O processo de queima é uma das etapas mais importantes no processamento dos produtos cerâmicos. É durante esta etapa que o material sofre as reações e transformações químicas e físicas necessárias para conceder ao produto final microestruturas com propriedades requeridas.
De acordo com REED, 1995 o processo de queima ocorre em três estágios: (i) pré- sinterização, a qual inclui perda orgânica e eliminação dos gases de decomposição e oxidação do material; (ii) sinterização; e (iii) resfriamento. Dentre estes estágios, a sinterização é o mais complexo e que exigem mais conhecimento do material e do processo para obter as propriedades desejadas. Porém, a pré-sinterização e o resfriamento não devem ser desconsiderados.
Pode-se descrever a sinterização como um processo no qual, pós cristalinos ou não, compactados ou não, são tratados termicamente, em uma temperatura abaixo de sua temperatura de fusão (sinterização por fase sólida), envolvendo uma mudança na microestrutura desse material, por meio de um ou mais mecanismos de transporte, que podem ser concorrentes ou consecutivos, para se obter um único sólido coerente (FLORIO, 1998). É importante salientar que o termo sinterização muitas vezes é interpretado, erroneamente, como sinônimo de retração e densificação, embora isso comumente aconteça, pois densificação nem sempre ocorre (REED, 1995).
O parâmetro mais importante da sinterização é a redução da energia livre de superfície do sistema, ou seja, a tendência do sistema de atingir o estado de menor energia livre. Esta é acompanhada por uma redução nas áreas das superfícies e interfaces dos pós compactados. Basicamente o que ocorre é a conversão de muitas partículas pequenas em partículas maiores em menor número, ou seja, crescimento de grão e a substituição das interfaces gás-sólido, por interfaces sólido-sólido de menor energia, ou seja, densificação. De maneira geral, o crescimento de grão ocorre em todos os estágios de sinterização. O modelo mais simples de
crescimento de grão leva em consideração o movimento dos contornos de grão, que é inversamente proporcional ao tamanho médio de grão. Dessa forma, a segregação de impurezas nos contornos de grão pode reduzir a energia livre do sistema e consequentemente diminuir a taxa de crescimento do grão (FLORIO, 1998).
A sinterização tem influencia determinante nas propriedades e na estrutura do material (GOMES, 1993). Por esta razão, seu estudo consiste em relacionar o aspecto estrutural da peça sinterizada (porosidade residual, fases presentes, tamanho médio de grão e distribuição de tamanho de grão, homogeneidade estrutural, etc.) às características dos pós usados (tamanho médio e distribuição de tamanho de partículas), considerando também as condições de sinterização, tais como temperatura, tempo e atmosfera de sinterização (SILVA, 1998).
É notório que os produtos da ICE são submetidos ao processo de queima em fornos, os quais podem ser definidos como uma construção de alvenaria ou metálica, dentro do qual é possível aquecer uma carga determinada a altas temperaturas (JUSTO, 1999). Atualmente, são encontrados na ICE três diferentes tipos de fornos, com as seguintes características:
(i) Forno intermitente: é o tipo mais antigo de forno. O processo de queima consiste em carregar o forno com as peças a serem queimadas, aquecer até uma temperatura desejada, resfriar até uma temperatura possível para manusear as peças e retira-las do forno. Neste tipo de forno, a carga a ser aquecida é colocada em certa posição e permanece lá até alcançar a temperatura requerida, sendo depois resfriada até a temperatura ambiente e então retirada, geralmente através da porta pela qual entrou. Os fornos dos tipos abóboda, garrafão e paulistinha são os principais tipos de fornos intermitentes, sendo os mais utilizados pelas ICE de pequeno e médio porte (BASTOS, 2003);
(ii) Forno semi-contínuo: conhecido como forno de Hoffman, foi desenvolvido na Europa, em meados do século XIX, resultando numa grande economia de combustível. São constituídos de uma série de câmaras ligadas lateralmente e aquecidas uma após outra. Isso permite que os gases de combustão da câmara que estão queimando sejam direcionados à câmara adjacente, a qual será a próxima a ser queimada, e assim pré-aquecer a carga seguinte até quase a temperatura máxima de queima. Assim, a queima do combustível se movimenta de câmara a câmara, de forma regular (BASTOS, 2003);
(iii) Forno contínuo: são os fornos que operam de forma contínua, sem interrupção para descarga ou carregamento das peças. Nestes fornos, enquanto um lote de peças está chegando ao final da queima, outra quantidade igual ou semelhante está sendo iniciada, sem descontinuidade do processo. (JUSTO, 1999). O principal forno contínuo utilizado pela ICE é
o forno túnel, o qual consiste num longo túnel construído com material refratário, subdividido em três zonas: a zona de pré-aquecimento; a zona de queima, onde é atingida a máxima temperatura; e a zona de resfriamento, onde as peças são resfriadas lentamente pelo ar que entra no forno. Os fornos contínuos são os mais utilizados em todo o mundo devido à maior capacidade produtiva e ao melhor aproveitamento da energia fornecida pelo combustível. No Brasil, as empresas estão começando a instalar fornos deste tipo, buscando melhorar sua produção e a qualidade de seus produtos. (SANTOS, 2001).
De acordo com JUSTO, 1999 o desempenho de um forno inclui aspectos importantes, tais como: os combustíveis usados, os processos de combustão, os processos de transferência de calor e massa e a utilização de materiais isolantes na construção dos mesmos para evitar perdas de calor através das paredes.
Uma boa e interessante possibilidade de queima para a cerâmica estrutural é a queima em fornos a rolos, os quais são caracterizados por apresentar uma esteira para deslocar os produtos através do forno ao invés de vagonetas (Figura 2.3).
O forno a rolo é semelhante ao forno túnel e utiliza o mesmo modelo de fluxo de ar no seu interior, com queimadores posicionados na lateral do forno. A maior parte do calor é liberada no centro do forno e os gases de exaustão são puxados em direção à entrada, contra o fluxo de produtos. A zona de resfriamento de um forno a rolos trabalha igualmente de forma a retirar o calor das peças, sendo o ar de resfriamento direcionado da saída para o centro do forno, onde é normalmente retirado por um ventilador de resfriamento dos produtos (JAHN, 2006).
Figura 2.3: Fotografia de um forno a rolos (JAHN, 2006).
De acordo com JAHN, 2006, a maior vantagem do forno a rolo em relação a um forno túnel é a ausência de vagonetas a serem aquecidas e resfriadas. No forno a rolos o deslocamento do material no forno é feito pela simples rotação dos rolos. Com isso, ciclos de queima extremamente rápidos tornam-se possíveis, sendo comum, ciclo de queima de 30 minutos a 4 horas. Para ciclos superiores a 4 horas, a utilização de um longo forno túnel com vagonetas leves pode se tornar uma solução economicamente mais interessante.