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Queima de Corpos Cerâmicos |
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Anselmo Boschi |
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Introdução Sabemos que quando uma argila (ou um corpo argiloso) é aquecida, ela primeiro perde a água quimicamente a ela ligada. Posteriormente, quando a temperatura de maturação é atingida, parte do corpo se funde e forma um vidro, o que aproxima as partículas da argila e funciona como um tipo de cola que dá ao corpo resistência mecânica quando frio. O processo de queima é importante para que se possa obter um produto final com as propriedades desejadas, porém o corpo a ser queimado deve apresentar características que lhe permitam atingir essas propriedades. Para que se possa controlar favoravelmente o processo de queima, às características desejadas, é importante que se saiba o que ocorre com uma peça cerâmica durante a queima. Vejamos então, com um pouco mais de detalhes as alterações que ocorrem durante a queima de um corpo argiloso. Efeito do Calor sobre a Argila Como o calor se comporta Uma das melhores maneiras de se obter queimas “perfeitas”, é entender o que se passa dentro do forno após fecharmos a porta. O calor se movimenta dentro do forno, indo das áreas quentes para as frias de três maneiras distintas mas complementares:
Para se obter uniformidade em uma queima, é muito importante que todas as partes das peças, estejam expostas à radiação. Existem no entanto, outros fatores que podem afetar a distribuição de calor em um forno durante a queima, são eles : O desenho interno do fomo (quadrado ou cilíndrico); a que temperatura está sendo a queima; qual a velocidade da queima; se existe um sistema de ventilação no fomo; se o forno está regulado para dar um “banho” nas peças. Durante a queima, o ar quente tende a subir e o ar mais frio tende ir para as partes mais baixas do forno. Como resultado, alguns fornos terão uma temperatura menor em suas partes mais baixas do que em sua parte mais alta. Os fornos com desenhos mais modernos são desenhados com isso em mente, melhorando um pouco esse problema”, mas mesmo assim, não é incomum que você possa encontrar diferenças de até um cone entre as partes de um forno grande. Como o calor se movimenta Durante os primeiros estágios de uma queima, o ar aquecido circula por todo o forno. Depois de passado algum tempo, a mobília começa a irradiar calor diretamente sobre as peças. Ao mesmo tempo em que o ar quente transfere calor para as peças por convecção, calor este que será depois transferido para as partes internas das peça. Temperaturas de Queima À temperaturas muito altas (cone 6), a maior parte do calor é transferida através de irradiação, Querido se queima a temperaturas mais baixas (cone 016), a uniformidade tende a ser menor, isto porque a radiação ( que não se dá a essa temperatura ) é o meio mais eficiente de transferência de calor. Quantidade faz diferença Com um forno extremamente carregado, a distribuição de calor fica ainda mais prejudicam cada, pois o ar quente encontra”barreiras” criando assim, áreas mais quentes e outras mais frias. Em um fomo com pouca quantidade de peças, a probabilidade do aparecimento dessas áreas é menor. O segredo é nunca carregar em demasia seu fomo, mas também não ligá-lo para queimar somente duas peças. A única maneira de se descobrir o ponto de equilíbrio entre a quantidade de peças e a distribuição de calor, é através de testes. Controlando a queima Uma das maneiras mais fáceis de aprimorar a distribuição de calor dentro de um forno, é ajustando os controles de queima para que as partes mais frias, recebam mais calor e vice-versa. Efetuando-se uma queima mais lenta, também serve para melhorar a distribuição de calor, uma vez que as regiões mais frias receberão calor por mais tempo, ajudando as peças a queimarem mais uniformemente . Para abordar as mudanças que ocorrem durante um ciclo de queima o dividiremos em quatro partes: Parte 1 : Secagem Durante a conformação, a argila contém aproximadamente 25% de água. Após a secagem ao ar livre o corpo argiloso ( peça ) ainda mantém uma porcentagem de água superior a 5%. Durante o primeiro estágio da queima, essa água (fisicamente combinada) é retirada sob a forma de vapor. Por isso esta etapa pode ser considerada a etapa final da secagem. Quando a água liquida se transforma em vapor de água ela se expande e passa a ocupar um volume maior, o que pode provocar uma pressão interna na peça, se a velocidade com que a água líquida se transformar em vapor for maior que a velocidade com que o vapor consegue atravessar o corpo e chegar até a superfície. Por isso a velocidade de aquecimento deve ser lenta nesta etapa. Uma velocidade de aquecimento não superior a 1ºC por minuto é recomendável. Como a velocidade com que o vapor de água consegue chegar até a superfície depende da permeabilidade do corpo, podemos aumentar a velocidade de aquecimento inicial alterando a granulometria da massa. Argilas, que são constituídas de partículas pequenas, e não contenham material não plástico (chamote ou areia) estão mais sujeitas a apresentar defeitos, se a velocidade de aquecimento inicial for acelerada. Parte 2 : Decomposição A decomposição parcial dos cristais argilosos começa em torno de 200ºC e termina próximo aos 800ºC, quando a água que estava quimicamente a ela ligada sai na forma de vapor. Diferentes tipos de argila reagem diferente em temperaturas diferentes. Na caulinita ( principal constituinte do caulim) ocorre uma rápida saída de água entre os 450ºC e 600ºC. Durante esta etapa, os gases formados a partir de outros materiais são liberados; por exemplo: os carbonatos liberam dióxido do carbono (CO2). È importante que a atmosfera do forno seja suficientemente ventilada ( oxidante ), para permitir que essas reações se completem antes que a temperatura ultrapasse 600ºC. Mesmo uma atmosfera levemente redutora poderá fazer com que as transformações não sejam completadas, provocando defeitos como inchamento ou bolhas nas etapas posteriores da queima. O ferro é o material mas afetado pela falta de oxigênio. Em uma atmosfera redutora ele se transforma em óxido ferroso, óxido que tem um efeito como fluxo forte outro efeito é a sua transformação na cor preta. Todos os processos que envolvem perda de água ou gás, devem ser devidamente completados antes que a vitrificação das argilas ocorra. A vitrificação fecha a peça, e se ela ocorrer muito cedo, poderá impedir que essas reações se completem, provocando o aparecimento de bolhas ou de inchamento em temperaturas mais elevadas, ou seja, quando os gases quiserem sair e o vidro já estiver com todas as suas passagens fechadas. È etapa que ocorrem mudanças na estrutura cristalina das argilas. Em torno de 573ºC o quartzo presente na argila altera de tamanho, com um brusco aumento de volume superior a 3%. Durante essa transformação a taxa de aquecimento deve ser lenta para evitar o surgimento das trincas provocadas pela brusca variação do volume. Entre 600ºC e 700ºC há uma certa sinterização da argila. Nesse processo há uma espécie de soldamento entre os pontos de contato das partículas argilosas, provocado por uma fase liquida. Esse é o primeiro fator que contribui para a elevação da resistência mecânica das argilas, porém nas argilas de uso comum para a cerâmica artística essa resistência é pequena. Mudanças posteriores necessárias para obter resistência e dureza. Parte 3 : Vitrificação A vitrificação, que é a conversão dos minerais presentes em vidro, envolve algumas mudanças químicas e físicas complexas. A formação de líquido em argilas pode ocorrer a temperaturas tão baixas como 770ºC, mas na grande maioria das argilas muito pouco vidro se forma a temperaturas inferiores a 1000ºC. Em massas com feldespato a vitrificação começa em torno de 1150ºC. A última etapa de aquecimento começa próxima aos 800ºC quando temperatura pode ser aumentada mais rapidamente sem perigos para a peça. Mudanças químicas e físicas iniciadas na etapa anterior ( parte 2 ), prosseguem a uma velocidade maior e novas mudanças têm inicio. Se a temperatura for suficientemente alta ( ou prolongada ), qualquer liquido fundido que se forme, entra nos poros entre as partículas mais refratárias ( que ainda não se fundiram ). Quanto mais elevada à temperatura, mais completas são as reações. A sílica ( quartzo ou areia ), presentes na argila, é dissolvida. Durante a produção do material vítreo as mudanças químicas provocam mudanças físicas. O volume total diminui e como se os poros são cheios pelo liquido fundido a porosidade diminui também. O intervalo de fusão de uma argila é a diferença entre a temperatura em que a fusão se inicia e aquela na qual a peça perde a forma. Esse intervalo pode ser tão pequeno como 30ºC ou tão amplo como 300ºC, dependendo dos fluxos presentes. Uma boa argila ( ou massa ) deve apresentar um intervalo de aproximadamente 100ºC. O ponto é atingido quando todas as reações e outras variações estão completadas ou atingiram um ponto suficiente para dar ao material as propriedades desejadas. Manter a temperatura por certo tempo, permite que o calor penetre completamente na peça, aumentando a quantidade de material fundido, diminuindo o número de poros entre as partículas, tornando o material mais impermeável. Um tempo de patamar muito grande ou uma temperatura muito elevada podem provocar a formação de uma quantidade muito grande de vidro, provocando o inchamento ou fervura na argila, como uma resultante perda de forma ( já que o vidro é liquido ). Parte 4 : Resfriamento O resfriamento é uma parte bastante importante da queima. Um resfriamento muito rápido pode provocar trincas e um muito lento pode fazer com que o material fundido se cristalize. Na temperatura mais elevada, boa parte da massa está “amolecida” e o vidro está liquido. As reações entre o corpo e o vidrado contribuem para a resistência mecânica do produto final. O resfriamento entre 1250ºC e 1100ºC pode ser rápido. Isto evita a cristalização da cristobalita e o escorrimento das bordas. O resfriamento rápido também favorece o desenvolvimento de vidros transparentes, enquanto que o resfriamento lento favorece a formação de cristais com efeito opaco ou mate. Em torno dos 1000ºC o corpo argiloso se comporta como sólido. Entre 573ºC e 300ºC ou 200ºC ocorrem mudanças físicas na sílica o que torna recomendável um resfriamento lento em ambos os pontos. Efeito do Calor Sobre o Vidrado Inicialmente vamos entender o que ocorre quando aquecemos um vidro fritado ( frita é um vidro finamente moído ) : Quando o vidrado é lentamente aquecido, não ocorre nenhuma mudança até que as partículas comecem a amolecer ( 600ºC mais ou menos ) e ficam juntas, únicas pelos pontos de contato. A temperatura de 800ºC, ou menos, as partículas perdem sua individualidade e ficam todas unidas em uma camada contínua, com bolhas formadas onde antes da fusão existiam os poros. A aproximadamente 500ºC, quando a frita se torna totalmente fluida, as bolhas se juntam e começam a subir para a superfície onde estouram e deixam um buraco que logo desaparece. Quando o vidrado estiver maduro, teremos uma superfície lisa e sólida ( contínua ). Alguns vidrados reagem com o corpo formando pequenos cristais na interface entre o corpo vidrado, quando este corpo é resfriado. Estes cristais funcionam como âncoras que fixam o vidrado sobre o corpo. Agora, vamos entender a relação do calor sobre os vidrados crus : A maturação dos vidrados crus é de certo modo diferente do fritado, porque não contém material previamente fundido. As matérias primas nos vidrados crus devem reagir entre si para formar o vidro. No primeiro estágio da queima o vidrado cru somente se retrai. A aproximadamente 600ºC a quantidade de vidro aumentou por causa da dissolução das matérias primas e ao mesmo tempo surgem bolhas no vidro. Conforme a temperatura aumenta, as bolhas gradualmente vão para a superfície e desaparecem. Este processo continua até que todas as matérias primas, exceto a sílica, sejam dissolvidas. No ponto de maturação o vidrado está completamente livre de partículas sólidas e bolhas. Medida de Temperatura O controle da queima, geralmente é feito através das informações fornecidas pelos pirômetros ou pelos cones pirométricos. Termopar Sensor usado para medição de temperaturas. O aspecto exterior de termopares comerciais inclui uma cabeça metálica onde são feitas ligações aos instrumentos de indicação, registro e controle, e um tubo (metálico ou cerâmico) que serve de proteção aos fios de termopar. Se dois fios metálicos de composição distinta são soldados nas respectivas extremidades e uma das junções é mantida a temperatura superior à outra, circulará corrente elétrica entre estas junções. Trata-se de um efeito termo elétrico bem conhecido da Física. Para diferentes combinações de metais e diferentes temperaturas, a diferença de potencial entre estas junções será também diferente. Este é o princípio em que se baseia a operação dos termopares. A seleção de metais para os termopares é normalmente feita com base nas condições de aplicação. Ligas metálicas relativamente baratas (com base em Fe, Ni, Cr, etc.) podem ser usadas a temperaturas moderadas (até cerca de 1000°C), mas para temperaturas muito superiores(1500ºC -1700°C) são necessários termopares à base de ligas ricas em platina. Pirômetros de Radiação Pirômetro (Gr. pyr, pyrós, fogo + métron, medida), s. m. instrumento para medir altas temperaturas, no interior de fornos. Radiação (Lat. radiatione), s. f. ato ou efeito de radiar; irradiação; (Fis.) método de transferência de energia calorífica ou de qualquer outra forma de energia emitida sob a forma de ondas ou partículas, que não necessita de um material como meio de propagação, como, por exemplo, a energia calorífica que a Terra recebe do Sol, a luz, o som, os raios X, a radiação eletromagnética, os raios infravermelhos, etc... O pirômetro de radiação é um medidor de temperatura de não-contacto que recorre à radiação eletromagnética emitida por um corpo como variável termométrica. A radiação medida é, regra geral, visível e/ou infravermelha. Os fundamentos científicos na base da construção deste medidor vão desde a invenção do termômetro por Galileo Galilei (1600), às experiências com prismas ópticos de Isaac Newton (1704), à descoberta da radiação infravermelha pelo astrônomo Friedrick Herschel (1800), às leis do eletromagnetismo de James Maxwell (1864) e Helmholtz, à definição de corpo negro por Kirchhoff, à lei de Josef Stefan e Ludwig Boltzmann, e à relação entre energia de radiação e comprimento de onda estabelecida por Max Planck (1897), entre outros. A primeira patente de um termômetro de radiação foi atribuída em 1901 a um sensor termelétrico, que causou grande espanto pela sua capacidade de operação. A sua comercialização iniciou-se nos anos 30, vindo estes a ser largamente usados na indústria no controlo de processos. O pirômetro de radiação moderno, contudo, só foi desenvolvido durante a segunda guerra mundial a partir de detectores de infravermelhos que eram usados no auxílio de navegação de mísseis. Hoje em dia, estes termômetros têm diversos tipos de aplicações. Por serem de não-contacto, possibilitam medidas de temperatura em objetas que são de difícil acesso devido a condições de operação extremas, ou ainda em objetas que não podem ser contaminados com o sensor. Este é o caso de indústrias como a do vidro, a farmacêutica, a química, e a alimentar, onde os objetas podem estar excessivamente quentes, em movimento, em posição inacessível, ou ainda onde estes não podem ser deformados por um termômetro de contacto. O fato de serem de não-contacto está na base do grande tempo de vida destes medidores. As indústrias que tipicamente usam estes medidores são então a farmacêutica, química, manutenção automóvel, alimentar, metalúrgica, plásticos, pasta e papel, cimento, cerâmica, ar condicionado, e semicondutores. Pirômetros O tipo de pirômetro de uso mais comum é o termopar, que é formado por dois fios, de materiais diferentes, por uma das pontas. A ponta comum é chamada de ponta quente é a que é colocada no interior do forno. As outras duas pontas, pontas frias, são ligadas a um milivoltímetro . Quando há uma certa diferença de temperatura entre a ponta quente e a ponta fria, surge uma diferença de potencial e o milivoltímetro indica a corrente dela resultante. Existem vários tipos de termopar e cada um deles possui uma temperatura máxima de trabalho e uma tabela que converte a corrente, lida no milivoltímetro, em temperatura. È importante saber que a leitura do termopar é referente a diferença de temperatura entre a ponta quente e a ponta fria . Portanto se a ponta fria estiver a uma temperatura diferente da indicada na tabela que se está usando, as temperaturas lidas não serão corretas. Também é importante notar que a temperatura lida pelo termopar é a da ponta do mesmo, a qual pode não ser igual à da peça. Por isso é importante tomar cuidado com a localização do termopar, além de levar em conta o fato de que a temperatura interior das peças, principalmente grandes, pode não coincidir com a lida pelo termopar. Cones Pirométricos Foi Hermann Seger quem criou o cone pirométrico que permite saber em qual temperatura o esmalte se funde durante a queima. É feito com material cerâmico e tem a forma de uma pirâmide triangular alongada, medindo aproximadamente 7 cm de altura. Seu funcionamento ocorre da seguinte forma: quando o forno atinge uma temperatura , prefixada, o cone inclina-se completamente tocando com a ponta na prateleira em que está localizado. São pequenas pirâmides feitas com material cerâmico, de modo que a determinadas temperaturas e tempos elas amolecem e curvam-se. Estes cones não medem a temperatura, mas sim uma combinação de tempo e temperatura, o que no final é o que o ceramista precisa saber. Os cones Orton tem sua temperatura de queda correspondente às tabeladas somente quando a velocidade do aquecimento for de 20ºC por hora. Atmosfera do Forno Os ceramistas chamam de oxidante a atmosfera que possui um excesso de oxigênio. Dessa forma sob condições atmosféricas normais a atmosfera do forno é oxidante, o que permite que todas as reações envolvendo oxigênio sejam completadas. Este é um processo bastante importante no inicio da queima, entre 400ºC e 800ºC, que pe conhecido como período de oxidação. Durante este período todo material de carbono presente na argila deve poder queimar e deixar a peça, na forma de gás. Se está reação for impedida, quer por falta de oxigênio para a reação, quer por uma velocidade excessiva de aquecimento, podem surgir problemas nas etapas posteriores da queima.
O
oposto à oxidação é a redução, este é o processo químico que impede que se
de a oxidação. Este processo é muito usado pelo ceramista para reduzir a
atmosfera do forno através da diminuição da quantidade de oxigênio
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