Este capítulo abrange os seguintes setores de produtos:

• vidro
• fibras vítreas sintéticas
• cerâmica
• azulejo de cerâmica
• cerâmica industrial
• tijolo e azulejo
• refratários
• gemas sintéticas
• fibras ópticas.

 

Curiosamente, a maioria desses setores não apenas tem raízes na antiguidade, mas também compartilha vários processos gerais comuns. Por exemplo, todos se baseiam fundamentalmente na utilização de matérias-primas naturais em pó ou particulados finos que são transformados pelo calor nos produtos desejados. Portanto, apesar da variedade de processos e produtos incluídos neste grupo, esses processos comuns permitem uma visão geral comum dos riscos potenciais à saúde associados a essas indústrias. Uma vez que os vários setores manufatureiros são compostos de segmentos pequenos e fragmentados (por exemplo, fabricação de tijolos) e grandes fábricas manufatureiras tecnicamente sofisticadas que empregam milhares de trabalhadores, cada setor é descrito separadamente.

Processos e perigos comuns

Existem riscos comuns de segurança e saúde encontrados na fabricação de produtos nesses setores de negócios. Os perigos e medidas de controle são discutidos em outras seções do enciclopédia. Os perigos específicos do processo são discutidos nas seções individuais deste capítulo.

Processos de matérias-primas em lote

A maioria dos processos industriais de fabricação recebe matérias-primas sólidas secas a granel ou em sacos individuais. Matérias-primas sólidas a granel são descarregadas de vagões ou caminhões rodoviários em silos, tremonhas ou misturadores por gravidade, linhas de transferência pneumática, transportadores helicoidais, transportadores de caçamba ou outra transferência mecânica. Paletes de matérias-primas ensacadas (20 a 50 kg) ou grandes contêineres de sacos de tecido a granel (0.5 a 1.0 toneladas) são descarregados de reboques de caminhões ou vagões ferroviários por empilhadeiras industriais, guindastes ou guindastes. Sacos individuais ou matérias-primas são removidos dos paletes manualmente ou com ajuda de levantamento motorizado. Matérias-primas ensacadas são normalmente carregadas em uma estação de despejo de sacos ou diretamente em funis de armazenamento ou funis de balança.

Os riscos potenciais à segurança e à saúde associados aos processos de descarga, manuseio e transferência de matérias-primas sólidas incluem:

• exposições ao ruído na faixa de 85 a 100 dBA. Vibradores pneumáticos, compressores, atuadores de válvulas, motores de acionamento de mistura, sopradores e coletores de pó são algumas das principais fontes de ruído.

• exposições a partículas em suspensão no ar respiráveis da transferência e mistura de matérias-primas sólidas granulares. As exposições dependem da composição das matérias-primas, mas geralmente podem incluir sílica (SiO₂), argila, alumina, calcário, poeiras alcalinas, óxidos metálicos, metais pesados ​​e partículas incómodas.

• riscos ergonômicos associado ao levantamento ou manuseio manual de sacos de matéria-prima, vibradores ou linhas de transferência e atividades de manutenção do sistema

• Riscos físicos de manobrar vagões ou caminhões, tráfego de caminhões industriais motorizados, trabalho em alturas elevadas, entradas em espaços confinados e contato com fontes de energia elétrica, pneumática ou mecânica - por exemplo, pontos de aperto, peças rotativas, engrenagens de acionamento, eixos, correias e polias.

 

Processos de queima ou fusão

A fabricação de produtos nesses setores de negócios envolve processos de secagem, fusão ou queima em fornos ou fornos. O calor para esses processos é gerado pela combustão de propano, gás natural (metano) ou óleo combustível, fusão por arco elétrico, micro-ondas, secagem dielétrica e/ou aquecimento por resistência com eletricidade. Os riscos potenciais apresentados pelos processos de queima ou fusão incluem:

• exposições a produtos de combustão como monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio (NO_x) e dióxido de enxofre

• fumos e partículas de matérias-primas transportadas pelo ar (por exemplo, sílica, metais, pós alcalinos) ou subprodutos (por exemplo, fluoreto de hidrogênio, cristobalita, vapores de metais pesados)

• fogo ou explosão associados a sistemas de combustível usados ​​para calor de processo ou combustível para empilhadeiras; perigos potenciais de incêndio ou explosão associados a tanques de armazenamento de combustível inflamável, sistemas de tubulação de distribuição e vaporizadores. Os sistemas de combustível de reserva ou reserva usados ​​com pouca frequência para cortes de gás natural podem apresentar problemas semelhantes de incêndio ou explosão.

• exposição à radiação infravermelha de material fundido, o que pode aumentar o risco de catarata por calor ou queimaduras na pele

• energia radiante e estresse térmico. O ambiente de trabalho em torno de fornalhas ou fornos pode ser extremamente quente. Problemas significativos de estresse térmico podem ocorrer quando o trabalho de reparo de emergência ou manutenção de rotina é realizado próximo ou acima dos processos de queima ou fusão. Queimaduras térmicas graves podem resultar do contato direto da pele com superfícies quentes ou materiais fundidos (veja a figura 1).

 

Figura 1. Técnico de controle de qualidade

• perigos da energia elétrica. O contato direto com energia elétrica de alta voltagem usada para aquecimento de resistência para complementar os processos movidos a combustível apresenta um risco de eletrocussão e possíveis problemas de saúde sobre a exposição a campos eletromagnéticos (EMF). Campos magnéticos e elétricos fortes podem interferir potencialmente em marca-passos e outros dispositivos médicos implantados.

• exposições ao ruído acima de 85 a 90 dBA de sopradores de combustão, tremonhas ou misturadores, processos de alimentação e transportadores.

 

manuseio na produção, fabricação, embalagem e armazenamento

Os processos de manuseio de materiais, fabricação e embalagem diferem em grande parte neste setor de negócios, assim como o tamanho, a forma e o peso dos produtos. A alta densidade de materiais neste setor ou configurações volumosas apresentam riscos comuns de manuseio de materiais. O levantamento manual e o manuseio de materiais na produção, fabricação, embalagem e armazenamento nesta indústria são responsáveis ​​por muitas lesões incapacitantes. (Consulte a seção “Perfil de lesões e doenças” abaixo.) Os esforços de redução de lesões estão concentrados na redução do levantamento manual e manuseio de materiais. Por exemplo, designs inovadores de embalagem, robótica para empilhamento e paletização de produtos acabados e veículos de transporte guiados automaticamente para armazenamento estão começando a ser usados ​​em partes selecionadas desse setor de negócios para eliminar o manuseio manual de materiais e lesões associadas. O uso de transportadores, auxiliares de elevação tripulados (por exemplo, guindastes a vácuo) e plataformas de tesoura para manusear e paletizar produtos são práticas comuns de manuseio de materiais atualmente (consulte a figura 2).

Figura 2. Auxiliar de elevação a vácuo sendo usado

O uso da robótica para eliminar o manuseio manual de materiais está desempenhando um papel importante na prevenção de lesões ergonômicas. A robótica reduziu as tensões ergonômicas e lesões graves por laceração que foram historicamente associadas ao manuseio de materiais (por exemplo, vidro plano) na força de trabalho da produção (consulte a figura 3). No entanto, o aumento da utilização da robótica e da automação de processos introduz riscos de máquinas móveis e energia elétrica, que transformam os tipos de riscos e também transferem os riscos para outros trabalhadores (da produção aos trabalhadores da manutenção). Projetos adequados de controles eletrônicos e sequenciamento lógico, proteções de máquinas, práticas de bloqueio total de energia e estabelecimento de procedimentos seguros de operação e manutenção são formas fundamentais de controlar lesões aos trabalhadores de manutenção e produção.

Figura 3. Robótica utilizada no vidro plano

Actividades de reconstrução e reconstrução

Numerosos perigos potenciais de saúde e segurança são encontrados durante grandes reformas periódicas ou reparos a frio em fornalhas ou fornos. Uma ampla gama de riscos associados às atividades de construção pode ser encontrada. Os exemplos incluem: riscos ergonômicos no manuseio de materiais (por exemplo, tijolos refratários); exposições aéreas a sílica, amianto, fibras cerâmicas refratárias ou material particulado contendo metais pesados, durante a demolição, ou subprodutos de corte e soldagem; estresse por calor; trabalho em altura elevada; riscos de escorregar, tropeçar ou cair; riscos em espaços confinados (consulte a figura 4); e contato com fontes de energia perigosas.

Figura 4. Entrada em espaço confinado

Vidro

perfil geral

O vidro foi formado naturalmente a partir de elementos comuns na crosta terrestre muito antes de alguém pensar em experimentar sua composição, moldar sua forma ou dar-lhe a miríade de usos que ele desfruta hoje. A obsidiana, por exemplo, é uma combinação natural de óxidos fundidos por intenso calor vulcânico e vitrificado (transformado em vidro) por resfriamento rápido do ar. Sua cor preta opaca vem das quantidades relativamente altas de óxido de ferro que contém. Sua durabilidade química e dureza se comparam favoravelmente com muitos vidros comerciais.

A tecnologia do vidro evoluiu por 6,000 anos e alguns princípios modernos remontam aos tempos antigos. A origem dos primeiros vidros sintéticos perde-se na antiguidade e nas lendas. Faiança foi feito pelos egípcios, que moldavam estatuetas de areia (SiO₂), o óxido formador de vidro mais popular. Foi revestido com natrão, o resíduo deixado pela inundação do rio Nilo, que era composto principalmente de carbonato de cálcio (CaCO₃), carbonato de sódio (Na₂CO₃), sal (NaCl) e óxido de cobre (CuO). O aquecimento abaixo de 1,000 °C produziu um revestimento vítreo pela difusão dos fluxos, CaO e Na₂O na areia e sua subsequente reação de estado sólido com a areia. O óxido de cobre deu ao artigo uma atraente cor azul.

De acordo com a definição dada por Morey: “O vidro é uma substância inorgânica em uma condição que é contínua e análoga ao estado líquido dessa substância, mas que, como resultado de uma mudança reversível na viscosidade durante o resfriamento, atingiu um grau de viscosidade tão alto que seja, para todos os propósitos práticos, rígido”. A ASTM define o vidro como “um produto inorgânico de fusão que esfriou até uma condição rígida sem cristalizar”. Tanto os materiais orgânicos quanto os inorgânicos podem formar vidros se sua estrutura não for cristalina - isto é, se eles não tiverem ordem de longo alcance.

Um desenvolvimento muito importante na tecnologia do vidro foi o uso de um tubo de sopro (veja a figura 5), ​​que foi usado pela primeira vez aproximadamente 100 anos antes de Cristo. A partir de então, houve um rápido desenvolvimento na técnica de fabricação do vidro.

Figura 5. O tubo de sopro

O primeiro vidro foi colorido devido à presença de várias impurezas, como óxidos de ferro e cromo. O vidro praticamente incolor foi fabricado pela primeira vez há cerca de 1,500 anos.

Naquela época, a fabricação de vidro estava se desenvolvendo em Roma e, de lá, mudou-se para muitos outros países da Europa. Muitas obras de vidro foram construídas em Veneza, e um importante desenvolvimento ocorreu lá. No século 13, muitas das fábricas de vidro foram transferidas de Veneza para uma ilha próxima, Murano. Murano ainda é um centro de produção de vidro artesanal na Itália.

No século 16, o vidro era feito em toda a Europa. Agora, o vidro boêmio da República Tcheca é bem conhecido por sua beleza e fábricas de vidro no Reino Unido e na Irlanda produzem utensílios de mesa de cristal de chumbo de alta qualidade. A Suécia é outro país que abriga a produção artística de cristais de vidro.

Na América do Norte, o primeiro estabelecimento industrial de qualquer tipo foi uma fábrica de vidro. Os colonos ingleses começaram a produzir vidro no início do século XVII em Jamestown, Virgínia.

Hoje o vidro é fabricado na maioria dos países em todo o mundo. Muitos produtos de vidro são feitos em linhas de processamento totalmente automáticas. Embora o vidro seja um dos materiais mais antigos, suas propriedades são únicas e ainda não totalmente compreendidas.

A indústria do vidro hoje é composta por vários segmentos de mercado importantes, que incluem o mercado de vidro plano, o mercado de utilidades domésticas, o mercado de recipientes de vidro, a indústria de vidro óptico e o segmento de mercado de vidro científico. Os mercados de vidro óptico e científico tendem a ser muito organizados e são dominados por um ou dois fornecedores na maioria dos países. Esses mercados também são muito menores em volume do que os mercados baseados no consumidor. Cada um desses mercados se desenvolveu ao longo dos anos por meio de inovações em tecnologia específica de vidro ou avanços na fabricação. A indústria de embalagens, por exemplo, foi impulsionada pelo desenvolvimento de máquinas de fabricação de garrafas de alta velocidade desenvolvidas no início de 1900. A indústria do vidro plano avançou significativamente com o desenvolvimento do processo de vidro float no início dos anos 1960. Ambos os segmentos são negócios multibilionários em todo o mundo hoje.

Os utensílios domésticos de vidro se enquadram em quatro categorias gerais:

1. talheres (incluindo talheres, xícaras e canecas)
2. Drinkware
3. assadeira (ou forno)
4. panelas de cima do fogão.

 

Embora as estimativas mundiais sejam difíceis de obter, o mercado de utilidades domésticas de vidro é, sem dúvida, da ordem de US$ 1 bilhão apenas nos Estados Unidos. Dependendo da categoria específica, uma variedade de outros materiais competem por participação no mercado, incluindo cerâmica, metais e plásticos.

Processos de fabricação

O vidro é um produto inorgânico de fusão que esfriou até uma condição rígida sem cristalizar. O vidro é tipicamente duro e quebradiço e tem uma fratura concoidal. O vidro pode ser fabricado para ser colorido, translúcido ou opaco variando os materiais amorfos ou cristalinos dissolvidos que estão presentes.

Quando o vidro é resfriado a partir do estado fundido quente, ele aumenta gradualmente sua viscosidade sem cristalização em uma ampla faixa de temperatura, até assumir sua forma característica dura e quebradiça. O resfriamento é controlado para evitar a cristalização ou alta tensão.

Embora qualquer composto que tenha essas propriedades físicas seja teoricamente um vidro, a maioria dos vidros comerciais se divide em três tipos principais e possui uma ampla gama de composições químicas.

1. Copos de sílica de cal sodada são os vidros mais importantes em termos de quantidade produzida e variedade de usos, incluindo quase todos os vidros planos, recipientes, vidraria doméstica de baixo custo e lâmpadas elétricas.
2. Óculos de chumbo-potassa-sílica contêm uma proporção variável, mas geralmente alta, de óxido de chumbo. A fabricação de vidros ópticos aproveita o alto índice de refração desse tipo de vidro; vidro doméstico e decorativo soprado à mão faz uso de sua facilidade de corte e polimento; aplicações elétricas e eletrônicas tira proveito de sua alta resistividade elétrica e proteção contra radiação.
3. vidros de borosilicato têm baixa expansão térmica e são resistentes ao choque térmico, o que os torna ideais para forno doméstico e vidraria de laboratório e para fibra de vidro para reforços plásticos.

Um lote de vidro comercial consiste em uma mistura de vários ingredientes. No entanto, a maior fração do lote é composta de 4 a 6 ingredientes, escolhidos entre materiais como areia, calcário, dolomita, carbonato de sódio, bórax, ácido bórico, materiais feldspáticos, chumbo e compostos de bário. O restante do lote consiste em vários ingredientes adicionais, escolhidos de um grupo de cerca de 15 a 20 materiais comumente referidos como ingredientes secundários. Estas últimas adições são adicionadas com o objetivo de fornecer alguma função ou qualidade específica, como a cor, que deve ser realizada durante o processo de preparação do vidro.

A Figura 6 ilustra os princípios básicos da fabricação de vidro. As matérias-primas são pesadas, misturadas e, após a adição dos cacos de vidro (caco de vidro), levadas ao forno para fusão. Pequenos potes de até 2 toneladas de capacidade ainda são usados ​​para a fusão de vidro para cristais soprados à mão e vidros especiais necessários em pequena quantidade. Várias panelas são aquecidas juntas em uma câmara de combustão.

Figura 6. Os processos e materiais envolvidos

Na fabricação mais moderna, a fusão ocorre em grandes fornos regenerativos, recuperativos ou elétricos construídos com material refratário e aquecidos por óleo, gás natural ou eletricidade. O reforço elétrico e a fusão elétrica a frio foram comercializados e tornaram-se amplamente utilizados globalmente no final dos anos 1960 e 1970. A força motriz por trás da fusão elétrica a frio era o controle de emissão, enquanto o reforço elétrico era geralmente usado para melhorar a qualidade do vidro e aumentar o rendimento.

Os fatores econômicos mais significativos relativos ao uso de eletricidade para fusão de fornos de vidro estão relacionados aos custos de combustível fóssil, disponibilidade de vários combustíveis, custos de eletricidade, custos de capital para equipamentos e assim por diante. No entanto, em muitos casos, a principal razão para o uso de fusão ou reforço elétrico é o controle ambiental. Vários locais em todo o mundo já possuem ou devem ter em breve regulamentações ambientais que restringem estritamente a descarga de vários óxidos ou material particulado em geral. Assim, os fabricantes em muitos locais enfrentam a possibilidade de reduzir o rendimento da fusão do vidro, instalar mangas ou precipitadores para lidar com gases residuais de combustão ou modificar o processo de fusão e incluir fusão elétrica ou reforço. As alternativas para tal modificação podem, em alguns casos, ser paralisações da planta.

A parte mais quente do forno (superestrutura) pode estar entre 1,600 e 2,800°C. O resfriamento controlado reduz a temperatura do vidro para 1,000 a 1,200°C no ponto em que o vidro sai do forno. Além disso, todos os tipos de vidro são submetidos a um resfriamento controlado adicional (recozimento) em um forno especial ou lehr. O processamento subsequente dependerá do tipo de processo de fabricação.

O sopro automático é usado em máquinas para a produção de garrafas e lâmpadas, além do tradicional vidro soprado à mão. Formas simples, como em isoladores, tijolos de vidro, blocos de lentes e assim por diante, são prensadas em vez de sopradas. Alguns processos de fabricação usam uma combinação de sopro mecânico e prensagem. O vidro aramado e figurado é laminado. A folha de vidro é retirada do forno por um processo vertical que lhe confere uma superfície com acabamento a fogo. Devido aos efeitos combinados de desenho e gravidade, algumas pequenas distorções são inevitáveis.

O vidro plano passa por rolos refrigerados a água em um lehr de recozimento. É livre de distorção. Danos na superfície podem ser removidos por esmerilhamento e polimento após a fabricação. Este processo foi largamente substituído pelo processo do vidro float, que foi introduzido nos últimos anos (ver figura 7). O processo float possibilitou a fabricação de um vidro que combina as vantagens da chapa e da chapa. O vidro float tem uma superfície com acabamento de fogo e está livre de distorção.

Figura 7. Processo de flutuação contínua

No processo de flutuação, uma fita contínua de vidro sai de um forno de fusão e flutua ao longo da superfície de um banho de estanho fundido. O vidro está em conformidade com a superfície perfeita do estanho derretido. Na sua passagem sobre a lata, a temperatura é reduzida até que o vidro esteja suficientemente duro para ser alimentado nos rolos do lehr de recozimento sem marcar sua superfície inferior. Uma atmosfera inerte no banho evita a oxidação do estanho. O vidro, após o recozimento, não requer tratamento adicional e pode ser processado por corte e embalagem automáticos (ver figura 8).

Figura 8. Fita de vidro float saindo do lehr

A tendência da nova arquitetura residencial e comercial para a inclusão de mais área envidraçada, e a necessidade de reduzir o consumo de energia, colocou uma ênfase crescente na melhoria da eficiência energética das janelas. Filmes finos depositados na superfície do vidro fornecem baixa emissividade ou propriedades de controle solar. A comercialização de tais produtos revestidos de commodities requer uma tecnologia de deposição de grande área e baixo custo. Como resultado, um número crescente de linhas de fabricação de vidro float está equipado com sofisticados processos de revestimento on-line.

Nos processos de deposição química de vapor (CVD) comumente usados, uma mistura gasosa complexa é colocada em contato com o substrato quente, onde reage piroliticamente para formar um revestimento na superfície do vidro. Em geral, o equipamento de revestimento consiste em estruturas termicamente controladas que são suspensas sobre a largura da fita de vidro. Eles podem estar localizados no banho de estanho, no fosso do lehr ou no lehr. A função dos revestidores é fornecer uniformemente os gases precursores ao longo da largura da fita de maneira controlada por temperatura e extrair com segurança os subprodutos dos gases de exaustão da região de deposição. Para várias pilhas de revestimento, vários revestimentos são usados ​​em série ao longo da fita de vidro.

Para o tratamento dos subprodutos dos gases de escape gerados por tais processos em grande escala, são normalmente suficientes as técnicas de depuração húmida com um filtro prensa convencional. Quando os gases efluentes não reagem facilmente ou são umedecidos por soluções aquosas, a incineração é a opção principal.

Alguns vidros ópticos são reforçados quimicamente por processos que envolvem a imersão do vidro por várias horas em banhos de alta temperatura contendo sais fundidos de, normalmente, nitrato de lítio e nitrato de potássio.

Vidro de segurança é de dois tipos principais:

1. Vidro temperado é feito por pré-tensão por aquecimento e resfriamento rápido de peças de vidro plano de forma e tamanho desejados em fornos especiais.
2. Vidro laminado é formado pela união de uma folha de plástico (geralmente polivinil butiral) entre duas folhas finas de vidro plano.

 

Fibras Vítreas Sintéticas

perfil geral

As fibras vítreas sintéticas são produzidas a partir de uma ampla variedade de materiais. São silicatos amorfos fabricados a partir de vidro, rocha, escória ou outros minerais. As fibras produzidas são fibras contínuas e descontínuas. Em geral, as fibras contínuas são fibras de vidro passadas por bicos e usadas para reforçar outros materiais, como plásticos, para produzir materiais compósitos com propriedades únicas. As fibras descontínuas (geralmente conhecidas como lãs) são utilizadas para diversos fins, mais comumente para isolamento térmico e acústico. As fibras vítreas sintéticas, para os propósitos desta discussão, foram divididas em fibras de vidro contínuas, com as lãs de isolamento feitas de fibras de vidro, rocha ou escória, e fibras cerâmicas refratárias, que são geralmente silicatos de alumínio.

A possibilidade de transformar vidro amaciado pelo calor em fibras finas era conhecida pelos fabricantes de vidro na antiguidade e é, na verdade, mais antiga que a técnica de sopro de vidro. Muitos dos primeiros vasos egípcios eram feitos enrolando fibras de vidro grossas em um mandril de argila de formato adequado, depois aquecendo o conjunto até que as fibras de vidro fluíssem umas para as outras e, após o resfriamento, removendo o núcleo de argila. Mesmo após o advento do sopro de vidro no século I dC, a técnica de fibra de vidro ainda era empregada. Os vidreiros venezianos dos séculos 1 e 16 o usavam para decorar objetos de vidro. Neste caso, feixes de fibras brancas opacas foram enrolados na superfície de um recipiente de vidro soprado transparente simples (por exemplo, um cálice) e então fundidos nele por aquecimento.

Apesar da longa história de usos geralmente decorativos ou artísticos de fibras de vidro, o uso generalizado não surgiu novamente até o século XX. A produção comercial inicial de fibras de vidro nos EUA ocorreu na década de 20, enquanto na Europa o uso inicial ocorreu alguns anos antes. Lãs de rocha e escória foram produzidas vários anos antes disso.

A fabricação e uso de fibras vítreas sintéticas é uma indústria global multibilionária, uma vez que esses materiais úteis se tornaram um componente importante da sociedade moderna. Seus usos como isolantes resultaram em uma enorme redução nos requisitos de energia para aquecimento e resfriamento de edifícios, e essa economia de energia resultou em uma redução significativa na poluição global associada à produção de energia. Estima-se que o número de aplicações de filamentos de vidro contínuo como reforço para uma infinidade de produtos, desde artigos esportivos a chips de computador e aplicações aeroespaciais, seja superior a 30,000. O desenvolvimento e a ampla comercialização de fibras cerâmicas refratárias ocorreram na década de 1970, e essas fibras continuam a desempenhar um papel importante na proteção de trabalhadores e equipamentos em uma variedade de processos de fabricação de alta temperatura.

Processos de fabricação

Filamentos de vidro contínuos

Os filamentos de vidro são formados puxando o vidro fundido através de buchas de metais preciosos em filamentos finos de diâmetro quase uniforme. Devido aos requisitos físicos das fibras quando usadas como reforços, seus diâmetros são relativamente grandes em comparação com os das lãs isolantes. Quase todos os filamentos contínuos de vidro têm diâmetros de 5 a 15 μm ou mais. Esses grandes diâmetros, juntamente com a estreita faixa de diâmetros produzidos durante a fabricação, eliminam quaisquer potenciais efeitos respiratórios crônicos, pois as fibras são muito grandes para serem inaladas no trato respiratório inferior.

As fibras de vidro contínuas são feitas pela rápida atenuação de gotas de vidro fundido que exsudam através de bocais sob gravidade e suspensas por eles. O equilíbrio dinâmico entre as forças de tensão superficial e atenuação mecânica resulta na gota de vidro assumindo a forma de um menisco mantido na abertura anular do bocal e afinando para o diâmetro da fibra que está sendo estirada. Para que a trefilação seja bem-sucedida, o vidro deve estar dentro de uma faixa estreita de viscosidades (ou seja, entre 500 e 1,000 poises). Em viscosidades mais baixas, o vidro é muito fluido e cai dos bocais como gotas; neste caso, a tensão superficial domina. Em viscosidades mais altas, a tensão na fibra durante a atenuação é muito alta. A taxa de fluxo de vidro através do bocal também pode se tornar muito baixa para manter um menisco.

A função da bucha é fornecer uma placa contendo várias centenas de bicos a uma temperatura uniforme e condicionar o vidro a essa temperatura uniforme de modo que as fibras estiradas tenham diâmetro uniforme. A Figura 9 mostra um diagrama esquemático das principais características de uma bucha de fundição direta presa a um forehearth do qual retira um suprimento de vidro fundido muito próximo da temperatura na qual o vidro passará pelos bocais; neste caso, portanto, a função básica da bucha é também sua única função.

Figura 9. Esquema da bucha de fusão direta

No caso de uma bucha operando a partir de mármores, uma segunda função é necessária - ou seja, primeiro derreter os mármores antes de condicionar o vidro à temperatura correta de extração de fibras. Uma bucha de mármore típica é mostrada na figura 10. A linha tracejada dentro da bucha é uma placa perfurada que retém as bolinhas de gude não derretidas.

Figura 10. Esquema de uma bucha de mármore

O projeto de buchas é em grande parte empírico. Por questões de resistência ao ataque do vidro fundido e estabilidade nas temperaturas necessárias para trefilação das fibras, as buchas são feitas de ligas de platina; são usados ​​10% de ródio-platina e 20% de ródio-platina, sendo este último mais resistente à distorção em temperaturas elevadas.

Antes que as fibras individuais que estão sendo extraídas de uma bucha sejam reunidas e consolidadas em um fio ou em uma multiplicidade de fios, elas são revestidas com um tamanho de fibra. Esses tamanhos de fibra são basicamente de dois tipos:

1. tamanhos de óleo de amido geralmente aplicados a fibras destinadas à tecelagem em tecidos finos ou operações semelhantes
2. agente de codificação mais tamanhos formadores de filme aplicados a fibras destinadas ao reforço direto de plásticos e borracha.

 

Depois que a fibra é formada, uma camada protetora de colagem orgânica é aplicada em um aplicador e os filamentos contínuos são reunidos em um fio multifilamento (ver figura 11) antes de serem enrolados em um tubo de enrolamento. Os aplicadores funcionam permitindo que o leque de fibras, quando com cerca de 25 a 45 mm de largura e a caminho da sapata de coleta abaixo do aplicador, passe sobre uma superfície móvel coberta com um filme do tamanho da fibra.

Figura 11. Filamentos de vidro têxtil

Existem basicamente dois tipos de aplicações:

1. aplicadores de rolos, feitos de borracha, cerâmica ou grafite, nos quais a fibra corre sobre a superfície do rolo revestida com uma película do tamanho da fibra
2. aplicadores de correia, em que em uma extremidade a correia passa sobre um rolo acionador que mergulha a correia no tamanho da fibra e na outra extremidade passa sobre uma barra fixa de aço cromado duro em cuja posição as fibras tocam a correia para pegar o tamanho.

 

O revestimento protetor e o processo de coleta de fibras podem variar dependendo dos tipos de tecido ou fibra de reforço sendo produzidos. O objetivo básico é revestir as fibras com cola, juntá-las em um cordão e posicioná-las em um tubo removível na pinça com a mínima tensão necessária.

A Figura 12 mostra o processo de fabricação de vidro contínuo.

Figura 12. Fabricação de vidro de filamento contínuo

Fabricação de lã isolante

Em contraste com os filamentos contínuos, as fibras das lãs isolantes e das fibras cerâmicas refratárias são feitas em processos de alta energia nos quais o material fundido é jogado em discos giratórios ou em uma série de rodas giratórias. Esses métodos resultam na produção de fibras com uma faixa de diâmetros muito mais ampla do que a vista com filamentos contínuos. Assim, todas as lãs de isolamento e fibras cerâmicas contêm uma fração das fibras com diâmetros inferiores a 3.0 μm; estes podem se tornar respiráveis ​​se fraturados em comprimentos relativamente curtos (menos de 200 a 250 μm). Dados extensos estão disponíveis sobre exposições a fibras vítreas sintéticas respiráveis ​​no local de trabalho.

Vários processos são usados ​​para fabricar lã de vidro, incluindo o processo de sopro de vapor e o processo de sopro de chama; mas o mais popular é o processo de conformação rotativa desenvolvido em meados da década de 1950. Os processos rotativos substituíram em grande parte os processos de sopro direto para a produção comercial de produtos de isolamento de fibra de vidro. Todos esses processos rotativos empregam um tambor oco, ou spinner, montado com seu eixo vertical. A parede vertical do spinner é perfurada com vários milhares de furos uniformemente distribuídos ao redor da circunferência. O vidro fundido é deixado cair a uma taxa controlada no centro do spinner, de onde algum distribuidor adequado o força para o interior da parede perfurada vertical. A partir dessa posição, a força centrífuga impulsiona o vidro radialmente para fora na forma de filamentos de vidro discretos saindo de cada perfuração. A atenuação adicional desses filamentos primários é conseguida por um fluido de sopro adequado emergindo de um bico ou bicos dispostos ao redor e concêntricos com o spinner. O resultado líquido é a produção de fibras com um diâmetro médio de fibra de 6 a 7 mm. O fluido de sopro atua no sentido descendente e assim, além de proporcionar a atenuação final, também desvia as fibras em direção a uma superfície coletora situada abaixo do fiandeiro. No caminho para esta superfície coletora, as fibras são pulverizadas com um aglutinante adequado antes de serem distribuídas uniformemente pela superfície coletora (ver figura 13).

Figura 13. O processo rotativo para fabricação de lã de vidro

Em um processo rotativo, as fibras de lã de vidro são feitas permitindo que o vidro fundido passe por uma série de pequenas aberturas que estão situadas em uma fieira giratória e, em seguida, atenuando o filamento primário por sopro de ar ou vapor.

Lã mineral, no entanto, não pode ser produzido no processo de fiação rotativa e, historicamente, tem sido produzido em processo com uma série de mandris de fiação horizontais. O processo de lã mineral consiste em um conjunto de rotores (mandris) montados em cascata e girando muito rapidamente (ver figura 14). Um fluxo de pedra fundida é continuamente transferido para um dos rotores superiores e deste rotor distribuído no segundo e assim por diante. O fundido é espalhado uniformemente na superfície externa de todos os rotores. Dos rotores, as gotas são lançadas pela força centrífuga. As gotículas são fixadas à superfície do rotor por pescoços alongados que, sob maior alongamento e resfriamento simultâneo, se desenvolvem em fibras. O alongamento é, obviamente, seguido por uma diminuição do diâmetro que, por sua vez, causa um resfriamento acelerado. Assim, existe um limite inferior para o diâmetro entre as fibras produzidas neste processo. Uma distribuição normal dos diâmetros das fibras em torno do valor médio não é, portanto, esperada.

Figura 14. Processo de lã mineral (rocha e escória)

Fibras cerâmicas refratárias

As fibras cerâmicas são produzidas principalmente por sopro e fiação com métodos semelhantes aos descritos para as lãs isolantes. No processo de sopro de vapor, matérias-primas como alumina e sílica são fundidas em um forno elétrico, e o material fundido é retirado e soprado com vapor pressurizado ou outro gás quente. As fibras produzidas são então coletadas em uma tela.

Semelhante ao processo de fiação para fibras de rocha e escória, aqueles para fibras cerâmicas produzem uma alta proporção de fibras longas e sedosas. Neste método, um fluxo de material fundido é jogado em discos girando rapidamente e lançado tangencialmente para formar fibras.

indústria de cerâmica

perfil geral

A fabricação de cerâmica é um dos mais antigos ofícios humanos. Ao longo dos séculos, diferentes estilos e técnicas se desenvolveram em diferentes partes do mundo. No século 18, uma indústria florescente em muitas partes da Europa foi fortemente influenciada pela importação de louças finas e altamente decoradas do Extremo Oriente. O Japão havia aprendido a arte cerâmica da China cerca de 400 anos antes. Com a Revolução Industrial e a mudança geral das condições na Europa Ocidental, a produção cresceu rapidamente. Atualmente, quase todos os países fabricam algum tipo de louça para uso doméstico, e a cerâmica é uma importante exportação de alguns países. A produção está agora em escala industrial em muitas partes do mundo. Embora os princípios básicos de fabricação não tenham mudado, houve um progresso considerável na maneira como a fabricação é realizada. Isto é particularmente verdade na conformação ou conformação da louça, na sua cozedura e nas técnicas de decoração utilizadas. O uso crescente de microprocessadores e robôs resulta na introdução de altos níveis de automação nas áreas de produção. No entanto, ainda existem em todos os lugares muitas olarias artesanais de pequena escala.

Métodos de formação

O método mais antigo de fazer cerâmica envolvia o método manual de construção. Bobinas de argila são enroladas, uma em cima da outra, e unidas pressionando com as mãos. A argila é primeiro transformada em um estado macio, trabalhando-a com água. O objeto é então modelado e moldado à mão, uma vez coladas as bobinas.

A roda do oleiro tornou-se uma ferramenta para criar cerâmica. Com este método de conformação, uma pilha de barro é colocada em um prato circular giratório e modelada pelas mãos molhadas do oleiro. A água evita que as mãos do oleiro grudem no barro e mantém o barro úmido e maleável. Alças, bicos e outras protuberâncias da argila giratória são colocados logo antes de o objeto ser queimado.

Formação do elenco é freqüentemente usado hoje quando se deseja cerâmica de alta qualidade e quando as paredes do vaso devem ser muito finas. Uma mistura de argila e água, chamada de deslizamento, é despejada em um molde de gesso. O reboco absorve a água, fazendo com que uma fina camada de argila seja depositada em todo o interior do molde. Quando o depósito de argila é espesso o suficiente para formar as paredes do vaso, o restante da pasta é derramado, deixando a peça úmida no interior da forma. À medida que seca, encolhe um pouco e pode ser removido do molde. Normalmente, os moldes são construídos de modo que possam ser desmontados.

Quando a peça fica bem seca, ela é alisada e preparada para o processo de queima. Ele é colocado em uma caixa de argila refratária chamada flacidez, que protege a peça das chamas e gases emitidos durante o processo, assim como um forno protegeria um pão que está sendo assado. Os saggers são colocados um em cima do outro em um forno. O forno é uma grande estrutura construída em tijolo refratário e cercada por chaminés para que as chamas do fogo possam envolver totalmente os pratos, mas nunca entrar em contato com eles. A fumaça descoloraria as peças se não fossem protegidas dessa maneira.

A maioria das peças é disparada pelo menos duas vezes. A primeira passagem pelo forno é chamada de lambuja queima, e a peça de cerâmica é chamada de bolacha or pedaço de biscoito. Após a queima, o biscoito é esmaltado. Um esmalte é um revestimento vítreo e brilhante que torna a cerâmica mais atraente e útil. Os esmaltes contêm sílica, um fluxo para diminuir a temperatura de fusão (chumbo, bário e assim por diante) e óxidos metálicos como corantes. Quando o vidrado é aplicado na cerâmica e está completamente seco, é novamente colocado no forno e é queimado a uma temperatura tão alta que o vidrado derrete e cobre toda a superfície da cerâmica.

tipos de cerâmica

• Grés é uma cerâmica feita de argila clara ou escura. É esmaltado no corpo não queimado antes de ser colocado no forno ou por meio de sal durante o processo de queima e é queimado até uma condição densa e dura.

• Porcelana é uma louça branca e vitrificada. É translúcido. Na porcelana, o corpo e o esmalte são completados e amadurecidos em uma única e mesma queima, que ocorre a uma temperatura muito alta.

• China é uma louça semelhante à porcelana. O corpo e o esmalte são completados e amadurecidos na mesma queima, em temperaturas extremamente altas.

• Bone china é uma variedade de porcelana em que o osso queimado é utilizado como ingrediente, constituindo cerca de 40% da massa.

• Faiança tem um corpo branco ou quase branco. É produzido por duas queimas, como a porcelana, mas seu corpo permanece poroso. O esmalte é semelhante ao da porcelana, mas é feito de um material mais barato.

• Faiança é uma faiança finamente vidrada usada para fins ornamentais e decorativos. Normalmente não há nenhuma tentativa de produzir um corpo branco, e os esmaltes são frequentemente coloridos.

 

Processos de fabricação

As propriedades físicas da cerâmica variam de acordo com a composição do corpo e as condições de cozimento. O corpo para qualquer uso particular é selecionado principalmente por suas propriedades físicas, mas os corpos brancos são mais comumente escolhidos para utensílios de mesa.

Os produtos industriais (por exemplo, refratários, isolantes elétricos, transportadores de catalisadores e assim por diante) possuem uma ampla gama de propriedades de acordo com sua eventual utilização.

Matéria prima. Os ingredientes básicos em um corpo de cerâmica são mostrados na tabela 1, que também indica proporções típicas em tipos de corpo de amostra.

Tabela 1. Constituintes corporais típicos (%)

 

Às vezes, o nefelina-sienito é usado como fluxo e a alumina pode substituir parte ou todo o enchimento de quartzo em alguns corpos do tipo porcelana. A cristobalita (areia calcinada) é utilizada como carga em algumas massas cerâmicas, principalmente na indústria de revestimentos cerâmicos.

A composição corporal é determinada em parte pelas propriedades exigidas do produto final e em parte pelo método de produção. Uma base de plástico é essencial para artigos moldados enquanto úmidos, mas não para processos de formação não plásticos, como prensagem de pó. A base de plástico não é essencial, embora a argila ainda seja o ingrediente principal na maioria dos produtos cerâmicos, incluindo os preparados por prensagem de pó.

Cerâmicas industriais não são mostradas na tabela 1, pois sua composição varia de argila plástica ou argila refratária, sem adição de fluxo ou carga, a quase toda alumina, com uma quantidade mínima de argila e sem adição de fluxo.

Durante a queima, o fundente derrete em um vidro para unir os ingredientes. À medida que a quantidade de fluxo aumenta, a temperatura de vitrificação é reduzida. As cargas influenciam a resistência mecânica da cerâmica antes e durante a queima; na fabricação de utensílios de mesa, o quartzo (como areia ou pederneira calcinada) é tradicionalmente usado, exceto que a cinza de osso é usada na fabricação de porcelana de ossos. A utilização de alumina ou outras cargas não siliciosas, que já são empregadas na fabricação de cerâmicas industriais, está sendo estendida à confecção de outras louças, inclusive domésticas.

Tratamento. Os processos básicos na produção de cerâmica incluem:

• preparação dos ingredientes do corpo

• formando e modelando

• queima de biscoito

• aplicação de esmalte

• disparo glost

• decoração.

 

Os processos preparatórios de calcinação, trituração e moagem de pederneira ou pedra podem ser feitos em um estabelecimento separado, mas é comum que todos os processos subsequentes sejam realizados na mesma fábrica. Na casa de deslizamento, os ingredientes do corpo são misturados em água; a argila plástica é então produzida por filtragem e tamponamento; a pasta de fundição é então preparada por maceração até obter uma consistência cremosa. O pó para prensagem é preparado por secagem e moagem.

As classificações tradicionais dos processos de conformação são mostradas na tabela 2. Na fundição, uma suspensão aquosa do corpo é despejada em um molde absorvente e a fundição é removida após a secagem parcial. A modelagem de argila plástica por arremesso agora é rara na produção industrial; o espalhamento mecânico sobre ou em um molde de gesso (jiggering e jolly) com separação do molde após a secagem é quase universal na fabricação de utensílios de mesa. A prensagem de argila plástica ou extrusão é principalmente restrita à cerâmica industrial. Os artigos prensados ​​em pó são produzidos compactando o pó do corpo pré-seco manualmente ou por prensagem mecânica.

Tabela 2. Processos de fabricação

 

Após a modelagem, a louça pode ser seca e acabada por rebarbação, reboque ou esponja. Em seguida, está pronto para a queima de biscoito.

Após a queima do biscoito, o esmalte é aplicado por imersão ou pulverização; a imersão pode ser manual ou mecanizada. A louça vitrificada é então queimada novamente. Por vezes, como acontece com a loiça sanitária, aplica-se vidrado ao artigo de argila seca e há apenas uma cozedura.

A decoração pode ser aplicada sob ou sobre o vidrado e pode ser pintada à mão, impressão à máquina ou transferência; a decoração sobre vidrado envolve uma terceira queima; e às vezes são necessárias queimas separadas para cores diferentes.

Na fase final, a mercadoria é classificada e embalada para embarque. A Figura 15 identifica os vários percursos percorridos pelos vários tipos de olaria e cerâmica durante o seu fabrico.

Figura 15. Fluxograma por tipo de cerâmica

telha cerâmica

perfil geral

cerâmico é um termo que já foi pensado para se referir apenas à arte ou técnica de produzir artigos de cerâmica. A etimologia do termo mostra que ele deriva do grego Keramos, que significa “um oleiro” ou “uma cerâmica”. No entanto, a palavra grega está relacionada a uma raiz sânscrita mais antiga, que significa “queimar”; conforme usado pelos próprios gregos, seu significado primário era simplesmente “coisa queimada” ou “terra queimada”. O conceito fundamental contido no termo era o de produto obtido pela ação do fogo sobre materiais terrosos.

Uma cerâmica tradicional, no contexto deste artigo, refere-se aos produtos comumente utilizados como materiais de construção ou dentro de casa e indústria. Embora haja uma tendência de igualar a cerâmica tradicional com baixa tecnologia, tecnologias avançadas de fabricação são frequentemente usadas nesta indústria. A forte concorrência entre os produtores fez com que a tecnologia se tornasse mais eficiente e econômica, utilizando ferramentas e maquinários complexos, juntamente com o controle de processo assistido por computador.

Os produtos cerâmicos mais antigos originaram-se de materiais argilosos. Os primeiros oleiros descobriram que a natureza plástica da argila era útil para formar formas. Devido à sua tendência de apresentar uma grande quantidade de encolhimento, corpos de argila foram modificados pela adição de areia grossa e pedra, o que reduziu o encolhimento e rachaduras. Em corpos modernos à base de argila, as adições típicas não argilosas são farinha de sílica e minerais alcalinos que são adicionados como fundentes. Nas formulações cerâmicas tradicionais, a argila atua como plastificante e aglutinante para outros constituintes.

Desenvolvimento da indústria

A produção de telhas de barro seco e cozido tem origens muito antigas que remontam às populações do Oriente Médio. A indústria de cerâmica branca desenvolveu-se significativamente na Europa e, no início do século XX, a produção de pisos e revestimentos alcançou escala industrial. Um maior desenvolvimento neste campo ocorreu após a Segunda Guerra Mundial. A Europa (especialmente Itália e Espanha), a América Latina e o Extremo Oriente são hoje as áreas mais importantes da produção de ladrilhos industriais.

O setor de pisos e revestimentos da indústria de louças brancas teve um grande desenvolvimento desde meados da década de 1980 com a introdução de novas tecnologias, automação e integração do fluxo de produção ao processo de fabricação. Posteriormente, a produtividade e a eficiência aumentaram, enquanto o consumo de energia e os custos foram reduzidos. A fabricação de ladrilhos agora é contínua na produção de ladrilhos úmidos e secos, e muitas fábricas hoje têm quase 100% de automação. As principais inovações na indústria de ladrilhos durante a última década incluem moagem úmida, secagem por pulverização, prensagem a seco de alta pressão, secagem por rolo e tecnologias de queima rápida.

O valor do abastecimento do mercado de revestimentos cerâmicos dos EUA (expedições das fábricas dos EUA mais importações) aumentou cerca de 9.2% ao ano entre 1992 e 1994. As vendas em dólares foram estimadas em US$ 1.3 bilhão em 1994. Ao mesmo tempo, o volume de vendas aumentou 11.9 % composto anualmente para 1.3 bilhão de pés quadrados. Isso se compara a uma taxa de crescimento do mercado de 7.6% com base nas vendas em dólares e 6.9% com base no volume de vendas entre 1982 e 1992.

Classificações de ladrilhos cerâmicos

Redware e whiteware

Muitos tipos de telha cerâmica estão disponíveis no mercado. Eles diferem de acordo com a condição da superfície, cor do corpo (branco ou vermelho), tecnologia de fabricação, matérias-primas e uso final. A diferença entre as telhas “vermelhas” e “brancas” está na quantidade de minerais de ferro contidos no corpo. Ao reagir com os outros componentes do corpo, eles podem dar mais ou menos coloração e modificar o comportamento do corpo durante a queima.

Uma classificação completa e exaustiva é muito difícil devido à extrema heterogeneidade dos produtos cerâmicos, seu processamento e características subsequentes. Neste capítulo, os padrões europeus (EN) e ASTM são considerados.

As normas EN classificam exclusivamente os revestimentos cerâmicos em função da absorção de água (que se correlaciona diretamente com a porosidade) e do método de conformação (extrusão ou prensagem). Os métodos de modelagem são classificados como:

• processo de modelagem A (ladrilhos extrudados). Este processo inclui ladrilhos divididos e ladrilhos extrudados individualmente.

• processo de modelagem B (pisos e revestimentos prensados ​​a seco).

 

A Norma Europeia EN 87, aprovada em novembro de 1981, especifica que “Pavimentos e revestimentos cerâmicos são materiais de construção geralmente concebidos para utilização como revestimento de pavimentos e paredes, tanto interiores como exteriores, independentemente da forma e das dimensões”.

A especificação do American National Standards Institute (ANSI) para telha cerâmica (ANSI A 137.1) contém as seguintes definições:

• Mosaico de cerâmica é formado pelo método de prensagem a pó ou plástico, geralmente com 6.4 a 9.5 mm (1/4 a 1/8 pol.) de espessura e tem uma área facial inferior a 39 cm² (6 in² ). Os mosaicos cerâmicos podem ser de composição de porcelana ou argila natural, podendo ser lisos ou com uma mistura abrasiva em toda a sua extensão.

• Azulejo decorativo é um ladrilho vitrificado com um corpo fino que geralmente não é vítreo e adequado para uso em paredes residenciais decorativas internas, onde a resistência à ruptura não é um requisito.

• Pavimentadora é porcelana vidrada ou não vidrada ou ladrilho de argila natural formado pelo método de prensagem a pó com 39 cm² (6 in² ) ou mais área facial.

• Azulejo de porcelana é um mosaico cerâmico ou ladrilho de pavimentação que geralmente é feito pelo método de prensagem em pó com a composição de ladrilho resultante que é densa, impermeável, de grão fino e lisa, com uma face bem formada.

• Ladrilho de pedreira é uma telha esmaltada ou não esmaltada, obtida pelo processo de extrusão a partir de argila natural ou xisto, geralmente com 39 cm² (6 in²) ou mais área facial.

• azulejo é um azulejo com corpo adequado para uso interior e geralmente não vítreo, não necessitando de suportar impactos excessivos ou de estar sujeito a condições de gelo e degelo.

• Graus individuais de cerâmica branca incluem ladrilhos não esmaltados (mosaico de cerâmica, ladrilho de pedreira, ladrilho de pavimentação) e ladrilhos vitrificados (azulejo de parede esmaltado, mosaico de cerâmica esmaltada, ladrilho de pedreira esmaltado, ladrilho de pavimentação esmaltada) (ANSI 1988).

 

As telhas são fabricadas por processos cerâmicos padrão. Os pisos e revestimentos cerâmicos são preparados a partir de uma mistura de argilas plásticas, areia, fundentes, corantes e outras matérias-primas minerais, e passam por processos como moagem, peneiramento, mistura e umedecimento. São moldados por prensagem, extrusão, fundição ou outro processo, normalmente à temperatura ambiente, sendo subsequentemente secos e finalmente queimados a alta temperatura. Os ladrilhos podem ser vidrados, não vidrados ou engobeados. Os esmaltes são revestimentos impermeáveis ​​semelhantes ao vidro e os engobes são revestimentos foscos à base de argila que também podem ser porosos. Os ladrilhos esmaltados de parede e piso são produzidos por queima de um ou dois estágios.

Corpos cerâmicos tradicionais são formados em formas usando muitas técnicas diferentes. O processo de conformação específico é ditado por vários fatores, incluindo características do material, tamanho e formato da peça, especificações da peça, rendimento da produção e práticas aceitas na região geográfica.

Corpos à base de argila são misturas heterogêneas de uma ou mais argilas e um ou mais pós não argilosos. Antes de atingirem a forma final, esses pós passam por uma sequência de operações unitárias, queima e pós-fogo (ver figura 17).

Para a maioria dos corpos tradicionais, as técnicas de conformação podem ser classificadas como conformação de plástico macio, conformação de plástico rígido, prensagem e fundição.

A pressão aplicada é empregada para reorganizar e redistribuir as matérias-primas em uma configuração melhor embalada. O comportamento reológico dos corpos à base de argila resulta da interação do mineral argiloso com a água, que confere plasticidade ao lote. Em corpos não argilosos, esse mesmo tipo de comportamento pode ser obtido pela adição de plastificantes.

Cerâmica Industrial

perfil geral

Cerâmicas diferem de outros materiais de engenharia (metais, plásticos, produtos de madeira, têxteis) em várias propriedades individuais. Talvez a diferença mais marcante para um designer ou potencial usuário de cerâmica seja a forma e o tamanho únicos de cada peça de cerâmica. Cerâmicas não são prontamente moldadas ou trabalhadas após a queima, exceto por moagem muito cara; conseqüentemente, eles normalmente devem ser usados ​​como estão. Com exceção de algumas formas simples de ladrilhos, hastes e tubos de tamanhos limitados, a cerâmica não pode ser comercializada a pé ou a metro, nem cortada para caber na obra.

Todas as propriedades úteis, incluindo forma e tamanho, devem ser fornecidas com antecedência, começando nos estágios iniciais do processamento da cerâmica. A integridade estrutural de cada peça deve ser preservada através de uma variedade de exposições térmicas e mecânicas durante o processamento e até que a peça seja finalmente instalada e em serviço. Se uma cerâmica falhar em serviço como resultado de uma variedade de causas (fratura frágil por impacto, choque térmico, quebra dielétrica, abrasão ou corrosão por escória derretida), provavelmente não será reparável e geralmente deve ser substituída.

Avanços significativos foram feitos na compreensão fundamental e no controle tecnológico das propriedades da cerâmica e de sua utilização em muitas aplicações novas, exigentes e altamente técnicas. A indústria em geral, e suas porções de cerâmica técnica e eletrônica em particular, desenvolveram técnicas de produção e controle para produção em massa de formas complexas em corpos com propriedades elétricas, magnéticas e/ou mecânicas cuidadosamente controladas, mantendo tolerâncias dimensionais que são boas o suficiente para permitem uma montagem relativamente fácil com outros componentes.

Muitas cerâmicas são produzidas em grande volume como itens padrão. Tijolos e formas refratárias, cadinhos, muflas, tubos de forno, isoladores, tubos de proteção de termopares, capacitores dielétricos, selos herméticos e placas de fibra são rotineiramente estocados por diversos produtores de cerâmica em uma variedade de composições e tamanhos. Geralmente é mais rápido e barato usar itens de estoque sempre que possível. Quando os itens de estoque não atendem à necessidade, a maioria dos fabricantes está preparada para produzir itens personalizados. Quanto mais rigorosos os requisitos para uma determinada propriedade da cerâmica, ou quanto mais restritivos os requisitos para combinações específicas de propriedades, tamanhos e formas, mais limitados são os parâmetros de composição, microestrutural e configuracional aceitos para a cerâmica. Daí o custo e a dificuldade de fabricação serem maiores. A maioria dos fabricantes de cerâmica tem engenheiros e designers experientes que são bem qualificados para trabalhar com clientes potenciais em detalhes de design de cerâmica.

Mercados

O principal mercado para cerâmicas de última geração tem sido e continuará sendo a eletrônica, mas vigorosos programas mundiais de pesquisa e desenvolvimento estão continuamente buscando novas aplicações e identificando maneiras de melhorar as propriedades da cerâmica de modo que novos mercados possam ser acessados.

As cerâmicas avançadas são produzidas no Japão, nos Estados Unidos e na Europa Ocidental. As matérias-primas utilizadas na indústria são comercializadas internacionalmente, principalmente na forma de pó, mas também há uma quantidade significativa de processamento interno.

As principais aplicações da cerâmica industrial são:

• óxidos. Os principais materiais de óxido em uso atualmente são a alumina em velas de ignição, substratos e aplicações de desgaste; zircônia (ZrO₂) em sensores de oxigênio, como componente em piezoelétricos de chumbo-zircônio-titanato (PZT), aplicações de desgaste e revestimentos de barreira térmica; titanatos em capacitores de titanato de bário e piezoelétricos PZT; e ferritas em ímãs permanentes, cabeças de gravação magnética, dispositivos de memória, sensores de temperatura e peças de motores elétricos.

• Carbonetos e nitretos. Carbonetos (principalmente carboneto de silício e carboneto de boro) são usados ​​em aplicações de desgaste, enquanto nitretos (principalmente nitreto de silício e Sialon) são usados ​​em aplicações de desgaste e ferramentas de corte. O nitreto de alumínio, com sua alta condutividade térmica, é o principal material concorrente para parte do mercado de substratos eletrônicos atualmente dominado pela alumina.

• Cerâmica de óxido misto. Os esforços de pesquisa e desenvolvimento de cerâmica estão focados em uma série de novas aplicações para cerâmica, todas com enorme potencial. Três aplicações significativas são: (1) supercondutores cerâmicos, (2) cerâmica para células de combustível de óxido sólido e (3) componentes cerâmicos para motores térmicos.

 

Os supercondutores cerâmicos são baseados em vários sistemas de óxidos mistos que incluem ítrio, bário, cobre, estrôncio e cobre (YBa₂Cu₃O_7-8, Bi₂Sr₂CaCu₂O₈, Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀) estabilizado com óxido de chumbo. As cerâmicas de célula de combustível de óxido sólido são baseadas em condutores iônicos nos quais a zircônia estabilizada de alta pureza é atualmente o material de escolha. Os componentes cerâmicos do motor térmico sob investigação são compostos de carboneto de silício, Sialons e zircônia, seja como cerâmica monofásica, compósitos cerâmica-cerâmica ou compósitos de matriz metálica (MMCs).

Processos de fabricação

Desenvolvimento de tecnologia de fabricação

Inovações de processamento. A atividade de pesquisa e desenvolvimento está gerando novas tecnologias para a produção de materiais cerâmicos. Estima-se que as cerâmicas derivadas de precursores tenham um valor de mercado de US$ 2 milhões em 1989, a maior parte dos quais em CVD (86% do valor total de mercado). Outros segmentos desse mercado crescente incluem infiltração química de vapor (CVI), sol-gel e pirólise de polímeros. Os produtos que estão sendo produzidos com sucesso por esses meios incluem fibras cerâmicas contínuas, compósitos, membranas e pós de alta pureza/alta atividade.

Os processos usados ​​para converter essas matérias-primas em produtos acabados incluem processamento de pó adicional (por exemplo, moagem e secagem por pulverização) antes da formação de formas verdes que são então queimadas sob condições controladas. Os processos de conformação incluem prensagem, prensagem isostática, fundição de deslizamento, fundição de fita, extrusão, moldagem por injeção, prensagem a quente, prensagem isostática a quente (HIP), CVD e assim por diante.

Aditivos químicos para auxiliar o processamento de cerâmica. Cada etapa do processo de fabricação requer um controle cuidadoso para que as propriedades do produto final sejam obtidas com a máxima eficiência de produção e os produtos químicos de efeito chave sejam usados ​​para otimizar o tratamento do pó e a conformação verde. Os produtos químicos de efeito incluem auxiliares de moagem, floculantes e aglutinantes, lubrificantes para efetuar a liberação do produto durante a prensagem e minimizar o desgaste das peças da matriz e plastificantes para auxiliar na extrusão e moldagem por injeção. Uma lista desses produtos químicos é mostrada na tabela 3. Embora esses materiais desempenhem um importante papel econômico na produção, eles são queimados durante a queima e não desempenham nenhum papel na química do produto final. O processo de queima deve ser cuidadosamente controlado para evitar carbono residual nos produtos acabados, e a pesquisa e o desenvolvimento do processo estão continuamente investigando maneiras de minimizar os níveis de produtos químicos de efeito usados.

Tabela 3. Aditivos químicos selecionados usados ​​para otimizar o tratamento do pó e a conformação verde da cerâmica

 

Além de gerar produtos cerâmicos e tecnologias de fabricação de cerâmica para novas aplicações, a influência da indústria de cerâmica avançada na indústria de cerâmica tradicional não deve ser negligenciada. Espera-se que muitos materiais e processos de alta tecnologia encontrem aplicação na indústria cerâmica tradicional, uma vez que esta se esforça para reduzir os custos de fabricação, melhorar a qualidade e oferecer melhor valor no serviço ao usuário final.

Matéria prima

Existem alguns materiais-chave que são usados ​​diretamente pela indústria cerâmica ou que representam o ponto de partida para a produção de materiais de valor agregado:

• sílica

• argila

• alumina

• magnésia

• Titania

• óxido de ferro

• zircônia/zircônia.

 

Esta discussão se concentrará nas propriedades da sílica, alumina e zircônia/zircônia.

Silica, além de seu uso em refratários e louças brancas, é também o ponto de partida na fabricação de silício elementar, carboneto de silício e tetracloreto de silício. O silício, por sua vez, é o ponto de partida para o nitreto de silício, e o tetracloreto de silício é o precursor de uma ampla gama de compostos orgânicos de silício que podem ser pirolisados ​​sob condições controladas em carboneto de silício e nitreto de silício de alta qualidade.

O nitreto de silício e seus derivados de Sialon, bem como o carboneto de silício, apesar de sua tendência à oxidação, têm o potencial de atender a muitos dos objetivos de propriedade estabelecidos pelo mercado de motores térmicos. Uma característica da sílica e dos materiais cerâmicos derivados da sílica é que todos os elementos estão prontamente disponíveis na crosta terrestre. Nesse aspecto, esses materiais oferecem o potencial de facilidade de fornecimento em todas as partes do mundo. Na prática, no entanto, há uma entrada de energia significativa necessária para produzir silício e carboneto de silício. Consequentemente, a fabricação desses materiais é, em geral, limitada a países com energia elétrica barata e prontamente disponível.

Alumina é encontrado em toda a crosta terrestre como um componente de minerais de aluminossilicato. A economia determina que a alumina seja extraída da bauxita usando o processo Bayer. A bauxita é difundida no cinturão equatorial em diferentes estados de pureza, e é dividida em duas classificações: minério de grau refratário e minério metalúrgico.

A bauxita de grau refratário é fornecida pela China e Guiana como uma calcina de alta temperatura do mineral natural: diásporo (Al₂O₃H ·₂O) na China e gibbsita (Al₂O₃· 3H₂O) na Guiana. Durante a calcinação, uma complexa montagem de fase de corindo (Al₂O₃), mulita, vidro de sílica e níveis menores de titanato de alumínio são formados. O consumo de bauxita de grau refratário excede 700,000 toneladas por ano em todo o mundo.

A bauxita de grau metalúrgico é extraída na Austrália, Jamaica e África Ocidental, e tem níveis variáveis ​​de alumina em conjunto com impurezas importantes, como óxido de ferro e sílica. A alumina dos minérios metalúrgicos é extraída do minério quando dissolvida pelo hidróxido de sódio, formando uma solução de aluminato de sódio que é separada do óxido de ferro e da sílica, que são rejeitados como produto residual na forma de lama vermelha. Essencialmente, o hidróxido de alumínio puro é precipitado do aluminato de sódio e depois calcinado em vários graus de alumina.

As aluminas de alta pureza usadas na indústria cerâmica e derivadas do processo Bayer são classificadas como alumina tabular, alumina fundida ou alumina calcinada especial.

A alumina tabular é produzida por calcinação de alta temperatura (~2,000°C ou 3,630°F) de alumina calcinada de baixa temperatura em grandes fornos rotativos a óleo. A alumina fundida é produzida pela fusão elétrica da alumina calcinada. A alumina tabular e fundida é vendida para a indústria de refratários na forma triturada e graduada para uso em uma ampla gama de produtos de alta qualidade, como em refratários de lingotamento contínuo (por exemplo, single-edge-notched ou SEN/slide gates), refratários monolíticos para aplicação em altos-fornos e na indústria petroquímica.

Pós especiais de alumina calcinada são as principais matérias-primas usadas na indústria de cerâmica avançada para aplicações eletrônicas e de engenharia. Os pós são produzidos em uma ampla gama de graus de acordo com especificações exatas de química, tamanho de partícula e tipo de cristal, para atender a uma ampla gama de aplicações de produtos finais.

Existe um comércio internacional estabelecido de aluminas de alta qualidade. Muitos dos fabricantes de cerâmica têm instalações internas de moagem e secagem por pulverização. Existe claramente uma limitação ao crescimento da oferta de sistemas spray-dryed e uma necessidade continuada de fornecer aluminas que correspondam às fábricas dos clientes de forma a optimizar a utilização destas a um preço aceitável. A alumina é um material cerâmico significativo que está disponível em um alto grau de pureza. A posição dominante da alumina como matéria-prima cerâmica surge porque ela possui propriedades desejáveis ​​a um custo relativamente baixo. Esta relação custo-benefício é atribuível à natureza de commodity do negócio decorrente da grande demanda por alumina pela indústria do alumínio.

Zircônia e zircônia. A fonte primária de zircônia é o mineral zircão (ZrO₂  SiO₂), que existe nas areias das praias principalmente na Austrália, África do Sul e Estados Unidos. O zircônio extraído das areias da praia contém cerca de 2% de óxido de háfnio e traços de Al₂O₃ (0.5%), Fe₂O₃ (0.1%) e TiO₂ (0.1%). Além disso, todos os zircões contêm vestígios de urânio e tório. O zircônio é processado por moagem fina para produzir uma variedade de produtos moídos com tamanho de partícula definido. Esses produtos encontraram uso em fundição de investimento, fundições, produtos refratários e como opacificante em esmaltes para louças brancas.

O zircônio também é a principal fonte de zircônia. O zircônio pode ser clorado na presença de carbono para dar tetracloretos de zircônio e silício que são então separados por destilação. O tetracloreto de zircônio produzido pode ser usado para preparar zircônio diretamente ou como matéria-prima para outros produtos químicos de zircônio. A sinterização com óxidos alcalinos ou alcalino-terrosos também é usada para decompor o zircônio. A sílica é lixiviada dos produtos de decomposição com água, deixando o hidróxido de zircônio para ser posteriormente purificado por dissolução ácida e reprecipitação. A zircônia é então obtida pela calcinação do hidróxido. O zircônio também é convertido em zircônia e sílica em um plasma a 1,800°C (3,270°F) com resfriamento rápido para evitar a reassociação. A sílica livre é removida por dissolução em hidróxido de sódio. A zircônia fundida é produzida em fornos de arco elétrico a partir de matérias-primas de baddeleyita ou zircônia/carbono. No último processo, o componente de sílica do zircônio é reduzido carbotermicamente a monóxido de silício, que se volatiliza antes da fusão da zircônia residual.

Resumo

A indústria cerâmica industrial é muito diversificada e há muito processamento interno. Muitas das operações finais de fabricação ocorrem em atmosferas do tipo fundição. Os sistemas de manuseio de materiais nessas operações transportam matérias-primas finas onde a poeira pode ser um problema. Os materiais são então elevados a temperaturas muito altas e derretidos ou fundidos nas formas necessárias para as peças finais. Portanto, muitos dos problemas de segurança que existem em qualquer indústria de alta temperatura também existem na indústria de cerâmica industrial.

Tijolo e Azulejo

perfil geral

Tijolos e telhas de barro têm sido usados ​​como material de construção desde os primórdios em muitas partes do mundo. Quando bem feitos e queimados são mais duráveis ​​do que algumas pedras, resistentes às intempéries e a grandes mudanças de temperatura e umidade. O tijolo é um retângulo de tamanho padrão, variando ligeiramente de região para região, mas essencialmente conveniente para ser manuseado com uma mão por um pedreiro; as telhas são lajes finas, planas ou curvas; telhas de barro também podem ser usadas para pisos.

A indústria de tijolos é muito fragmentada. Existem muitos pequenos fornecedores localizados em todo o mundo. A fabricação de tijolos tende a envolver fornecedores locais e mercados locais devido ao custo de envio do produto acabado. Em 1994, havia 218 fábricas de tijolos nos Estados Unidos e, em 1992, o número de produtores de produtos estruturais de argila no Reino Unido era de 182, por exemplo. Os fabricantes de tijolos geralmente estão localizados perto dos depósitos de argila para reduzir o custo de transporte da matéria-prima.

Nos Estados Unidos, os tijolos são usados ​​principalmente na construção residencial como material de suporte de carga ou como material de fachada. Uma vez que a indústria de tijolos está tão intimamente ligada à indústria de habitação, a atividade manufatureira é altamente dependente da indústria de construção residencial e quase totalmente dependente da indústria de construção residencial e não residencial combinada.

Processos de fabricação

Materiais e processamento

O material básico é argila de vários tipos com misturas de margas, xistos e areia, de acordo com a oferta e necessidades locais, para dar as propriedades necessárias de textura, plasticidade, regularidade e encolhimento e cor.

A extração de argila agora é totalmente mecanizada; a fabricação geralmente ocorre ao lado do orifício de extração, mas em grandes obras a argila às vezes é transportada em patins em teleféricos. O processamento posterior da argila varia de acordo com sua constituição e o produto final, mas em geral inclui trituração, moagem, peneiramento e mistura. Veja a figura 16 para uma operação típica de fabricação de tijolos.

Figura 16. A fabricação de tijolos e telhas

A argila para tijolos cortados em arame é quebrada por rolos; a água é adicionada em um misturador; a mistura é enrolada novamente e então alimentada através de um pugmill horizontal. A argila plástica extrudada é então cortada no tamanho certo em uma mesa de corte de arame. O material plástico semi-seco e rígido é produzido por laminação e peneiramento e é então alimentado em prensas mecânicas. Alguns tijolos ainda são moldados à mão.

Quando for usado material plástico, os tijolos devem ser secos ao sol e ao ar, ou mais freqüentemente em fornos regulados, antes da queima; tijolos feitos de plástico semi-seco ou rígido podem ser queimados imediatamente. A cozedura pode ocorrer em fornos de anel, frequentemente alimentados à mão, ou em fornos de túnel, alimentados mecanicamente. Os combustíveis utilizados variam de acordo com a disponibilidade local. Um esmalte de acabamento é aplicado a alguns tijolos decorativos.

Refratários

perfil geral

Os materiais refratários são tradicionalmente considerados como não metálicos que resistem à degradação por gases corrosivos, líquidos ou sólidos em temperaturas elevadas. Esses materiais devem suportar choque térmico causado por aquecimento ou resfriamento rápido, falha atribuível a tensões térmicas, fadiga mecânica devido a outro material em contato com o próprio refratário e ataque químico ativado pelo ambiente de alta temperatura. Esses materiais são necessários para a fabricação da maioria dos produtos cerâmicos e são especificamente necessários em fornos, secadores, fornalhas e peças de motores que suportam altas temperaturas.

Os refratários permaneceram quase exclusivamente à base de minerais até o século XX. No entanto, os tecnólogos especializados em mineralogia estavam prestando atenção. Os metalúrgicos vinham experimentando práticas de escória ácida e básica desde a Idade Média e haviam catalogado alguns dos benefícios de cada uma. Os artesãos refratários experimentaram correspondentemente com ganister, com outros minerais de sílica quase puros e com magnesita, um composto predominantemente de MgCO₃ mineral que foi calcinado a MgO. Quando o conversor de fabricação de aço Bessemer foi inventado em 1856, combinando temperaturas de trabalho de mais de 1,600ºC com escória ácida corrosiva, os refratários de sílica “ácida” estavam praticamente prontos. Quando o forno de soleira aberta da Siemens seguiu em 1857 a temperaturas ainda mais altas, e a fabricação de aço passou em ambos os casos para a escória básica corrosiva, os revestimentos “básicos” de magnesita logo foram introduzidos. Os refratários básicos feitos de dolomita (MgO-CaO) foram desenvolvidos durante a Primeira Guerra Mundial, quando o fornecimento europeu de magnesita foi cortado dos Aliados. Mais tarde, com o desenvolvimento de outros recursos minerais em todo o mundo, a magnesita se reafirmou.

Tabela 4. Uso de refratários pela indústria nos Estados Unidos

 

Enquanto isso, os tijolos de carbono aglomerados foram produzidos no Reino Unido a partir de 1863 e finalmente chegaram ao alto-forno de fundição de ferro, à medida que suas temperaturas de trabalho subiam ainda mais. Eles também foram rapidamente para as células Hall-Héroult para a produção de alumínio (1886).

A cal foi feita por cerca de 5,000 anos usando argila e depois fornos de tijolos refratários. A fabricação de cimento Portland exigiu pela primeira vez um refratário inovador quando os fornos rotativos foram introduzidos após 1877. Os primeiros revestimentos resistentes foram feitos de clínquer de cimento ligado a cimento. Mais tarde, refratários comerciais mais duráveis ​​retornaram a essa indústria.

Os fornos recuperativos e regenerativos, originários da fabricação recém-nascida de aço na década de 1850, foram introduzidos na metalurgia de não ferrosos e na fabricação de vidro no final do século XIX. Os refratários fireclay também tiveram que ser substituídos lá. Revestimentos de magnesita foram usados ​​em conversores de cobre a partir de 19 e nos primeiros tanques de vidro modernos cerca de 1909 anos depois. Fornos de arco elétrico foram testados pela primeira vez para a fabricação de aço em 10 e se tornaram comuns depois de 1853. Uma unidade de aproximadamente 1990 toneladas instalada nos Estados Unidos em 100 empregava um revestimento de magnesita.

Os fornos a arco trifásicos existiam antes de 1950; só então surgiram sérias demandas por refratários mais sofisticados. No mesmo período, o sopro de oxigênio foi introduzido na Bessemer e nos fornos de soleira aberta na década de 1940. O forno básico de oxigênio (BOF) literalmente assumiu a fabricação de aço no final dos anos 1950. O sopro de oxigênio, por sua grande importância econômica, impulsionou a indústria de refratários pela primeira vez a introduzir materiais sintéticos em seus produtos em escala significativa.

Outro fator essencial para entender o desempenho de um refratário é a estabilidade dimensional. Ao longo do uso industrial, os materiais refratários são submetidos a ciclos de aquecimento/resfriamento, que fazem com que as unidades refratárias se expandam ou se contraiam. Grandes mudanças nas dimensões reduzirão a estabilidade e podem levar à falha da estrutura à base de refratário.

Um fenômeno relacionado comumente observado com materiais refratários é o desprendimento. Lascamento é geralmente considerado fratura, divisão ou descamação do refratário, resultando na exposição da massa interna do material. O lascamento geralmente é causado por gradientes de temperatura dentro do material, compressão na estrutura devido a cargas de grande volume e variações do coeficiente de expansão térmica dentro do tijolo. Todo esforço é feito na fabricação de refratários para evitar o estilhaçamento, pois reduz a eficácia do refratário.

Os refratários têm aplicação em uma ampla variedade de aplicações industriais, desde o uso extensivo na indústria de ferro e aço até usos de baixo volume nas indústrias de cimento e serviços públicos. Basicamente, os refratários são usados ​​em qualquer indústria onde altas temperaturas são usadas para aquecer e secar ou incinerar materiais. A Tabela 4 fornece uma divisão atual por indústria de uso de refratários nos Estados Unidos.

Como mostra a tabela 4, a siderurgia é a área onde mais de 50% dos refratários produzidos nos Estados Unidos são utilizados. Portanto, as necessidades da indústria siderúrgica, em grande parte, impulsionaram os desenvolvimentos refratários que ocorreram.

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refratários modernos

A cerâmica cresceu substancialmente de artesanato para ciência aplicada. A American Ceramic Society foi fundada em 1899, a British Ceramic Society em 1901. Os diagramas de fase de óxido começaram a aparecer na literatura na década de 1920. As técnicas de petrografia estavam bem desenvolvidas e os mecanismos detalhados de degradação e desgaste dos refratários começavam a ser compreendidos. Os produtores de refratários americanos estavam amplamente reorganizados, consolidados e capazes de realizar suas próprias pesquisas. As ferramentas de síntese refratária e os instrumentos de investigação estavam florescendo.

É claro que os carbonos industriais sintéticos não eram novos. O coque foi produzido comercialmente pela primeira vez a partir do carvão na década de 1860 e do petróleo logo depois. O grafite sintético e o carboneto de silício apareceram quase simultaneamente na virada do século, após a invenção de Acheson do forno elétrico aquecido por auto-resistência em 1896. Esses produtos, com propriedades muito diferentes das dos óxidos, rapidamente estimularam seus próprios usos e mercados.

Alumina sintética, Al₂O₃, estava disponível desde que o processo Bayer começou a alimentar a produção de alumínio por volta de 1888. A magnésia sintética (MgO) foi produzida pela primeira vez a partir da água do mar no Reino Unido em 1937 e nos Estados Unidos em 1942, estimulada pelas necessidades de magnésio durante a guerra. A zircônia tornou-se disponível, também estimulada pelos militares. A cal foi uma mercadoria importante por muito tempo. Uma série de outros produtos químicos estava disponível para consideração como componentes refratários ou como aditivos menores e agentes de ligação. O único componente importante dos refratários de óxido que, em sua maior parte, tem resistido à substituição por sintéticos é a sílica (SiO₂) Rochas e areias de sílica de alta pureza são abundantes e são usadas nesta indústria, bem como na formulação de vidro.

O uso de sintéticos na fabricação de refratários tem sido extremamente útil; mas as matérias-primas minerais não foram de forma alguma deslocadas. Os sintéticos custam mais, e esse custo deve ser justificado. Alguns materiais sintéticos criam sérios problemas no processamento de refratários, e novas maneiras devem ser encontradas para superá-los. Resultados ótimos geralmente são alcançados por combinações de matérias-primas sintéticas e minerais, juntamente com insumos criativos em seu processamento.

Misturas de argila com carbono foram usadas para revestir cadinhos e conchas desde que o ferro foi derramado pela primeira vez; e tijolos de sílica contendo carbono foram feitos na França na década de 1860. Desde 1960, tanto as técnicas quanto as composições mudaram dramaticamente. O uso de refratários de óxido contendo carbono cresceu rapidamente, começando com MgO+C. O primeiro impulso real pode ter sido fornecido pelo BOF; mas hoje dificilmente existe algum tipo de refratário de óxido avançado que não possa ser obtido com ou sem adição de carbono ou um precursor de carbono para desempenho superior em aplicações específicas.

Grãos ou agregados refratários fundidos a arco foram feitos desde o início de 1900, e tijolos refratários fundidos de várias composições seguiram nos anos vinte e trinta, notadamente de mulita, alumina, magnésia-alumina-sílica e alumina-zircônia-sílica. Na maioria das vezes, esses produtos eram feitos inteiramente de matérias-primas minerais.

Na verdade, os refratários totalmente à base de minerais permanecem hoje como um componente importante do menu de produtos. Eles são em geral mais baratos, geralmente têm um desempenho admirável e ainda existem muitas aplicações de menor demanda, bem como aquelas de demanda crítica para os mais altos níveis de refratariedade e resistência à corrosão.

indústria de refratários

Os refratários serão encontrados em uso em muitas indústrias para revestimento de caldeiras, fornos e fornalhas de todos os tipos, mas a maior porcentagem é usada na fabricação de metais. Na indústria siderúrgica, um típico alto-forno ou forno aberto pode usar muitos tipos diferentes de refratários, alguns feitos de sílica, alguns de cromo e/ou magnesita e outros de argila refratária.

Quantidades bem menores também são utilizadas nas seguintes indústrias: gás, coque e subprodutos; usinas geradoras de energia; produtos químicos; fornos de assar e fogões; cimento e cal; cerâmica; copo; esmaltes e vidrados; locomotivas e navios; reatores nucleares; refinarias de petróleo; descarte de lixo (incineradores).

Processos de fabricação

O tipo de refratário usado em qualquer aplicação específica depende dos requisitos críticos do processo. Por exemplo, processos que exigem resistência à corrosão gasosa ou líquida requerem baixa porosidade, alta resistência física e resistência à abrasão. Condições que exigem baixa condutividade térmica podem exigir refratários totalmente diferentes. Com efeito, são geralmente empregues combinações de vários refractários. Não há uma linha de demarcação bem estabelecida entre os materiais que são e os que não são refratários, embora a capacidade de resistir a temperaturas acima de 1,100°C sem amolecer tenha sido citada como um requisito prático dos materiais refratários industriais.

Os objetivos técnicos de fabricação de um determinado refratário estão incorporados em suas propriedades e desempenho em uma aplicação pretendida. As ferramentas de fabricação consistem em escolhas entre matérias-primas e entre métodos e parâmetros de processamento. Os requisitos de fabricação têm a ver com as características da composição da fase e da microestrutura – coletivamente chamadas de características do material – que são desenvolvidas por meio do processamento e são responsáveis ​​pelas propriedades e comportamento do produto.

Matéria prima

No passado, as matérias-primas refratárias eram selecionadas de uma variedade de depósitos disponíveis e usadas como minerais extraídos. A mineração seletiva produzia materiais com as propriedades desejadas e apenas em casos de matérias-primas caras, como a magnesita, era necessário um processo de beneficiamento. Hoje, no entanto, as matérias-primas naturais de alta pureza são cada vez mais procuradas, assim como os grãos refratários preparados sinteticamente feitos a partir de combinações de matérias-primas beneficiadas e de alta pureza. O material produzido na queima de minerais brutos ou misturas sintéticas é chamado de grão, clínquer, co-clínquer ou grogue.

Os refratários são geralmente classificados em quatro tipos: aluminossilicato, sílica (ou ácida), básica e miscelânea.

Os materiais geralmente usados ​​nos quatro tipos de refratários incluem:

1. Refratários de aluminossilicato. Os fireclays consistem principalmente no mineral caulinita [CAS 1318-74-7] (Al₂0₃  2 SiO₂ 2H₂O) com pequenas quantidades de outros minerais de argila, quartzito, óxido de ferro, titânia e impurezas alcalinas. As argilas podem ser utilizadas no estado bruto ou depois de calcinadas. As argilas brutas podem ser grosseiramente dimensionadas ou finamente moídas para incorporação em uma mistura refratária. Alguns caulins de alta pureza são transformados em pasta, classificados, secos e flutuados ao ar para obter uma alta qualidade consistente. As argilas classificadas também podem ser misturadas e extrudadas ou peletizadas e depois calcinadas para produzir grogue caulinítico sintético queimado, ou caulinita crua triturada grosseiramente pode ser queimada para produzir grogue. Após a calcinação ou queima, a caulinita se decompõe em mulita e um vidro silicioso incorporando impurezas minerais associadas ao depósito de argila (por exemplo, quartzito, óxido de ferro, titânia e álcalis) e é consolidada em grog granular denso e duro a altas temperaturas.
2. Sílica ou refratários ácidos utilizam principalmente sílica na forma de quartzito triturado e moído (ganister) (92 a 98%), ao qual é adicionada uma substância ligante adequada, como cal (CaO). Os tijolos de sílica são geralmente aquecidos duas vezes porque se expandem quando aquecidos (tijolos refratários encolhem), e é desejável que a expansão seja concluída antes da construção da parede ou revestimento.
3. Refratários básicos use dolomita, magnesita (MgO), óxido de cromo, ferro e alumínio.
4. Diversos refratários. Da grande variedade de materiais atualmente em uso, os mais comuns são carbonetos como carboneto de silício, grafite, alumina, berílio, tória, óxido de urânio, amianto e óxido de zircônio.

 

Várias revoluções na indústria ocorreram. Incluídos nessas revoluções estão outros métodos mecanizados de manuseio de sólidos de tonelagem, capacidades aumentadas e automação de equipamentos de processamento e técnicas para a rápida aquisição e análise de dados de controle em processo. Esses avanços transformaram a prática de fabricação de refratários.

A Figura 17 ilustra como diferentes tipos de refratários são feitos. A figura é desenhada no estilo “árvore de decisão” com os ramos divergentes codificados por números para identificação. Existem vários caminhos, cada um fazendo um tipo particular de produto refratário.

Figura 17. Fluxograma de fabricação de refratários

Esses fluxogramas genéricos representam milhares de processos específicos, diferenciados, por exemplo, por suas listas de matérias-primas, modo de preparo e dimensionamento e dosagem (ou seja, quantidade pesada) de cada um, sequência e modo de mistura e assim por diante. Omissões são permitidas - por exemplo, alguns refratários não formados são misturados a seco e nunca umedecidos até a instalação.

Os refratários ou produtos podem ser pré-formados (conformados) ou formados e instalados no local, mas em geral são fornecidos nas seguintes formas:

Tijolo. As dimensões padrão de um tijolo refratário são 23 cm de comprimento por 11.4 cm de largura e 6.4 cm de espessura (tijolo reto). Os tijolos podem ser extrudados ou prensados ​​a seco em prensas mecânicas ou hidráulicas. As formas formadas podem ser queimadas antes do uso ou, no caso de breu, resina ou tijolo ligado quimicamente (curado).

Formas fundidas. As composições refratárias são fundidas a arco e moldadas em formas (por exemplo, blocos de fluxo de tanque de vidro tão grandes quanto 0.33, 0.66, 1.33 m). Após a fundição e o recozimento, os blocos são retificados com precisão para garantir um ajuste preciso.

Refratários fundidos e moldados à mão. Formas grandes, como blocos de queimadores e blocos de fluxo, e formas intrincadas, como peças de alimentação de vidro, saggers e similares, são produzidas por deslizamento ou fundição de cimento hidráulico ou técnicas de moldagem manual. Como essas técnicas são trabalhosas, elas são reservadas para artigos que não podem ser formados satisfatoriamente de outras maneiras.

Refratários isolantes. Os refractários isolantes em forma de tijolo são muito mais leves do que os tijolos convencionais da mesma composição em virtude da porosidade do tijolo.

Castables e misturas de projeção. Os concretos consistem em grãos refratários aos quais é adicionado um ligante hidráulico. Ao se misturar com a água, o agente hidráulico reage e liga a massa. As misturas de projeção são projetadas para serem pulverizadas através de um bico sob pressão de água e ar. A mistura pode ser transformada em pasta antes de ser disparada pela pistola ou misturada com água no bocal.

Refratários plásticos e misturas de compactação. Refratários plásticos são misturas de grãos refratários e argilas plásticas ou plastificantes com água. As misturas de compactação podem ou não conter argila e geralmente são usadas com formas. A quantidade de água usada com esses produtos varia, mas é mantida no mínimo.

Riscos e Precauções Ocupacionais

A Tabela 5 fornece informações sobre muitos dos perigos potenciais encontrados neste setor industrial.

Tabela 5. Riscos potenciais de saúde e segurança encontrados durante a fabricação de vidro, cerâmica e materiais relacionados

 

Problemas de segurança e saúde e padrões de doenças

Esta seção fornece uma visão geral dos problemas de segurança e saúde documentados ou suspeitos em toda a indústria. Dados internacionais sobre lesões e doenças neste setor empresarial não foram localizados em buscas bibliográficas e na internet (em 1997). Informações compiladas pelo Departamento de Trabalho dos EUA, Administração de Segurança e Saúde Ocupacional (OSHA) e Bureau of Labor Statistics (BLS) foram usadas para identificar riscos comuns no local de trabalho e para descrever características de lesões e doenças. Esses dados devem ser representativos da situação mundial.

Perigos detectados durante as inspeções

As inspeções de conformidade regulatória de empresas na fabricação de produtos de pedra, argila, vidro e concreto (Standard Industrial Classification (SIC) Code 32, equivalente ao ISIC Code 36) revelam alguns dos perigos comuns neste setor. As citações de conformidade regulamentar emitidas pela OSHA indicam que os problemas comuns de saúde e segurança podem ser agrupados da seguinte forma:

• Comunicação dos perigos de perigos físicos e para a saúde de substâncias químicas no local de trabalho

• controle de energia perigosa—procedimentos de bloqueio e sinalização para controlar atividades em torno de máquinas ou equipamentos onde uma energização inesperada ou liberação de energia armazenada pode causar lesões. Energia perigosa inclui energia elétrica, mecânica, hidráulica, pneumática, química, radiação térmica e outras fontes.

• segurança elétrica, incluindo equipamento elétrico ou projeto de sistema, métodos de fiação, práticas de trabalho seguras e treinamento

• permitir a entrada obrigatória em espaços confinados— procedimentos de identificação, avaliação e entrada segura

• equipamento de proteção pessoal—avaliações, seleção e uso de proteção para os olhos, rosto, mãos, pés e cabeça

• guarda de máquinas, equipamentos e ferramentas para proteger os operadores e trabalhadores adjacentes de perigos no ponto de operação, pontos de aperto e de peças rotativas, lascas ou faíscas voadoras; inclui maquinário fixo, maquinário portátil e ferramentas elétricas portáteis, e ajuste de proteções e apoios de trabalho em maquinário de roda abrasiva (esmerilhadeiras) (ver figura 18)

 

Figura 18. A proteção da máquina protege os operadores

• Proteção respiratória—seleção, uso, manutenção, treinamento, liberação médica e teste de ajuste de respiradores

• exposição ocupacional ao ruído—controle de exposições por proteção de engenharia, administrativa ou auditiva e implementação de programas de conservação auditiva

• prevenção de incêndios e preparação e resposta a emergências, incluindo extintores de incêndio, rotas de fuga, planos e armazenamento ou uso de materiais inflamáveis/combustíveis

• superfícies de caminhada e trabalho, incluindo a proteção de aberturas e furos no piso e na parede; serviço de limpeza; e manter corredores e passagens livres de condições que apresentem riscos de escorregar, tropeçar ou cair (consulte a figura 19)

 

Figura 19. Riscos de tropeçar e escorregar

• caminhões industriais motorizados—projeto, manutenção, uso e outros requisitos de segurança para empilhadeiras, caminhões-plataforma, tratores, carrinhos de mão motorizados ou outros caminhões industriais especializados movidos por motores elétricos ou motores de combustão interna

• escadas fixas e móveis, escadas e andaimes— projeto, inspeção ou manutenção e uso seguro

• proteção contra quedas— uso de sistemas de contenção de queda e equipamentos de retenção para trabalhos elevados

• corte e soldagem— uso e procedimentos seguros para oxigênio/acetileno ou gás combustível ou corte a arco ou equipamento de soldagem

• equipamento de manuseio de materiais-incluindo pontes rolantes e pórticos, guindastes, correntes e eslingas

• controle de exposição a substâncias tóxicas ou perigosas, incluindo contaminantes do ar ou produtos químicos especificamente regulamentados (por exemplo, sílica, chumbo, amianto, formaldeído, cádmio ou arsênico).

 

Perfil de lesões e doenças

Taxas de incidência de doenças por lesões

Com base nos registros do Departamento do Trabalho dos EUA, os fabricantes de produtos de pedra, argila e vidro (SIC 32) têm uma taxa de incidência total “registrável” de lesões e doenças ocupacionais não fatais de 13.2 casos por 100 trabalhadores em tempo integral por ano. Essa taxa de incidência é maior do que as taxas correspondentes para toda a manufatura (12.2) e toda a indústria privada (8.4). Cerca de 51% dos casos de “lesão registrável” no setor de fabricação de produtos de pedra, argila e vidro não resultam em dias perdidos de trabalho (tempos afastados do trabalho).

As taxas de incidência de “casos de dias de trabalho perdidos totais” com base no número de lesões ou doenças incapacitantes que resultam em dias de trabalho perdidos por um trabalhador por 100 trabalhadores em tempo integral também estão disponíveis no Departamento do Trabalho dos EUA. A taxa de incidência total de dias perdidos inclui os casos em que os dias de trabalho são perdidos e o trabalhador não é capaz de realizar todo o escopo do trabalho (restrito ou leve). Os fabricantes de produtos de pedra, argila e vidro têm uma taxa total de incidência de dias de trabalho perdidos de 6.5 casos por 100 trabalhadores por ano. Isso é mais alto do que as taxas correspondentes para toda a manufatura (5.5) e para toda a indústria privada (3.8). Cerca de 93% dos casos de dias de trabalho perdidos no setor de fabricação de produtos de pedra, argila e vidro resultam de lesões e não de doenças ocupacionais.

A Tabela 6 apresenta informações mais detalhadas sobre as taxas de incidência de lesões e doenças (combinadas) ou lesões (sozinhas) para vários tipos de processos de fabricação no setor de fabricação de produtos de pedra, argila e vidro (Código SIC 32). As taxas de incidência e dados demográficos podem não ser representativos das informações globais, mas são as informações mais completas disponíveis.

 

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Tabela 6. Taxas de incidência de lesões e doenças ocupacionais não fatais¹ por 100 trabalhadores em tempo integral para empresas dos EUA no SIC Code 32, indústria privada e manufatura, 1994

 

nec = não classificado em outro lugar
- = dados não disponíveis

¹ As taxas de incidência representam o número de lesões e doenças por 100 trabalhadores em tempo integral e foram calculadas como o número de lesões e doenças dividido pelas horas trabalhadas por todos os funcionários no ano civil vezes 200,000 (o equivalente básico para 100 trabalhadores com 40 horas semanais durante 52 semanas por ano).

² Manual de Classificação Industrial Padrão 1987 Edição.

³ O emprego é expresso como uma média anual e foi derivado principalmente do programa BLS State Current Employment Statistics.

⁴ O total de casos inclui casos envolvendo apenas atividade de trabalho restrita, além de dias de afastamento do trabalho com ou sem atividade de trabalho restrita.

⁵ Os casos de afastamentos incluem os que resultam de afastamentos do trabalho, com ou sem restrição de atividade laboral.

Fonte = Fonte: Com base na pesquisa nacional de lesões e doenças relacionadas ao trabalho na indústria privada pelo Departamento do Trabalho dos EUA, Bureau of Labor Statistics.

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Demografia de casos de lesões e doenças

Trabalhadores com idades entre 25 e 44 anos representaram cerca de 59% dos 23,203 casos de acidentes ou doenças com afastamento no setor de fabricação de produtos de pedra, argila e vidro dos EUA. O próximo grupo mais afetado foi o dos trabalhadores de 45 a 54 anos, que tiveram 18% dos casos de lesões ou doenças com afastamento (ver figura 20).

Figura 20. Lesões e doenças com afastamento por idade; NÓS

Cerca de 85% das lesões e doenças com afastamento do Código SIC 32 eram do sexo masculino. Em 24% dos casos de afastamento (ambos os sexos), os trabalhadores tinham menos de 1 ano de serviço. Trabalhadores com 1 a 5 anos de serviço representaram 32% dos casos. Funcionários experientes com mais de 5 anos de serviço representaram 35% dos casos de afastamento.

Natureza. A análise dos perfis de incidentes com afastamento caracteriza a natureza das lesões e doenças incapacitantes e ajuda a explicar os fatores causais ou contribuintes. Distensões e entorses são a principal natureza de lesões e doenças no setor de fabricação de produtos de pedra, argila e vidro. Conforme mostrado na figura 23, distensões e entorses representam cerca de 42% de todos os casos de perda de tempo. Cortes e perfurações (10%) foram a segunda natureza mais comum de lesão ou doença incapacitante. Outras categorias de lesões importantes foram contusões (9%), fraturas (7%) e dores nas costas/outras (5%). Queimaduras por calor, queimaduras químicas e amputações foram menos comuns (1% ou menos).

Figura 21. Lesões e doenças ocupacionais

Eventos ou exposições. A Figura 22 mostra que o esforço excessivo durante o levantamento lidera todos os outros eventos ou exposições incapacitantes. O excesso de esforço durante o levantamento foi um fator causal em cerca de 17% dos casos incapacitantes; o movimento repetitivo foi a exposição em mais 5% dos casos incapacitantes. Atingir um objeto foi o próximo evento mais comum, o que levou a 16% dos casos. Os eventos de choque contra um objeto causaram 10% dos casos. Outros eventos importantes foram capturados em um objeto (9%), quedas no mesmo nível (9%), quedas em nível inferior (6%) e escorregões/tropeços sem queda (6%). A exposição a substâncias nocivas ou ao meio ambiente foi fator causal em apenas 5% dos casos.

Figura 22. Evento ou exposição em lesões ocupacionais

Parte do corpo. A parte do corpo mais frequentemente afetada foi o dorso (24% dos casos) (ver figura 23). Lesões nos membros superiores (dedo, mão, punho e braço combinados) ocorreram em 23% dos casos, com lesão no dedo em 7% dos casos. As lesões de membros inferiores foram semelhantes (22% dos casos), com o joelho acometido em 9% dos casos.

Figura 23. Parte do corpo afetada em acidente com afastamento

Fontes. As fontes mais comuns de casos de lesões ou doenças incapacitantes foram: peças e materiais (20%); posição ou movimento do trabalhador (16%); pisos, passarelas ou pisos (15%); recipientes (10%); máquinas (9%); veículos (9%); ferramentas manuais (4%); móveis e utensílios (2%); e produtos químicos e químicos (2%) (ver figura 24).

Figura 24. Fontes de lesões ocupacionais

Prevenção e controle de doenças

Trauma cumulativo associado a movimentos repetitivos, esforço excessivo e forças excessivas é um achado comum neste setor de manufatura. Dispositivos robóticos estão disponíveis em alguns casos, mas as práticas de manuseio manual ainda dominam. Compressores, sopradores, spinners, vibradores pneumáticos e equipamentos de embalagem podem gerar ruídos superiores a 90 a 95 dBA. A proteção auditiva e um bom programa de conservação da audição evitarão alterações permanentes na audição.

Esta indústria consome grandes quantidades de sílica cristalina. As exposições devem ser limitadas durante o manuseio, manutenção e limpeza. Uma boa limpeza com um sistema de vácuo adequado ou métodos de limpeza úmida reduzirá as exposições potenciais. A triagem periódica deve ser realizada utilizando testes de função pulmonar e radiografias de tórax se ocorrer exposição excessiva à sílica. As exposições a metais pesados ​​encontrados como matérias-primas, vitrificação ou pigmentos também devem ser minimizadas. O uso de substitutos para metais pesados ​​encontrados em esmaltes também eliminará as preocupações com a saúde relacionadas à lixiviação de metais em alimentos ou bebidas. Boas práticas de limpeza e proteção respiratória são usadas para prevenir efeitos adversos. Vigilância médica que inclui monitoramento biológico pode ser necessária.

O uso de aglutinantes contendo formaldeído, epóxis e silanos é comum na fabricação de fibras vítreas. Devem ser tomadas medidas para minimizar a irritação cutânea e respiratória. O formaldeído é regulamentado como cancerígeno em muitos países. As fibras respiráveis ​​são produzidas durante a fabricação, fabricação, corte e instalação de vidro, rocha, escória e produtos de fibra cerâmica refratária. Embora as exposições a fibras transportadas pelo ar tenham sido geralmente bastante baixas (menos de 1 fibra por centímetro cúbico) para a maioria desses materiais, as aplicações de sopro de preenchimento solto tendem a ser muito maiores.

Rocha, escória e vidro estão entre os produtos de isolamento comercial mais amplamente estudados em uso atualmente. Estudos epidemiológicos revelaram que o tabagismo está tendo um grande impacto na mortalidade por câncer de pulmão entre os funcionários da indústria. Estudos transversais bem conduzidos não mostraram que as fibras produzem mortalidade ou morbidade pulmonar excessiva. Estudos recentes de inalação crônica em ratos mostraram que a durabilidade das fibras vítreas é um determinante crítico do potencial biológico dessas fibras. A composição, que determina a durabilidade dessas fibras, pode variar consideravelmente. Para evitar preocupações com a saúde pública, um Comitê Técnico da Comissão Européia propôs recentemente que a biopersistência de fibras vítreas fosse testada usando inalação de curto prazo. Uma composição de lã isolante que foi exaustivamente testada na dose máxima tolerada por inalação crônica em ratos e que não produz doença irreversível é sugerida como uma fibra de referência.

Questões ambientais e de saúde pública

O poluente atmosférico primário emitido durante a fabricação de vidro, cerâmica, cerâmica e tijolo é o material particulado. A tecnologia de controle máxima alcançável consistindo em filtros de mangas e precipitadores eletrostáticos úmidos está disponível para reduzir as emissões quando necessário. Os poluentes atmosféricos perigosos gerados durante os processos de mistura, aplicação e cura do aglutinante estão sob escrutínio. Essas substâncias incluem estireno, silanos e epóxis usados ​​em filamentos contínuos de vidro, e formaldeído, metanol e fenol usados ​​durante a produção de rocha, escória e vidro. O formaldeído é o poluente atmosférico perigoso que está orientando os padrões de controle para as últimas linhas de fabricação. Poluentes do ar perigosos de metais pesados, como o cromo, estão impulsionando os padrões de forno de fusão de vidro, enquanto NÃO_x e entao_x continuam a ser problemas em alguns países. As emissões de flúor e boro são motivo de preocupação na produção contínua de filamentos de vidro. O boro também pode se tornar uma preocupação ambiental se fibras de lã de vidro vítrea altamente solúveis forem necessárias em alguns países.

Devido ao alto volume de descarga de ar e à natureza da conformação e fusão do vidro, a indústria evapora quantidades consideráveis ​​de água. Muitas instalações, como, por exemplo, nos Estados Unidos, têm descarga zero de águas residuais. As águas residuais recicladas que contêm material orgânico podem criar riscos biológicos no local de trabalho se o tratamento não for implementado para prevenir o crescimento biológico (consulte a figura 25). Os resíduos gerados por este setor industrial incluem metais pesados, corrosivos, alguns aglutinantes e solventes usados. A indústria de fibra de vidro tornou-se um ponto importante para a reciclagem de garrafas de vidro e vidro plano. Por exemplo, os produtos atuais de lã de vidro contêm 30 a 60% de vidro reciclado. Refratários usados ​​também são recuperados e reutilizados de forma benéfica.

Figura 25. Aerossóis de águas residuais reutilizadas

Agradecimentos: Agradecimentos especiais a Dan Dimas, CSP, Libbey-Owens-Ford, por fornecer fotografias, e a Michel Soubeyrand, Libbey-Owens-Ford, por fornecer informações sobre deposição química de vapor para a seção sobre vidro.

 

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As fibras ópticas são filamentos de vidro da espessura de um fio de cabelo, projetados para transmitir raios de luz ao longo de seu eixo. Diodos emissores de luz (LEDs) or diodos laser converter sinais elétricos nos sinais ópticos que são transmitidos através de um núcleo cilíndrico interno do cabo de fibra óptica. As propriedades de refração mais baixas do revestimento externo permitem que os sinais de luz sejam propagados por reflexão interna ao longo do núcleo cilíndrico interno. As fibras ópticas são projetadas e fabricadas para se propagar como um único feixe de luz ou como múltiplos feixes de luz transmitidos simultaneamente ao longo do núcleo. (Veja a figura 1.)

Figura 1. Fibras ópticas monomodo e multimodo

A fibra monomodo é usada principalmente para telefonia, aplicações de televisão a cabo e backbones de campus. A fibra multimodo é comumente usada para comunicações de dados e redes locais.

Fabricação de fibra óptica

Materiais e processos especiais são necessários para fabricar fibras ópticas que atendam aos critérios básicos de projeto: (1) um núcleo com alto índice de refração e revestimento com baixo índice de refração, (2) baixa atenuação de sinal ou perda de potência e (3) uma baixa dispersão ou alargamento do feixe de luz.

Vidro de sílica de alta pureza com outros materiais de vidro (ou seja, vidros de fluoreto de metal pesado, vidros de calcogeneto) são os principais materiais atualmente usados ​​para fabricar fibras ópticas. Materiais policristalinos, materiais monocristalinos, guias de ondas ocas e materiais plásticos poliméricos também são usados. As matérias-primas devem ser relativamente puras com concentrações muito baixas de metais de transição e grupos formadores de hidroxila (abaixo do nível de partes por bilhão). Os métodos de processamento devem proteger o vidro formador de impurezas no ambiente de fabricação.

As fibras ópticas são fabricadas usando uma preparação de fase de vapor não convencional de uma pré-forma de vidro que é então transformada em fibra. Compostos voláteis de sílica são convertidos em SiO₂ por hidrólise de chama, deposição química de vapor (CVD) ou oxidação em alta temperatura. Outros dopantes são adicionados ao vidro para alterar as propriedades do vidro. As variações no processo de deposição de vapor começam com o mesmo material, mas diferem no método usado para converter esse material em sílica.

Um dos seguintes métodos de deposição de fase de vapor é usado para fabricar fibras ópticas à base de sílica: (1) deposição química de vapor modificada (MCVD), (2) deposição química de vapor de plasma (PCVD), (3) deposição externa de vapor (OVD), e (4) deposição axial de fase de vapor (VAD) (ver figura 2). Tetracloreto de silício (SiCI₄), tetracloreto de germânio (GeCI₄) ou outros haletos líquidos voláteis convertem-se em gás quando ligeiramente aquecidos devido às suas altas pressões de vapor. Haleto gasoso é entregue a uma zona de reação e convertido em partículas de vidro (consulte também o capítulo Microeletrônica e semicondutores.)

Figura 2. Fluxograma de fabricação de fibra óptica

MCVD e PCVD processos. Um tubo de sílica fundida de alta qualidade é conectado a um torno de trabalho de vidro equipado com uma tocha de hidrogênio/oxigênio que atravessa seu comprimento. Um suprimento de material haleto é conectado a uma extremidade do tubo de vidro e um depurador na extremidade oposta para remover o excesso de material haleto. A superfície do tubo de vidro é primeiro limpa por polimento a fogo enquanto a tocha atravessa o comprimento do tubo. Vários reagentes são adicionados no sistema de vapor, dependendo do produto que está sendo fabricado. Uma reação química ocorre quando os haletos passam pela seção do tubo que está sendo aquecido. Os haletos se convertem em partículas de “fuligem” de sílica que se depositam na parede interna do tubo de vidro a jusante da tocha. As partículas depositadas são sinterizadas na camada de vidro. O processo PCVD é semelhante ao MCVD, exceto que os haletos são fornecidos por um sistema de borbulhador e são usadas micro-ondas em vez de uma tocha para converter o material haleto em vidro.

OVD e VAD processos. Na primeira etapa do processo de fabricação da fibra, o core e revestimento os vidros são vapor depositado em torno de uma haste alvo rotativa para formar uma pré-forma de “fuligem”. O material do núcleo é depositado primeiro, seguido pelo revestimento. Toda a pré-forma deve ser extremamente pura, pois tanto o núcleo quanto o revestimento são depositados por vapor. A geometria da fibra é determinada durante a fase de fabricação. Depois que a haste alvo é removida, a pré-forma é colocada em um forno, onde é consolidada em um vidro sólido e transparente e o orifício central é fechado. O gás é passado através da pré-forma para remover a umidade residual que afeta adversamente a atenuação da fibra (perda de sinal óptico à medida que a luz é transmitida ao longo do eixo da fibra). As pré-formas são então lavadas com ácido fluorídrico para garantir a pureza do vidro e remover os contaminantes.

A pré-forma de vidro consolidada é colocada em uma torre de extração para formar um fio contínuo de fibra de vidro. Primeiro, a pré-forma é carregada no topo de um forno de estiramento. Em seguida, a ponta da pré-forma é aquecida e um pedaço de vidro fundido começa a cair. À medida que esta peça é desenhada (puxada), ela passa por um monitor de diâmetro em linha para garantir que a fibra atenda a um diâmetro especificado exato (geralmente medido em mícrons). . O diâmetro externo do revestimento é usado como guia para alinhar os núcleos de fibra durante o uso final. Os núcleos devem estar alinhados para que a transferência de luz ocorra de forma eficiente.

Polímero de acrilato ou outros revestimentos são aplicados e curados com lâmpadas ultravioleta. Os revestimentos destinam-se a proteger a fibra óptica do meio ambiente durante o uso final. As fibras ópticas são testadas para garantir a conformidade com os padrões de fabricação quanto à resistência, atenuação e geometria. Comprimentos específicos de fibra são enrolados em bobinas de acordo com as especificações do cliente.

Vários perigos potenciais são encontrados durante a fabricação de fibras ópticas. Estes incluem: (1) exposição ao ácido fluorídrico (ao limpar pré-formas de vidro), (2) energia radiante e estresse térmico associado a ambientes de trabalho próximos a tornos e processos de deposição de vapor, (3) contato direto com superfícies quentes ou material fundido (pré-formas de vidro ), (4) exposição a revestimentos de polímero de acrilato (sensibilizadores da pele), (5) perfurações e lacerações da pele durante o manuseio da fibra e (6) uma variedade de perigos físicos descritos anteriormente.

 

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