Viabilidade da adição de coproduto de siderurgia em massas de revestimento cerâmico. (Feasibility of steel co-product addition in ceramic tile masses)

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1 Viabilidade da adição de coproduto de siderurgia em massas de revestimento cerâmico (Feasibility of steel co-product addition in ceramic tile masses) P. V. C. Rodrigues * ; H. C. Santos, V. S. Silva, C. Labes 2, R. M. P. B. Oliveira, Universidade Federal de Sergipe, São Cristovão, SE, , Brasil. 2 Sinobras, Marabá, PA, , Brasil. * P. V. C. Rodrigues, Cidade Universitária Professor José Aloísio de Campos, Av. Marechal Rondon, s/n, Jardim Rosa Elze, São Cristóvão, Sergipe, , Brasil. paulovinicius-se@hotmail.com Resumo Este trabalho consiste na análise da viabilidade do uso de coproduto da indústria do aço em massas de revestimentos cerâmicos, com foco específico na escória de forno panela que é gerada em fornos de aciaria elétrica. Foi analisada a influência da incorporação de 0%, 5%, 0%, 5% e 20% do coproduto em massa argilosa industrial. Corpos de provas foram produzidos via prensagem uniaxial e posterior queima à 900 C, 000 C e 00 ºC. Em seguida foi realizada uma análise das propriedades tecnológicas das cerâmicas obtidas conforme NBR 388. Os resultados demonstram um aumento na porosidade com o acréscimo do teor de produto, porém observou-se um aumento da resistência à flexão em menores temperaturas. Palavras chave: Coproduto de siderurgia, revestimento cerâmico, propriedades tecnológicas. Abstract This work consist in an analysis of the viability of the use of by-product of the steel industry in ceramic tiles masses, with specific focus in the ladle furnace slag that is generated in electric arc furnace. The influence of the incorporation of 0%, 5%, 0%, 5%, and 20% of the byproduct in the industrial clay mass was analyzed. Specimens were produced by uniaxial pressing and subsequent sintering at 900 C, 000 C e 00 ºC. Then a analysis of the technological properties of the obtained tiles was made according the NBR 388. The results indicate that porosity increase with the slag addition, however there was an increase in the flexural strength at lowest temperatures. Keywords: by-product of steel industry, ceramics tiles, technological properties. 2230

2 INTRODUÇÃO Ultimamente sustentabilidade tornou-se algo de fundamental importância na sociedade. Sendo cada vez mais procuradas atividades que tragam algum benefício à natureza. Nesse contexto, a reciclagem de resíduos é cada vez mais buscada. Além de integrar as questões ambientais, a reciclagem deve contemplar questões técnicas e econômicas e, portanto, necessário uma análise de viabilidade em geral. A siderurgia é uma atividade bastante importante no Brasil e segundo o instituto Aço Brasil é atualmente o maior parque industrial de aço da América do Sul e o maior produtor da América Latina. Porém a siderurgia, como maioria das atividades industriais, gera uma quantidade significativa de resíduos. Alguns desses resíduos apresentam algumas propriedades que permitem a aplicação em diversas áreas sendo, portanto, identificados como coproduto. Um dos coprodutos obtidos na siderurgia é a escória, que pode ser obtida tanto na fase redutora dos minérios para a obtenção do ferro-gusa quanto na fase de produção do aço (chamado também de refino). Ela traz prejuízos ambientais, quando mal disposta no meio ambiente, e dispêndios econômicos referentes ao seu transporte aos lugares de descarte. Já existem diversos estudos [2-4] usos da escória, principalmente na engenharia civil, apesar disso, a produção dela não corresponde com a sua utilização nessas aplicações, sendo necessária a busca de novos destinos para a mesma. O presente estudo torna-se importante na medida em que busca trazer um maior valor agregado a escória de forno panela, além de analisar a viabilidade de uma nova destinação para esse coproduto e tem como principal objetivo analisar a viabilidade do uso de coproduto da indústria do aço em massas de revestimento cerâmico, com foco específico na escória de forno panela que é gerada em fornos de aciaria elétrica. MATERIAIS E MÉTODOS Matérias-primas A massa argilosa industrial foi fornecida pela cerâmica Escurial, empresa localizada no Distrito Industrial de Nossa Senhora do Socorro, Sergipe. O coproduto escolhido foi a escória gerada na unidade de aciaria elétrica e fornecida pela SINOBRAS, siderúrgica localizada no distrito industrial de Marabá, Pará. 223

3 Metodologia Inicialmente foi realizado o beneficiamento da escória de aciaria, para que pudesse ser utilizada, através do processo de moagem via úmido em moinho de bolas seguido de secagem em estufa a 00 C por 24h e destorroamento em almofariz e pistilo de ágata. Logo em seguida, caracterizaram-se os materiais através das técnicas de raios X. Para isso foram realizados diversos ensaios com diferentes propósitos. Para se determinar a composição química, executou-se uma análise com Espectrômetro de Fluorescência de Raios X Bruker S8-Tiger 4KW. Além disso, realizou-se a análise estrutural por difração de raios X em difratômetro Shimadzu LabX XRD-6000, as amostras foram preparadas pelo método do pó. Para determinação da densidade real, utilizou-se a norma ME 093/094. Produziram-se corpos de provas via prensagem uniaxial, utilizando uma prensa hidráulica manual com capacidade de 5 ton. Foram conformados 5 corpos de provas para cada formulação (conforme a tabela ), as amostras foram queimadas a três temperaturas distintas (900 C, 000 C e 00 ºC) em forno do tipo mufla da Jung, 5 corpos de prova para cada temperatura. Em seguida foram determinadas as características tecnológicas das cerâmicas obtidas: absorção de água, porosidade e módulo de resistência a flexão em três pontos. Tabela Formulações e teores das matérias-primas Formulação Teor de escória % Teor de argila % Com o intuito de verificar os possíveis usos permitidos pela plasticidade da mistura fezse uma determinação da influência do teor do coproduto nos índices e limites de plasticidade da massa argilosa, característica bastante importante para determinar a facilidade com que esse material poderá ser processado via extrusão a vácuo. Determinaram-se os Limites de Atterberg conforme as normas: NBR 6459, para o limite de liquidez, e NBR 780, para o limite de plasticidade. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados da análise química obtidos através do Espectrômetro de fluorescência de raios X encontram-se na tabela

4 Tabela 2 Análise química da escória e da massa argilosa industrial Componente CaO MgO SiO2 Fe2O3 Al2O3 Ca2O3 K2O S MnO TiO2 Concentração 53,34 0,06 33,45 0,06 2,60 0,00 0,003 0,49 0,4 0,304 (%) Componente SiO2 CaO MgO Al2O3 Fe2O3 K2O Na2O Concentração 57,97 9,0 2,88 7,52 7,5 3,53,0 (%) Analisando a composição química da escória de forno panela, observa-se que o CaO é o óxido com maior percentual na composição, e posteriormente o SiO2 e o MgO, e esses resultados corroboram com os dados da literatura [7-9]. O maior teor de CaO na escória de forno panela se deve ao uso de cal no processo com a finalidade de aumentar o ph deixando o meio básico, e consequentemente, estabilizar o fósforo na escória durante o refino primário do aço no forno elétrico a arco. Os tipos de cal utilizada no processo são a cal calcítica e a cal dolomítica, esta última contém alto teor de óxido de magnésio (entre 5-30%), a fim de proteger o refratário da linha de escória, assim como diminuir o uso de fluidizante no forno elétrico e no forno panela. Além disso, a cal também é utilizada para diminuir a temperatura de fusão da carga e escorificar as impurezas [2]. A presença do magnésio na escória de deve ao uso de cal dolomítica, dos refratários e de carburantes ricos em MgO. A presença de silício, ferro, alumínio, enxofre e fósforo são devido ao processo de refino nos fornos elétricos a arco para remoção dessas impurezas na carga. Para que esse processo de remoção ocorra e esses elementos migrem para a escória, é injetado oxigênio no banho, pois esses metais possuem afinidade com oxigênio, consequentemente, há a formação de óxidos com esses elementos o que farão parte da escória de forno panela [0]. A composição química da massa argilosa industrial é resultado de uma mistura de vários tipos de argila que a Escurial Revestimentos Cerâmicos utiliza para produzir as placas cerâmicas de revestimento. A Figura representa os resultados da análise estrutural obtidos por Difração de raios X para a escória de forno panela. 2233

5 Intesidade (u.a) Calcita magnesiana 2- Quartzo 3- Oxido sulfurico de grafite 4- Oxido de calcio magnésio aluminio (graus) Figura Difratograma de raios X da escória de forno panela. A Figura representa o difratograma de raios x da EFP. Observa-se a presença das fases cristalinas de calcita magnesiana, quartzo, grafite de óxido de enxofre e óxido de cálcio magnésio alumínio. A calcita magnesiana é uma fase cristalina com estrutura semelhante a calcita, entretanto, os íons de Mg substituem os íons de Ca na rede cristalina. Dependendo do teor de Mg na composição, pode existir a fase calcita ou calcita magnesiana []. Na literatura, a fase cristalina mais encontrada é a calcita [7-9,2]. Entretanto, os teores de MgO presente na composição da escória encontradas na literatura foi inferior a 0% [7-9,2] e a escória de forno panela utilizada neste trabalho foi acima de 0%. A fase quartzo também é encontrada na análise estrutural da escória em outros trabalhos [2] quando o silício se combina com oxigênio. Entretanto, em outros trabalhos o silício combina-se com o cálcio e o oxigênio formando a fase ingesonita [7], ou a fase cálcio-olivina [7,9]. Outra fase que está presente é o óxido sulfúrico de grafite, possivelmente porque o oxigênio que é utilizado no processo pode oxidar o enxofre e posteriormente combinar-se com o carbono presente no aço. Entretanto em outros trabalhos é mais comum o enxofre reagir com o cálcio, o oxigênio e o silício, formando a fase jasmundita [7-9, 2], ou quando reage apenas com o cálcio e o oxigênio formando a fase anidrita [3]. O óxido de cálcio magnésio alumínio também está presente no difratograma. Os dados da literatura relatam que as fases brucita e periclase são as mais comuns em escória que contém magnésio, e as fases aluminato, mayenita e aluminato de cálcio hidratado para as escórias que possuem alumínio da composição [7-9,2,3]. As fases presentes na EFP são muito dependentes do tipo de carga que é utilizada para alimentar o forno elétrico a arco, assim como os teores de óxidos 2234

6 Intensidade (u.a) presentes na composição. Esse fato explica a grande variedade de fases obtidas em diversos trabalhos, pois cada escória tem uma composição muito particular que depende do processo de produção [7-9,2,3]. A Figura 2 representa os resultados da análise estrutural obtidos por difração de raios X para a massa argilosa: ;2;3 - Biotita 2- Celadonita-aluminio 3- Osumilita 4- Gibbsita 5 - Goethita 6 - Quartzo 7 - Caulinita 8 - Anatase ;2; ;3 2;5;7;8 6;4;3 2 ;2 ;2;7 3;4;7 ;2;3;7 4; (graus) Figura 2 Difratograma de raios x da massa argilosa A Figura 2 representa o difratograma da massa argilosa. Observou-se a presença das fases biotita, celadonita-alumínio, osumilita, gibbsita, goethita, quartzo, caulinita e anatase. As fases cristalinas de quartzo, gibbsita, caulinita e goethita são tipicamente encontradas em argilas obtidas do cauliníticas [4]. A osumilita é uma fase muito presente em rochas metasomáticas e metamórficas [5]. As diferentes fases cristalinas presentes na composição da massa argilosa são devido ao ajuste da composição da massa para obter as condições necessárias para o processo produtivo de placas cerâmicas. No ensaio de densidade real, a densidade para a escória foi de 2,62 g/cm 3 enquanto para a argila o valor da densidade obtida foi de 2,6 g/cm 3. Os valores são similares e indicam uma boa compatibilidade na conformação por prensagem. A Figura 3 mostra os resultados acerca da absorção de água e da porosidade dos corpos de provas para cada teor de coproduto e temperatura de queima. 2235

7 Figura 3 Porosidade e absorção das cerâmicas em diferentes temperaturas Observa-se que o acréscimo da escória na composição acarreta num aumento de porosidade e conseqüentemente um aumento da absorção de água. Isso provavelmente devese ao fato da presença de carbonato de cálcio, que na temperatura de sinterização se decompõe liberando CO2 gerando porosidade. Esse aumento de absorção de água apesar de ser aceitável em revestimentos porosos, até certo limite, em geral não é benéfica. Os resultados obtidos com o ensaio de flexão em três pontos estão presente na Figura 4 referentes as temperaturas de sinterização de 900 ºC, 000 ºC e 00 ºC. Figura 4 Resistência à flexão em três pontos em função do teor de coproduto nas cerâmicas. Observa-se que para temperaturas de 900 C e 000 C ocorreram picos de resistências nas concentrações de 0% e 5% respectivamente enquanto que na temperatura de 00 C ocorreu somente o decréscimo da resistência com o aumento da concentração do coproduto. Isso provavelmente se deve ao fato de a adição dessa escória afetar de duas maneiras na resistência do material. Por um lado, ela aumenta a porosidade, afetando negativamente, e por outro lado ela diminui a temperatura de sinterização alcançando maiores valores de resistência em temperaturas menores. Em Importância do Carbonato de Cálcio na Fabricação de Tijolos, Oliveira et al [5] demonstra a relação de aumento de resistência com o acréscimo de 2236

8 certo teor de calcário, mesmo com o aumento de porosidade. Como o Calcário, a escória possui carbonato de cálcio sendo este então o responsável por esse comportamento. Oliveira, José atribui essa melhoria a reações químicas entre o óxido de cálcio (que surge da decomposição do carbonato em altas temperaturas) e o quartzo bem como com os componentes da decomposição dos argilominerais. Observando esse comportamento de aumento de resistência a flexão, mas um aumento de porosidade, viu-se necessário analisar a possibilidade da utilização desse coproduto para outros usos de cerâmica. Para isso verificou-se a progressão dos limites de Atterberg com a adição da escória. Com eles foram obtidos os índices de plasticidade para cada formulação. Os resultados obtidos de Índice de Plasticidade e Limite de Plasticidade para cada porcentagem encontram-se na Figura 7 e na Figura 8 respectivamente. A Figura 9 apresenta o diagrama relacionando o índice de plasticidade e o limite de plasticidade com o intuito de verificar se a massa formada com a adição permaneceria em condições aceitáveis para a extrusão, como limite aceitáveis para a extrusão utilizou-se o estudo de Santos et al.[6] Figura 7 Limite de plasticidade pela concentração de coproduto Figura 8 Índice de plasticidade pela porcentagem de coproduto 2237

9 Figura 9 Pontos obtidos para as massas estudadas e os limites para a extrusão Observa-se uma grande diferença do Limite de plasticidade e Índice de plasticidade com a adição inicial do coproduto, porém adicionando cada vez mais, menor será a influência desse acréscimo na mudança desses parâmetros. O acréscimo de escória acarreta numa diminuição da facilidade a extrusão, porém sempre se mantendo em um limite aceitável. CONCLUSÕES O acréscimo desse coproduto para revestimento cerâmico pode não ser a melhor opção se existir uma exigência maior quanto à porosidade e à absorção de água. Porém adições em até 0% e 5% resultam num aumento de resistência a flexão para as respectivas temperaturas de queima de 900 C e 000 C. Isso se torna benéfico na medida em que possibilitará a obtenção de produtos cerâmicos mais resistentes a menores temperaturas gerando uma economia de recursos energéticos. O estudo sobre os Limites de Atterberg demonstra a possiblidade de extrusão dentro de limites aceitáveis, apesar de uma diminuição da facilidade com o acréscimo da escória, indicando que é viável o uso dessa escória para outros materiais cerâmicos que permitam uma maior absorção de água e cuja resistência não torne necessário a sinterização da mesma em temperaturas superiores a 000 C. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao processo CNPq 45826/204-3 e as empresas SINOBRAS e Escurial Revestimentos. P. V. C. Rodrigues agradece a Capes pela bolsa de Iniciação Científica do Programa Jovens Talentos para a Ciência. 2238

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