Cerâmica de alumina: o material que, discretamente, supera as expectativas em condições reais de funcionamento

Numa fábrica de materiais refratários onde trabalhei, os acessórios do forno estavam a tornar-se uma dor de cabeça constante. As prateleiras de cordierite rachavam após cerca de 40 a 50 ciclos entre os 1250 °C e a temperatura ambiente, obrigando a paragens não planeadas a cada seis a oito semanas. A equipa de produção tinha experimentado mullite e até alguns protótipos de carboneto de silício, mas nada proporcionava uma vida útil consistente sem fazer os custos dispararem. Acabámos por substituir as placas de fixação e os saggers críticos por um corpo cerâmico de alumina 95 %. No primeiro ano, a vida útil média subiu para mais de 180 ciclos e o número de paragens de emergência do forno diminuiu em mais de metade. Essa única mudança de material pagou-se a si própria em nove meses, uma vez que levámos em conta a redução do tempo de inatividade e a menor frequência de substituição.

A cerâmica de alumina consiste essencialmente em óxido de alumínio sinterizado, geralmente com um teor de Al₂O₃ compreendido entre 92 e 99,5 %. Quanto maior for a pureza, melhores serão a resistência a altas temperaturas, o isolamento elétrico e a resistência ao desgaste, mas também maior será a temperatura de sinterização necessária. Os tipos padrão são formados por prensagem a seco, prensagem isostática ou extrusão, sendo depois cozidos a 1500–1700 °C. Para as aplicações mais exigentes, a prensagem isostática a quente (HIP) ou a moldagem por barbotina, seguida de maquinagem em estado verde, produz peças com forma quase final e porosidade muito baixa.

O que distingue a alumina é a combinação de propriedades que resistem a condições de funcionamento realmente exigentes. A dureza situa-se em torno de 9 na escala de Mohs, a condutividade térmica é considerável para uma cerâmica (20–30 W/m·K, dependendo da pureza) e mantém uma resistência à flexão útil bem acima dos 1200 °C. Resiste também à maioria dos ácidos, álcalis e metais fundidos melhor do que muitas cerâmicas de óxido. Estas características explicam por que razão a alumina é utilizada em meios de moagem, acessórios para fornos, vedantes de bombas, tubos de proteção de termopares, isoladores elétricos e revestimentos anti-desgaste.

Dados comparativos de desempenho, baseados em condições reais de serviço

Alguns anos mais tarde, noutro local, realizámos uma comparação controlada entre esferas de moagem de alumina % 92 e esferas de moagem de alumina % 99, no mesmo moinho de esferas a húmido, para o processamento de uma pasta cerâmica com elevado teor de sílica. Ambas as cargas utilizaram esferas de dimensões idênticas e a mesma velocidade do moinho. Após 2 000 horas de funcionamento, medimos o seguinte:

• Esfera de alumina 92 %: taxa média de desgaste de 0,018 % por hora, em peso. A contaminação por ferro na pasta subiu para 0,035 % após 1 500 horas. A rugosidade superficial das esferas aumentou significativamente, o que reduziu a eficiência da moagem nas últimas 500 horas.
• Esferas de alumina 99 %: taxa média de desgaste de 0,007 % por hora. A acumulação de ferro manteve-se abaixo de 0,008 %. As esferas mantiveram-se mais lisas durante mais tempo, o que nos permitiu manter a distribuição granulométrica pretendida com uma redução global de 12 % no tempo de moagem.

As esferas de maior pureza custam inicialmente cerca de 35 % a mais, mas como o consumo de meios de filtração diminuiu em mais de metade e eliminámos uma etapa adicional de separação magnética a jusante, o custo total por tonelada de pasta acabada foi 22 % inferior com o grau de 99 %.

Observámos padrões semelhantes no que diz respeito aos acessórios do forno. Num forno de cerâmica de porcelana de cozedura rápida, operando em ciclos a 1 220 °C, as placas de alumina 95 % apresentaram uma perda de peso média de 0,8 % após 150 ciclos, enquanto placas comparáveis de cordierite perderam 3,4 % e começaram a ceder. As mantas de alumina também transferiram o calor de forma mais uniforme, o que reduziu a variação de temperatura na carga em cerca de 15 °C e melhorou a consistência da cozedura.

Lições práticas decorrentes da utilização a longo prazo

Nem todas as aplicações exigem a mais elevada pureza. Para muitas peças de desgaste e acessórios gerais para fornos, a alumina 92–95 % oferece o melhor equilíbrio entre desempenho e custo. Acima dos 1 400 °C em atmosferas redutoras ou quando é necessária uma resistência extrema ao choque térmico, torna-se por vezes necessário recorrer à alumina reforçada com zircónia ou a outros compósitos. A alumina é também frágil; o impacto causado pela queda de ferramentas de aço ou pela presença de metais estranhos num moinho pode provocar lascas, pelo que uma boa manutenção e procedimentos de carregamento adequados continuam a ser essenciais.

Por experiência própria, os maiores ganhos surgem quando as equipas deixam de tratar a cerâmica de alumina como um substituto direto e, em vez disso, redesenham o sistema de suporte tendo em conta os pontos fortes do material. Muitas vezes, é possível utilizar secções mais finas devido à maior resistência a altas temperaturas, o que reduz a massa térmica e encurta os tempos de aquecimento e arrefecimento. Um layout adequado dos acessórios do forno, que evite cargas pontuais e permita uma expansão uniforme, também prolonga significativamente a vida útil.

A cerâmica de alumina nunca será a opção mais barata disponível no mercado, mas em ambientes onde o tempo de inatividade, a contaminação ou a substituição frequente acarretam custos reais, continua a proporcionar retornos mensuráveis. As fábricas que monitorizam a vida útil real, as taxas de desgaste e os efeitos a jusante, em vez de se limitarem ao preço de aquisição, são aquelas que continuam a optar pela alumina para as tarefas mais importantes. Quando as condições são adequadas, continua a ser um dos materiais mais fiáveis de que dispomos para manter os processos de alta temperatura e elevado desgaste a funcionar de forma fiável, ano após ano.