreas de utilização.

CERÂMICA VERMELHA: Materiais com coloração avermelhada empregados,

principalmente, na construção civil (tijolos, blocos, telhas, elementos vazados, lajes).

CERÂMICA BRANCA: Materiais constituídos por um corpo branco. Normalmente são

recobertos por uma camada vítrea (louça sanitária , louça de mesa, isoladores elétricos).

REVESTIMENTOS: Materiais na forma de placas usados na construção civil para

revestimento de paredes, pisos, bancadas e piscinas de ambientes internos e externos

(azulejo, pastilha, porcelanato, grês, lajota, piso).

REFRATÁRIOS: Produtos que têm como finalidade suportar temperaturas elevadas nas

condições específicas de processo e de operação dos equipamentos industriais. Estas

operações, geralmente, estão associadas a esforços mecânicos, ataques químicos,

variações bruscas de temperatura entre outras solicitações.

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ABRASIVOS: Produtos com elevada dureza superficial (óxido de alumínio eletrofundido e

o carbeto de silício).

CERÂMICA AVANÇADA: Materiais desenvolvidos a partir de matérias-primas sintéticas

de altíssima pureza e por meio de processos rigorosamente controlados para suprir

mercado mais exigentes, para aplicações como naves espaciais, satélites, usinas

nucleares, materiais para implantes em seres humanos, aparelhos de som e de vídeo,

suporte de catalisadores para automóveis, sensores (umidade, gases e outros), entre

outros.

1.2 Matérias-Primas

Naturais: matérias-primas utilizadas como extraídas da natureza ou que foram

submetidas a algum tratamento físico para eliminação de impurezas indesejáveis, sem

alterar a composição química e mineralógica dos componentes principais.

Principais: Argila, Bauxita, Calcita, Cromita, Dolomita, Feldspato, Filitos Cerâmicos,

Grafita, Magnesita, Materiais Fundentes, Quartzo, Talco, Wollastonita, Zirconita.

Sintéticas: matérias-primas que individualmente ou em mistura foram submetidas a um

tratamento térmico, como calcinação, sinterização, fusão e fusão/redução e as produzidas

por processos químicos.

Principais: Alumina, Carbeto de Silício, Cimento Aluminoso, Espinélio, Magnésia, Mulita,

Óxido de Zinco.

1.3 Processo de Produção

Muitos materiais cerâmicos têm elevado ponto de fusão e apresentam dificuldade de conformação

passando pelo estado líquido. A plasticidade necessária para sua moldagem é conseguida antes da

queima, por meio de mistura das matérias primas em pó com um líquido.

Métodos de Conformação

• Prensagem simples: pisos e azulejos

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• Prensagem isostática: vela do carro

• Extrusão: tubos e capilares, tijolos baianos

• Injeção:pequenas peças com formas complexas e rotor de turbinas

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• Colagem de barbotina: sanitários, pias, vasos, artesanato

• Torneamento: xícaras e pratos

Preparação da matéria prima em pó.

• Mistura do pó com um líquido (geralmente água) para formar um material conformável: suspensão

de alta fluidez (“barbotina”) ou massa plástica.

• Conformação da mistura (existem diferentes processos).

• Secagem das peças conformadas.

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• Queima das peças após secagem.

• Acabamento final (quando necessário).

Conformação e Sinterização de Pós As matérias-primas são misturas nas proporções adequadas. Quando a mistura é obtida com

adição de água, a solução resultante é chamada de barbotina.

Neste caso, a conformação da peça cerâmica é obtida através da colagem da barbotina. A

barbotina é vertida em um molde de gesso poroso que absorve a umidade da porção de barbotina

imediatamente em contato com suas paredes. As partículas em suspensão se depositam na superfície

do molde formando uma camada com menor teor de água e maior resistência mecânica. O excesso

de barbotina é retirado do molde.

Após a colagem da barbotina, a peça é seca em estufa para remoção do excesso de água,

resultando em aproximação das partículas.

A peça seca é colocada em fornos, onde ocorre a etapa de sinterização.

No forno as matérias-primas reagem e ocorre a sinterização. Na sinterização ocorre a diminuição

da superfície específica do sistema devido ao aumento do tamanho das partículas, mudança na forma

das partículas e dos poros, redução da porosidade (densificação) e aumento de resistência mecânica

da peça cerâmica

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Microestruturas de Produtos Cerâmicos

Cerâmicas de alta tecnologia • Os processos de fabricação desses materiais podem diferir muito daqueles das cerâmicas tradicionais.

• As matérias primas são muito mais caras, porque tem qualidade muito melhor controlada (controle do

nível de impurezas é crítico).

• As aplicações são baseadas em propriedades mais específicas:

– elétricas

• sensores de temperatura (NTC, PTC)

• ferroelétricos (capacitores, piezoelétricos)

• varistores (resistores não lineares)

• dielétricos (isolantes)

– térmicas

– químicas

• sensores de gases e vapores

– magnéticas

– ópticas

– biológicas

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Funções mecânicas e térmicas • ferramentas de corte

– principais materiais: Al2O3, TiC, TiN

• materiais resistentes em temperaturas elevadas

– principais materiais: SiC, Al2O3, Si3N4

– turbinas, turbo-compressores e trocadores de calor

2. CAL

A cal é o óxido de cálcio, que é obtido a partir do calcário.

2.1 Aplicações: Siderúrgicas: como carga de fabricação de aço nos fornos, como aglomerante, regulador de pH

em tratamento de águas servidas, lubrificante para trefilagem de vergalhões de aço, dessulfurante

das gusas altos em enxofre e refratários básicos de fornos de aço;

Celulose e papel: para regenerar a soda cáustica e para branquear as polpas de papel, junto com

outros reagentes;

Açúcar: na remoção dos compostos fosfáticos, dos compostos orgânicos e no clareamento do

açúcar;

Tintas: como pigmento e incorporante de tintas à base de cal e como pigmento para suspensões

em água, destinadas às “caiações”;

Alumínio: como regeneradora da soda (total de 100 kg/t de alumina); diversas de refratários,

cerâmica, carbonato de cálcio precipitado, graxas, tijolos sílico-cal, petróleo, couro, etanol,

metalurgia do cobre, produtos farmacêuticos e alimentícios e biogás.

Tratamento de água: na correção do pH, no amolecimento, na esterilização, na coagulação do

alume e dos sais metálicos, na remoção da sílica;

Estabilização de solos: como aglomerante e cimentante (na proporção de 5 a 8% em volume da

mistura solo-cal);

Obtenção de argamassas de assentamento e revestimento: como plastificante, retentor de

água e de incorporação de agregados (com ou sem aditivos, em geral nas proporções de 13 a

17% dos volumes);

Misturas asfálticas: como neutralizador de acidez e reforçador de propriedades físicas (em

geral, 1% das misturas);

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Fabricação de blocos construtivos: como agente aglomerante e cimentante (em geral, 5 a 7%

do volume do bloco).

2.2 Obtenção: A cal é obtida através da calcinação do calcário, constituído principalmente por carbonato de cálcio.

A primeira etapa é a extração e moagem do calcário. Na seqüência o carbonato de cálcio é calcinado:

CaCO3 + calor → CaO + CO2

Este reação ocorre com maior eficiência entre 900 e 1000°C, obtendo-se a cal virgem. Com a hidratação

deste produto pode-se obter a chamada cal hidratada:

CaO + H2O → Ca(OH)2

3. GESSO

O gesso pode ser obtido através de reservas minerais de sulfato de cálcio hidratado (CaSO4.2H2O ),

extraídos de reservas de gibsita, sendo estas reservas abundantes em todo o mundo.

O gesso também pode ser obtido a partir do processo de obtenção do ácido fosfórico (apatita):

Ca3(PO4)2 + 3H2SO4 + 6H2O → 2H3PO4 + 3(CaSO4. 2H2O)

3.1 Aplicações:

Existem vários tipos de gesso, cada um preparado para uma determinada função, como por exemplo:

Cerâmica;

Decoração;

Moldes dentários;

Modelagem e fixação de placas para forro e na fundição de molduras.

Devido à sua facilidade em absorver água, mantém a umidade do ar em áreas fechadas, além de

apresentar isolamento térmico e um modesto isolamento acústico.

3.2 Obtenção: O gesso é obtido através da calcinação do sulfato de cálcio hidratado. Em função da temperatura de

calcinação podem ser obtidos produtos distintos.

Temperatura de calcinação entre 120-150°C:

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CaSO4.2H2O → CaSO4.0,5H2O + 1,5H2O Formação do gesso hemiidratado, chamado gesso de Paris.

Temperatura de calcinação entre 180-190°C:

Formação da anidrita (forma anidra), chamado gesso de estuque.

As etapas para obtenção do gesso estão apresentadas no diagrama de blocos a seguir

4. CIMENTO

4.1 Características: O cimento é um material cerâmico que apresenta como sua principal característica a

capacidade de ganhar resistência mecânica quando em contato com a água, através de

uma reação exotérmica de cristalização de produtos hidratados.

Devido sua ampla aplicação na construção civil, é um produto de grande expressão no

mercado, podendo ser uma referência econômica.

4.2 Matérias-primas: Os cimentos são obtidos através da mistura do calcário com argila e posterior mistura

deste produto, chamado clíquer, com gesso. As variações de tipos de cimentos são

referentes, principalmente, a adição de outros materiais a esta mistura.

- Calcário:

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Rocha sedimentar constituída majoritariamente por carbonato de cálcio, contendo teor de

carbonato de magnésio.

O calcário pode ser classificado em relação ao teor de MgO.

Calcítico: 0 -4 % MgO

A pedra quebra com maior facilidade, mas precisa de maior temperatura para a

descarbonetação.

Magnesiano: 4 - 18 % MgO

A pedra é mais dura e quebra de forma irregular, no entanto precisa de menor

temperatura para a descarbonetação. Ideal para a fabricação de cal.

Dolomítico: acima de 18 % MgO

- Argila:

Silicato de alumínio contendo os seguintes componentes: Al2O3, SiO2 e Fe2O3.

É caracterizada em função da relação entre o teor destes óxidos.

- Gesso:

O gesso no cimento tem a função regular o tempo de pega das reações de hidratação.

4.3 Obtenção:

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4.3.1 Extração do calcário e da argila: A extração do Calcário pode ser feita em jazidas subterrâneas ou em jazidas a céu aberto

(forma mais comum no Brasil).

Nesta etapa são utilizados explosivos para desmonte da rocha.

A argila também é extraída em jazidas.

4.3.2 Britagem do calcário: O Calcário é britado para que suas dimensões sejam adequadas ao processo industrial.

Através da britagem boa parte das impurezas presentes no calcário é eliminada.

A argila por ser um material mole não passa pela etapa de britagem.

4.3.3 Armazenamento das matérias-primas As matérias-primas são armazenas separadamente.

Nesta etapa são realizados os testes para avaliação dos materiais.

4.3.4 Dosagem Calcário e argila são pesados e misturados em quantidades definidas objetivando a

obtenção de uma determinada característica de composição.

4.3.5 Moagem Calcário e argila são moídos num moinho de bolas ou de rolos, ocorrendo moagem por

impacto e por atrito.

Esta etapa tem por objetivo se obter uma mistura crua para descarbonatação e

clinquerização.

O tamanho das partículas é reduzido para 0,05mm, em média.

4.3.6 Homogeneização A homogeneização é realizada em grandes silos verticais através de processo

pneumáticos e por gravidade, com o objetivo de misturar efetivamente os elementos

formadores do clínquer.

4.3.7 Clinquerização A mistura é primeiramente pré-aquecida em equipamentos que aproveitam o calor dos

gases gerados no forno.

Na seqüência o material entra num forno rotativo onde ocorrem as reações de

clinquerização.

Este forno é constituído por um cilindro de aço e tijolos refratários. Apresenta

comprimento de 50 a 150 m e diâmetro de 6 m e a temperatura de calcinação é de

1450°C.

4.3.8 Resfriamento Após a clinquerização, o clínquer formado é bruscamente resfriado com ar frio em contra

corrente, chegando à temperatura de, aproximadamente, 80°C.

A finalização da clinquerização ocorre nesta etapa.

4.3.9 Etapas do processo de clinquerização

a) Evaporação da água livre: H2O líquido (100°C) → H2O vapor (100°C) - 539,6 cal/g

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b) Decomposição do carbonato de magnésio:

MgCO3 (sólido) (340°C) → MgO (sólido) + CO2 (gasoso) - 270 cal/g

c) Decomposição do carbonato de Cálcio

CaCO3 (sólido) → CaO (sólido) + CO2 (gás) - 393 cal/g

d) Desidroxilação das argilas

e) Formação do 2CaO.SiO2:

2CaO + SiO2 (1200°C) → 2CaO.SiO2 = silicato dicálcico.

f) Formação do 3CaO.SiO2:

2CaO.SiO2 + CaO (1260 a 1450°C) → 3CaO.SiO2 = silicato tricálcico

g) Primeiro resfriamento: 3CaO.SiO2 → 2CaO.SiO2 + CaO livre

h) Segundo resfriamento: 2CaO + SiO2 (1200°C) → 2CaO.SiO2 = silicato dicálcico.

4.3.10 Armazenamento do clínquer O clínquer resfriado é estocado em silos até a próxima etapa do processo.

4.3.11 Composição O gesso é adicionado ao clínquer e, dependendo do tipo de cimento, outros materiais

como escória de ferro, de alto forno, pozolânia e calcário.

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4.3.12 Moagem final Os materiais adicionados ao clínquer são moídos em conjunto com ele.

4.3.13 Estocagem do cimento / Expedição Após a moagem, o cimento resultante é transportado mecânica ou pneumaticamente para

os silos de estocagem.Após realização de testes de qualidade o material pode ser enviado para a

expedição.O material pode ser encaminhado ao consumidor a granel ou em sacos (papel kraft)

de50kg.

4.3.14 Mercado: Segundo o Sindicato Nacional da Indústria do Cimento (Snic), consumo do cimento

cresceu 17,65 entre janeiro de 2007 e 2008.

A divisão deste crescimento por região está apresentada a seguir:

Rio Grande Sul, Paraná e Santa Catarina: 30,2%

Centro-Oeste: 23%

Sudeste: 16

região Nordeste: 10%.

região Norte: 13%.

No Brasil o mercado é composto por 10 grupos que representam 59 fábricas.

Devido à baixa relação preço/peso, o preço do cimento é bastante onerado pelo frete.

A indústria de cimento no Brasil é moderna e tecnologicamente atualizada.

São exemplos de produtores de cimento o Grupo Votorantim e Camargo Corrêa (Cauê).

5. VIDRO

O Vidro é uma substância inorgânica, homogênea e amorfa, obtida através do resfriamento de uma

massa em fusão. Suas principais qualidades são a transparência e a dureza.

5.1 Histórico: A maior peça de vidro feita pelo homem até o presente é a base de um espelho de telescópio,

instalado no Cerro Pantanal, nos Andes chilenos. O telescópio está em operação desde maio de

1998. Essa peça de vidro tem um diâmetro de 8,2 metros e uma espessura de 17,7 centímetros, e

uma massa de 23 toneladas. Cientistas, pesquisadores e técnicos alemães e franceses estiveram

envolvidos na preparação da peça.

A peça bruta foi preparada pela empresa Schott Glaswerke, da

Alemanha. Em início de 1991 o vidro fundido a 1400oC foi

derramado num molde imenso, previamente aquecido ate uns

800oC, e que se encontrava em movimento rotacional, entre 6 e 7

rotações por minuto. Esta rotação tinha como finalidade produzir

uma suave curvatura na superfície a ser espelhada. A superfície

côncava facilitaria os trabalhos de polimento, realizados na França.

Para evitar que a peça trincasse durante o seu resfriamento, devido

a tensões mecânicas, o vidro foi esfriado de forma controlada de

800oC até a temperatura ambiente ao longo de 3 meses e meio. Fazendo alguns cálculos simples,

vamos encontrar que a taxa de resfriamento foi da ordem de 7oC por dia, ou quase 0,3

oC por hora.

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Um fator muito importante no processo de preparação deste vidro foi a escolha adequada da sua

composição, ou seja, a definição das matérias-primas apropriadas para a fusão do vidro, com base

nas pesquisas realizadas até então. O vidro foi patenteado pela Schott com o nome de Zerodur®

Para se obter um vidro, tal como o conhecemos no nosso dia-a-dia, basta levar até temperaturas da

ordem de 1400oC uma mistura de areia, que é quartzo moído, com uma pequena quantidade de óxido

de sódio. A areia de quartzo é o SiO2 (óxido de silício), e o óxido de sódio é o Na2O. Nesta

temperatura o vidro está na forma líquida, com uma viscosidade semelhante àquela do mel de

abelha. É uma viscosidade que possibilita a homogeneização do vidro por correntes de convecção no

líquido. Depois destes compostos bem misturados, o vidro, ainda na forma líquida, é derramado em

moldes apropriados, ou soprado, ou ainda laminado, dependendo de qual seja o produto final

desejado: um prato do tipo Colorex®, uma garrafa de vidro ou chapas de vidro para janelas. Estes

são vidros de silicatos, pois o principal componente usado na sua fabricação é o óxido de silício, a

areia de quartzo.

Entretanto, um vidro silicato feito apenas com areia e óxido de sódio não tem uma boa durabilidade

química, pois é facilmente corroído pela umidade atmosférica. Para aumentar a durabilidade química

são adicionados às matérias-primas outros óxidos como de cálcio, de alumínio, de magnésio e de

potássio. Vidros especiais são produzidos empregando-se ainda outras matérias-primas, dependendo

da aplicação e da utilização do vidro. Um vidro cristal, por exemplo, tem uma composição química

bastante diferente da composição de um vidro Pyrex®

Entretanto, ambos foram preparados utilizando-se quartzo moído, mas com diferentes

concentrações. Existem muitos vidros que não são preparados com areia de quartzo, ou seja, existem

vidros que não são silicatos, e alguns deles também têm um grande interesse comercial. Podemos

mencionar os vidros de fluoretos, de calcogenetos, de fosfatos, os boratos, os germanatos, etc. Mas

estes vidros não serão comentados presentemente, nem os interessantes vidros metálicos.

Anteriormente mencionou-se sobre o vidro cristal. Este tipo de vidro, devido à presença de oxido de

chumbo, PbO, apresenta um brilho mais intenso que o vidro comum. Um brilho que lembra o de um

diamante lapidado. Mas o vidro cristal nada tem de cristalino em sua estrutura atômica, ou seja, este

vidro não é um cristal. Aqui nos deparamos, portanto, com as diferenças e semelhanças entre um

vidro e um cristal, ambos podendo ter a mesma composição. Todos os minerais encontrados na

natureza apresentam uma estrutura cristalina, ou seja, os átomos que os compõem estão muito bem

ordenados. Nos vidros este ordenamento não existe.

As partículas de um líquido têm um movimento aleatório. Numa “fotografia” deste líquido, as

suas partículas são congeladas, e teremos uma estrutura desordenada mas rígida, como um

sólido, típica de um vidro. A estrutura de um cristal já é bem mais ordenada.

A descoberta do vidro pelo homem está relacionada com uma lenda. Mercadores fenícios precisavam

executar reparos no navio em que viajavam, e aportaram na praia de uma ilha do Mar Mediterrâneo.

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Ao cair da noite acenderam uma fogueira na areia da praia, e para proteger o fogo do vento e apoiar

os potes para cozinhar os alimentos teriam usado blocos de natrão, fonte natural de carbonato de

sódio, Na2CO2, uma das matérias-primas utilizadas na fabricação de vidros. Na manha seguinte, com

a fogueira quase apagada, os mercadores haviam observado pedaços irregulares brilhantes e

levemente opacos sobre a areia, junto à fogueira. Estes seriam os primeiros pedaços de vidro obtidos

acidentalmente pelo homem, e o fato teria ocorrido por volta de 5000 a.C. Em princípio, a lenda

parece ter algum fundamento: o calor do fogo teria favorecido a mistura do natrão com a areia da

praia, rica em SiO2, e em óxido de cálcio das conchas. Os óxidos de cálcio e de sódio teriam se

misturado aos grãos de areia e formando os pedaços de vidro enquanto a fogueira esfriava. Alguns

argumentos reforçam que esta “descoberta” acidental é mesmo uma lenda. Uma delas é que ela foi

registrada pelo historiador e naturalista latino Plínio, o Velho (23-79 a.C.), muito tempo depois dos

mercadores fenícios terem acendido aquela fogueira, e numa época em que peças de decoração de

vidro já eram confecionadas para ornar casas de nobres. É bastante provável que o vidro tenha

realmente sido descoberto acidentalmente, mas é mais provável que esta descoberta esteja

relacionada com a queima de peças cerâmicas, ou com a fusão das primeiras peças metálicas pouco

antes da Idade do Bronze (5000-4000 a.C.). A queima de peças cerâmicas aumenta sua resistência

mecânica e este processo simples é conhecido desde a Idade da Pedra Polida (período Neolítico, de

10000 a 5000 a.C.). As mais antigas peças cerâmicas com revestimento vítreo, ou esmaltadas, datam

de aproximadamente 12.000 a.C., enquanto que as mais antigas peças de vidro confeccionadas pelo

homem datam de 7000 a.C., todas encontradas na Mesopotâmia (atual Iraque).

Mercadores fenícios analisando os pedaços de vidro formados junto à fogueira acesa na areia

da praia. (Fonte: Corning Museum of Glass).

Datas muito precisas são difíceis de estipular em virtude das atuais técnicas de datação serem ainda,

em alguns casos, muito imprecisas. Portanto, algumas datações são estimadas por arqueólogos com

base na idade do sítio arqueológico que exploram e onde encontram as peças e utensílios. Alguns

autores, por exemplo, afirmam que o vidro começou a ser produzido por volta de 3000 a.C., no

Egito (de acordo com livros de História Geral, do Ensino Fundamental e Médio, a civilização

egípcia passa a existir efetivamente a partir de aproximadamente de 3500 a.C.). Nesta época eram

produzidos jarros de vidro, mas estes tinham um formato relativamente irregular, eram opacos e

tinham uma coloração escura. Como eram produzidos estes jarros? Em torno de uma haste de

madeira era fixado areia com argila, o que definiria o formato da parte interna do jarro. Sobre esta

argila, que era rotacionada horizontalmente, ia sendo enrolado o vidro líquido, pastoso. Depois de

resfriada a peça, a haste de madeira e a argila eram cuidadosamente removidas, e o jarro estava

pronto para ser utilizado para decoração ou armazenar líquidos

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Nos séculos seguintes a indústria vidreira não teve um desenvolvimento muito expressivo até por

volta de 30 a.C., quando foi inventada a vara de sopro. Esta é um tubo de ferro oco, com 1,5 a 2,0

metros de comprimento, que permitiu soprar o vidro ainda quente. Esta descoberta teria supostamente

ocorrido na Fenícia (atual Síria e Líbano). Era possível então usar moldes ou outras ferramentas para

moldar as peças confeccionadas. Com isto intensificou-se a fabricação e o comércio de artefatos de

vidro. A técnica de soprar o vidro chegou rapidamente a Roma onde, no ano 100 da era cristã, os

arquitetos romanos começaram a usar vidro relativamente plano para confeccionar janelas que,

apesar de opacas, deixavam passar luz suficiente para iluminar os ambientes das villas de famílias

mais abastadas. Esta vara de sopro ainda é utilizada nos dias atuais, principalmente para fazer peças

decorativas e com formas complicadas.

Vidro sendo soprado. Antigamente (à esquerda, segundo a “Encyclopédie”, M. Diderot, Paris, 1751-1780;

fonte: Corning Museum of Glass), e na atualidade.

Foi na ilha de Murano, nas proximidades de Veneza, na Itália, que houve um acentuado crescimento

do número de indústrias de vidro, em virtude de aquela cidade ter se tornado, a partir do século X,

um importante centro comercial no Mar Mediterrâneo. Os artesãos que eram levados para trabalhar

nas indústrias de vidro de Murano permaneciam confinados na ilha até o fim de suas vidas, de modo

a assegurar que os segredos da indústria vidreira não fossem divulgados a outros países, mantendo

Veneza com o monopólio vidreiro. Os vidros de Murano ficaram famosos, principalmente pelo

elevado grau de transparência dos vidros incolores, e das colorações magníficas de muitas peças

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confeccionadas. Atualmente existem no Brasil umas poucas, mas importantes indústrias de vidro

Murano, e em algumas dela é possível acompanhar os trabalhos dos artesãos. O primeiro espelho feito de vidro teria sido confeccionado na França, por volta de 1685, apesar do

vidro laminado, ou vidro plano, ser até então um monopólio veneziano. Com o aumento das

encomendas para a indústria francesa, Veneza perderia gradualmente este monopólio.

Mais recentemente, com a melhor compreensão de vários processos químicos foi possível produzir

matérias-primas mais puras para a indústria vidreira, e a introdução de processos mecânicos nas

indústrias, ao final do século XIX, aumentou ainda mais a produção de artefatos de vidro. Os seus

preços reduziram acentuadamente e deixaram de ser exclusivamente artigos de luxo. Obviamente,

sempre foram e continuarão sendo confeccionadas peças de vidro por artesãos que são verdadeiras

obras de arte, cujos preços são acessíveis a um número limitado de pessoas aficionadas.

A invenção de fornos contínuos, que só param para manutenção, e do vidro plano flotado deram

novo impulso à industria vidreira. Os vidros planos atuais têm um elevado grau de planicidade como

conseqüência do processo de produção. Este processo consiste em fazer a chapa de vidro laminado,

ainda muito quente, mas com uma viscosidade maior, passar flutuando sobre a superfície de estanho

fundido, num formo intermediário. Depois de resfriado, ao final da linha de produção, as chapas de

vidro são cortadas e acondicionadas para transporte. Este processo, denominado de “flotagem”, foi

patenteado pelos irmãos Pilkington, em 1959, na Inglaterra. O vidro obtido por este processo é

denominado “vidro float”, ou “vidro flotado” O termo “float” vem do inglês, e significa flutuar,

boiar

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5.2 Características: O vidro distingue-se de outros materiais por várias características: não é poroso nem absorvente, é

ótimo isolador, possui baixo índice de dilatação e condutividade térmica, suporta pressões de 5.800 a

10.800 Kg por cm².

Reciclabilidade

Transparência (permeável à luz)

Dureza

Não absorvência

Ótimo isolador dielétrico

Baixa condutividade térmica

Recursos abundantes na natureza

Durabilidade

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5.3 Aplicações:

Vidro para embalagem: Os mercados, por ordem de consumo, são setor de bebidas, principalmente

com cervejas e destilados; indústria de alimentos; produtos não alimentícios (farmacêuticos e

cosméticos).

Vidros domésticos: Aplicados em utensílios como louças de mesa, e objetos de decoração.

Vidros planos: Os chamados vidro planos são fabricados em chapas. Os principais mercados são

construção civil; indústria automobilística e produção de espelhos e os em crescimento são indústria

moveleira e eletrodomésticos da linha branca (fogões, microondas etc).

Vidros Especiais: Vidros com composições e características especiais. São exemplos:

produção de cinescópios para monitores de televisão e computadores; bulbos de

lâmpadas; garrafas térmicas; fibras óticas; blocos oftálmicos; blocos isoladores; tijolos de

vidro.

5.4 Tipos de Vidros:

5.4.1 Soda-Cal Aplicações: Embalagens em geral: garrafas, potes e frascos;

Vidro plano: indústria automobilística, construção civil e eletrodomésticos.

5.4.2 Boro-Silicato Aplicação: Utensílios domésticos resistentes a choque térmico.

Os vidros silicatos ou soda-cal representam 90% de todo o vidro fabricado no mundo. A

composição química deste tipo de vidro é definida por vários fatores, entre os quais se

destacam facilidade de fusão, matérias-primas amplamente disponíveis e propriedades

físicas e químicas adequadas para as mais diversas aplicações.

5.5 Matérias-primas: Areia

Barrilha

Calcário

Dolomita

Feldspato

Sulfato

Aditivos

Caco de Vidro

5.5.1 Vitrificantes (Formadores): Areia - SiO2

Principal componente de todos os vidros silicatos.

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5.5.2 2. Fundentes (Modificadores): Barrilha(Na2CO3) - Na2O

Sulfato de Sódio (Na2SO4) - Na2O

Reduzem a temperatura de fusão do vidro.

5.5.3 3. Estabilizantes (Modificadores): Calcário (CaCO3) - CaO

Dolomita (CaCO3.MgCO3) - CaO, MgO

5.5.4 4. Estabilizantes (Intermediários): Feldspato (6SiO2.Al2O3.K2O) - Al2O3

Alumina Calcinada (Al2O3) - Al2O3

Componentes Secundários

5.5.5 Afinantes/Oxidantes Arsênico

Antimônio

Sulfato de Sódio

5.5.6 Redutores: Carvão Coque

Escória de Alto Forno

5.5.7 Corantes/ Descorantes: óxidos (cobalto, cobre, níquel, ferro, manganês, antimônio,cério, selênio).

5.5.8 Opacificantes: Fluorita, Fluosilicato de Sódio.

5.6 Obtenção:

Os vidros são obtidos por processos distintos em função do tipo de produto. Os processos podem ser

divididos em Fabricação de vidro oco e fabricação de vidro plano.

O processo de fabricação do vidro pode ser dividido nas etapas de mistura, fusão, formação da

massa vítrea, decomposição e reações no estado sólido, refino e acondicionamento. As matérias-

primas são misturadas em proporções adequadas e fundidas em fornos a elevadas temperaturas,

formando uma massa vítrea. Essa massa é formada a partir de reações de decomposição e reações no

estado sólido e formação de fases líquidas.

O refino é realizado para remoção de bolhas formadas durante a etapa de fusão. Na seqüência a

massa é acondicionada, sendo resfriada lentamente até a temperatura de trabalho, entre 900 e 1200

°C.

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5.7 Vidro oco: Após obtenção da massa vítrea e acondicionamento desta, o vidro é conformado de acordo com a

forma desejada.

A massa vítrea, ainda no estado viscoso, vai do canal de alimentação para as máquinas de

conformação, cuja operação pode ser feita por meio de um único ou por uma combinação de

processos.

5.8 Vidro plano: Atualmente os vidros planos, obtidos entre 1,8 e 19 mm, são obtidos pelo processo

“Float”. A massa vítrea, a aproximadamente 1000ºC, é continuamente derramada num

tanque de estanho liquefeito, quimicamente controlado. A massa flutua no estanho,

espalhando-se uniformemente. A espessura é controlada pela velocidade da chapa de

vidro que se solidifica à medida que continua avançando. Após o recozimento

(resfriamento controlado), o processo termina com o vidro apresentando superfícies

polidas e paralelas.

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5.9 Fornecedores: Os principais fornecedores de vidros planos no Brasil são: Saint Gobain e Guardian.

6. ALUMÍNIO

O alumínio é um metal de grande importância mercadológica, obtido através da extração

da bauxita e posterior redução da alumina.

6.1 Características:

Alta Condutividade térmica: é um dos metais que melhor conduzem calor; cerca

de 3 vezes maior que a do aço.

Condutividade elétrica mediana: 62% da condutividade do cobre

Leveza: é um dos metais mais leves; massa específica (2,7 g/cm3) é cerca de 1/3

da do aço e do cobre.

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Elevada Resistência à Corrosão: razoavelmente resistente a ácidos e pouco

resistente a álcalis.

Resistência mecânica mediana: não é das maiores, mas pode ser aumentada

com a adição de elementos de liga.

Boa Reflexão: a superfície polida é refletora.

Boa reciclabilidade: pode ser reciclado inúmeras vezes.

Impermeável e opaco: impede a passagem de luz, umidade, odor e oxigênio

Atóxico: não possui características tóxicas.

Boa maleabilidade: é facilmente conformado.

Versátil: pode assumir diversas formas e ser utilizado em inúmeras aplicações.

6.2 Aplicações: O metal alumínio pode ser comercializado na forma de tarugos, lingotes ou líquido,

possuindo diversas aplicações como, mercado automobilístico, na fundição de rodas,

motores e outras peças, embalagens alimentícias, condutores elétricos, linha branca de

eletrodomésticos, construção civil, entre outras.

O alumínio também pode ser comercializado na forma de pó de alumínio, sendo utilizado em

diversos mercados como, metalurgia, refratários, pigmentos, explosivos e indústrias químicas.

Na obtenção do alumínio são produzidos dois produtos intermediários, o tri-hidróxido de alumínio e

a alumina.

O tri-hidróxido de alumínio (Al2O3.H2O) é utilizado em pequena escala como retardante de chamas

em materiais poliméricos.

A alumina, obtida a partir da remoção das moléculas de água do tri-hidróxido de alumínio, tem

como principal aplicação a obtenção do alumínio, mas pode ser aplicada como matéria-prima em

diversos processos, como na indústria cerâmica, de refratários, abrasivos, fritas e vidros, por

exemplo.

6.3 Fornecedores: Os principais fornecedores de alumínio no Brasil são: ALCOA; NOVELIS; CBA.

6.4 Matéria-prima: O alumínio é obtido a partir da bauxita que é uma rocha cujo principal constituinte é o hidróxido

de alumínio.

É composta, em geral, por 3 minerais: gibsita, bohemita e diáspora. A composição da rocha entre

estes minerais varia de uma jazida, ou região, para outra. A coloração da bauxita também varia em

relação a sua composição mineralógica.

A gibsita, de fórmula química Al2O3.H2O, é o principal constituinte de grande parte das bauxitas,

sendo formada pelo intemperismo de rochas ígneas aluminosas. Esta forma mineral é a que necessita

de menores temperaturas e pressões para ser solubilizada.

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6.5 Obtenção: O alumínio é obtido através da realização de dois processos principais, o processo Bayer responsável

pela extração da bauxita até a obtenção da alumina (Al2O3) e o processo de eletrólise, reduzindo a

alumina a alumínio.

6.5.1 Processo Bayer O processo Bayer é composto pelas seguintes etapas: extração e moagem da bauxita; digestão;

clarificação; precipitação; calcinação; secagem do hidrato; calcinação e resfriamento da alumina.

1) Primeiramente é realizada a extração da bauxita, que então é transportada até as unidades de

beneficiamento, onde é estocada até a moagem;

2) A bauxita é moída com uma solução de soda cáustica, obtendo-se a pasta de bauxita;

A moagem é realizada, a úmido, em duas etapas. A primeira é realizada em moinho de martelos

para a quebra das pedras maiores. Na seqüência é realizada a moagem em moinho de barras,

obtendo-se o material mais fino.

3) Na etapa de digestão, a pasta de bauxita é misturada a um licor cáustico para que a

alumina contida na mesma seja solubilizada;

Al2O3.H2O + 2 NaOH 2 NaAlO2 + 4 H2O

4) Na etapa de clarificação a solução contendo alumina dissolvida é filtrada, removendo impurezas e os

sólidos, que não foram dissolvidos na etapa de digestão, do licor rico em alumina; Primeiramente a

mistura recebe uma solução de amido, que age como auxiliar de filtração. A pasta é bombeada para

os filtros prensa, denominados filtros Kelly, onde ocorre a separação entre sólidos e licor rico em

alumina.

Como parte do licor fica retida nos sólidos, é realizada a lavagem da torta ainda nos filtros. Essa

água, entre 80 e 85°C, passa pelos filtros por um tempo, arrastando o licor retido na lama

minimizando a perda de soda.

5) Na seqüência é realizada um processo de troca térmica para resfriamento do licor que vem da etapa

de filtração e é destinado para a etapa de precipitação e aquecimento do licor que sai da evaporação

com destino à digestão;

O licor chega entre 94 e 96°C e deve ser destinado à precipitação com aproximadamente

82°C.

A energia perdida neste processo é aproveitada para o aquecimento do licor que é destinado à

digestão.

6) Na etapa de precipitação a alumina é extraída da solução filtrada, cristalizando-se na forma de

hidrato (obtenção de alumina hidratada); Na precipitação ocorre a reação inversa à digestão:

2 NaAlO2 + 4 H2O Al2O3.H2O + 2 NaOH Essa reação ocorre com o resfriamento do licor.

7) Em seguida é realizada a evaporação do licor que vem da precipitação, corrigindo seu teor cáustico

através da evaporação de água ou, se necessário, adição de soda cáustica.

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8) O hidrato é calcinado obtendo-se alumina, pela perda das três moléculas de água presentes no cristal.

A calcinação é realizada a, aproximadamente, 1250°C.

O processo de calcinação é dividido em quatro etapas:

a- Lavagem e filtração do hidrato nos filtros Dorrcos: A lavagem é realizada para diminuir o teor de

sódio solúvel para valores da ordem de 0,024%. Essa lavagem é realizada em temperatura elevada,

90 – 95 °C, para aumentar a solubilidade da soda e diminuir a viscosidade da solução.

b- Secagem do hidrato: Nesta etapa é retirada a água adsorvida na superfície do hidrato. É importante a

obtenção de uma secagem homogênea do material.

c- Calcinação: O hidrato é aquecido a, cerca de, 1250°C, perdendo as três moléculas de água. Nesta

etapa obtém-se aluminas com estruturas variadas de formas cristalinas intermediárias.

d- Resfriamento da alumina: Antes de ser transportada a alumina deve ser resfriada.

6.6 Redução

A alumina calcinada passa por um processo de eletrólise, em cubas eletrolíticas. Neste processo

a alumina é dissolvida em uma solução de fluoreto de sódio com a utilização de correntes elétricas

elevadas, separando o alumínio do oxigênio.

O alumínio é extraído das cubas por sifonamento e é armazenado em cadinhos. Estes cadinhos

são transportados até o setor de lingotamento, de onde podem ser transportados na forma líquida

para a fábrica de pó de alumínio ou outros clientes, ou ser armazenado em fornos de retenção.

Nestes fornos são adicionados elementos de liga e em seguida o alumínio é vazado em moldes,

transformando-se em lingotes ou tarugos.

6.7 Obtenção de alumínio em pó O alumínio líquido é atomizado para a obtenção do pó de alumínio.

Na atomização o alumínio líquido é aspirado através de um corpo cerâmico de nitreto de boro,

cuja extremidade inferior fica imersa no metal líquido.

Este corpo cerâmico é montado dentro de um bocal de aço inoxidável que possui uma

câmara, na qual é injetado ar comprimido. O ar comprimido passa através de um distribuidor que

determina o grau de turbulência que será dado ao fluxo de ar, impactando o fluxo do metal aspirado

e desintegrando-o em pequenas partículas irregulares de pó de alumínio.

Na seqüência o pó é transportado até um tanque que alimenta um conjunto de peneiras que por

sua vez separa o material em diversos produtos, em função de granulometria.

Alguns tipos de pó são recobertos com plastificantes para minimizar a geração de nuvens e

facilitar o manuseio.

Bibliografia: Callister, W.D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma introdução, 5ªed., Rio de Janeiro, LTC

Van Vlack, L. Princípios de Ciências dos Materiais, São Paulo, Edgard Blucher, 2004

SHREVE, R. Norris; BRINK, Joseph A. INDÚSTRIAS DE PROCESSOS QUÍMICOS. 4. ed. Rio de Janeiro:

Editora Guanabara Koogan. 1997.