ESTUDO DE ESTEATITO PARA UTILIZAÇÃO COMO NÚCLEO DE RESISTOR DE ALTA DENSIDADE

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1 2005 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2005 Santos, SP, Brazil, August 28 to September 2, 2005 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABEN ISBN: ESTUDO DE ESTEATITO PARA UTILIZAÇÃO COMO NÚCLEO DE RESISTOR DE ALTA DENSIDADE Humberto Terrazas Salas, Antônio Carlos Lopes da Costa, João Batista Santos Barbosa, Luiz Carlos da Silva e Francisco de Assis Rocha Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear CDTN/CNEN/MG, Caixa Postal 941-Campus da UFMG- Pampulha, CEP: , Belo Horizonte, MG., Brasil, (31) , salasht@cdtn.br RESUMO Em uma instalação nuclear onde são utilizados resistores de alta densidade de potência, aplicados em um circuito de irradiação de varetas combustível tipo PWR, na verificação da segurança, onde existe a possibilidade de ser produzido um acidente, torna-se necessário que estes resistores sejam comprovados experimentalmente. Para atingir este objetivo existe a necessidade da utilização de um material que se comporte como isolante elétrico e que suporte temperaturas elevadas sem fundir ou ser deteriorado: é aqui onde deve ser utilizado o tipo litológico classificado como esteatito ou pedra sabão. A participação neste projeto faz parte da amostragem e caracterização de esteatito, onde é necessária a escolha do tipo litológico que deve ser usinado para transformarse em núcleo do resistor de alta densidade de potência. As amostras destinadas a este estudo foram adquiridas em uma indústria de beneficiamento de esteatitos, em Cachoeira do Campo Minas Gerais, extraídas de placas para a fabricação de lareiras e outros utensílios domésticos. Estes tipos litológicos foram serrados e avaliados macroscopicamente. Método específico de preparação foi aplicado em amostras destinado à análise química, difração de raios X e testes de aquecimento, bem como também aos estudos petrográficos e de microanálises. As amostras que contêm as menores concentrações de minerais carbonatados e silicatados menos hidratados, apresentam maior resistência a alteração ou deformação física. 1. INTRODUÇÃO Em rochas de esteatito, da região do Quadrilátero Ferrífero, de origem Metavulcânica, provenientes de rochas ultramáficas/ultrabásicas e de idade Arqueana [1], foram estudados três tipos litológicos para se definir as características adequadas que proporcionem suporte a utilização em temperaturas elevadas, sem fundir ou ser deteriorado, quando utilizados como isolante elétrico, no núcleo do resistor de alta densidade de potência. Essas amostras foram fornecidas pela Mineração, Construções, Indústria e Comércio Ltda., de Cachoeira do Campo, Minas Gerais. Nos estudos microscópicos foi determinada uma composição mineralógica predominante de talco Mg 6 [Si 8 O 20 ](OH) 4, clorita (Mg,Al,Fe) 12 [(Si,Al) 8 O 20 ](OH) 16 e anfibólios (antofilita (Mg,Fe +2 ) 7 [Si 8 O 22 ](OH,F) 2 e tremolita Ca 2 (Mg,Fe +2 ) 5 [Si 8 O 22 ](OH,F) 2 ) [2], e de forma subordinada ou escassa, ocorrem, em concentrações variadas, dois tipos de minerais de carbonato (magnesita MgCO 3 e dolomita CaMg(CO 3 ) 2 ) e ainda minerais opacos (pirita FeS 2, pirrotita Fe 6 S 8 -FeS, magnetita Fe +2 Fe +3 2O 4, calcopirita CuFeS 2, ilmenita FeTiO 3 e pentlandita (Fe,Ni) 9 S 8 ) [3]. A composição química das amostras é principalmente SiO 2 entre 31,6 a 35,0%, MgO entre 28,0 a 36,0% e Fe 2 O 3 +FeO entre 7,83 a 11,0%, os demais óxidos encontram-se em teores menores que 1%. A perda ao fogo nestas amostras é elevada, porém varia em cada amostra. Os esteatitos que foram submetidos a estudos petrográficos, mineralógicos, análises química e microanálises, aliados aos testes térmicos nas temperaturas de 1.000, 1200 e o C, demostram maior resistência a alteração ou deformação física quando contêm uma menor concentração de minerais carbonatados e silicatados menos hidratados.

2 2. MATERIAIS E MÉTODOS Para as análises químicas, microanálises, testes de aquecimento e estudos microscópicos foram utilizadas três amostras de rocha de esteatito com 10kg cada uma, em forma de placas de 2 cm de espessura, identificadas como AM-01 (Lurdes), AM-02 (Furquim) e AM-03 (Acaiaca). Estas amostras são provenientes de três corpos de rochas diferentes, destinadas à fabricação de lareiras e outros utensílios normalmente submetidos a elevadas temperaturas. As amostras, macroscopicamente, apresentam-se com texturas afaníticas, onde a maior parte dos seus constituintes mineralógicos são de granulação fina a muito fina, demostrando algumas variedades de coloração nas tonalidades cinza-esverdeada a verde-escura. A amostra AM-01 apresenta-se com porfiroblastos esbranquiçados bem desenvolvidos e euédricos, determinando tamanhos médios a grosseiros. Alíquotas de 1kg de cada amostra foram britadas a uma granulometria inferior à 10 mesh Tyler, aplicando-se britador de mandíbulas e de rolos. Posteriormente, as amostras foram homogeneizadas e quarteadas. Uma alíquota representativa de cada amostra foi retirada para difratometria de raios X, espectrometria de absorção atômica e gravimetria. Fragmentos representativos foram utilizados para efetuar-se as lâminas delgadas e seções polidas Caracterização petrográfica 3. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS Amostra AM-01 (Lurdes) No estudo da AM-01 (Figura 1a) a amostra é constituída essencialmente, predominantemente, por clorita em finíssimas lamelas, que englobam freqüentes minerais opacos de granulação fina, sendo associados ao talco com textura escamosa e, ocasionalmente, existem escassas lamelas de biotita. As finas lamelas de talco, que em parte sobressaem-se pelo maior tamanho, são dispostas caoticamente e determinam concentrações irregulares. Em alguns locais demonstram um incipiente processo de alteração a óxido de ferro. A magnesita é um mineral acessório freqüente e disperso em toda a amostra, ocorrendo, preferencialmente, em porfiroblastos euédricos e bem desenvolvidos. A dolomita, que é de granulação fina, ocorre em cristais subédricos a anédricos, encontrando-se associada às concentrações de talco. Os minerais opacos encontram-se como acessórios freqüentes, principalmente, representados pela pirita, pirrotita e magnetita, sendo escassos a raros a calcopirita, ilmenita e pentlandita Amostra AM-02 (Furquim) Na amostra AM-02 (Figura 1b) está presente a antofilita como mineral essencial. Os minerais opacos ocorrem como acessórios de maior freqüência e a tremolita encontra-se pouco freqüente. Nesta amostra os minerais essenciais predominantes são representados, principalmente, pelo talco e antofilita, sendo que a clorita e a tremolita ocorrem de forma subordinada. O talco é subédrico, constituindo lamelas ou escamas, que contêm finas inclusões de minerais opacos com tamanhos finos a médios, encontrando-se associada, intergranulamente, com os cristais prismáticos a aciculares de antofilita, que às vezes sobressaem-se pelo maior tamanho. A clorita, além de apresentar-se em lamelas finas a médias, está constituindo agregados ou concentrações irregulares em toda a amostra. A magnesita e dolomita estão presentes como minerais acessórios freqüentes, com granulação

3 fina a média e bem disseminados. Os minerais opacos são principalmente representados pela magnetita, ocorrendo, raramente, a pirita, pirrotita e calcopirita. Foi também observada rara presença de titanita, em finíssimos cristais anédricos. 125mµ 125 mµ 125 mµ LP LP LP Figura 1a - AM-01 (Lurdes) Figura 1b - AM-02 (Furquim) Figura 1c AM-03 (Acaiaca) Figura 1. Fotomicrografias dos esteatitos, aspecto textural e composição mineralógica (CLO clorita, TAL talco, MAG magnesita, ANT antofilita, MIO mineral opaco ) LP Luz polarizada Amostra AM-03 (Acaiaca) Na amostra AM-03 (Figura 1c) o talco apresenta-se como mineral essencial predominante, constituindo finíssimas escamas, encontrando-se associado a antofilita. A antofilita é um mineral essencial de menor freqüência, ocorrendo como porfiroblastos prismáticos e aciculares, que, em parte, também constituem concentrações irregulares que são acompanhadas da magnesita. Este último mineral, às vezes, sobressai-se pelo maior tamanho, encontrando-se também associado a uma freqüente presença de minerais opacos com formatos subédricos a anédricos e bem desenvolvidos. A clorita é um mineral essencial de menor freqüência, ocorrendo de forma escamosa ou em lamelas de maior tamanho que, ocasionalmente, são associadas à tremolita com formas euédricas. O mineral opaco predominante nesta amostra é a magnetita, sendo a pirita freqüente e a pirrotita rara Difratometria de raios X As análises por difratometria de raios X, realizadas nas três amostras de esteatito, permitiram a confirmação das principais fases mineralógicas que foram determinadas ao microscópio óptico. Na amostra AM 01 foram determinados a clorita, talco e magnesita, onde os dois primeiros minerais ocorrem como essenciais predominantes, encontrando-se o último como acessório de maior freqüência. Na amostra AM-02 foram determinados a clorita, talco e antofilita, sendo os dois primeiros essenciais predominantes e, o último, um mineral essencial, que ocorre em menor proporção. Na amostra AM-03 foram determinados a clorita, talco, antofilita e magnesita. Nesta amostra o talco apresenta-se de forma predominante, a clorita e antofilita são subordinados, e a magnesita é um acessório freqüente.

4 3.3. Análises químicas Os resultados das análises químicas nas amostras de esteatito (Tabela 1) apresentam variações em seus teores, principalmente nos elementos de maior concentração. Isto é verificado no SiO 3 entre 31,6 a 35,0 %, Fe 2 O 3 entre 2,69 a 7,80%, CaO entre 0,70 a 1,47%, MgO entre 28,0 a 36,0% e CO 3 entre 4,60 a 9,80%. Foi observada também uma variação nos resultados obtidos para os voláteis entre 0,98 a 5,83% a 600 o C e na perda ao fogo entre 4,73 a 13,2% entre 600 e 950 o C. Amostra (%) Tabela 1. Análises químicas das amostras de esteatito Al 2 O 3 SiO 2 Fe 2 O 3 FeO CaO MgO Na 2 O Cr 2 O 3 NiO CO 3 CoO Vol. P.F. AM-01 2,00 31,6 2,69 5,14 0,70 36,0 0,44 0,26 0,18 9,29 0,012 5,83 13,2 AM-02 3,06 35,0 7,80 3,20 1,47 28,0 0,46 0,47 0,15 4,69 0,015 0,98 4,73 AM-03 2,26 32,2 7,16 2,60 0, ,33 0,86 0,12 4,60 0,012 4,35 8,03 Observação: Vol. = Voláteis, PF. = Perda ao fogo Métodos utilizados: SiO 2 por gravimetria e os demais óxidos por absorção atômica 3.4. Estudos microanalíticos Estes estudos foram realizados em seção polida para se conhecer a composição química dos principais minerais constituintes dos esteatitos (Tabela 2). As análises foram realizadas em uma microssonda JEOL, modelo JXA-8900, com espectrômetro de dispersão de comprimento de onda (WDS), por comparação com padrões, utilizando-se condições instrumentais rotineiramente empregadas para os minerais analisados. Os resultados das análises de cada um destes minerais, quando ocorrem em mais de uma das amostras estudadas, não apresentam uma variação significativa em sua composição. Amostra (%) AM-01 AM-02 Tabela 2. Análises de minerais dos esteatitos Al 2 O 3 SiO 2 FeO MgO Cr 2 O 3 CaO MnO CO 2 Total Mineral - - 9,07 40,8-0,25 0, Magnesita - - 2,15 20,3-29,2 0,30 47,9 100 Dolomita 0,09 62,1 2,60 28, ,7 Talco 12,6 32,2 6,96 31, ,9 Clorita 1,19 56,4 3,9 22,1 0,58 12, ,5 Tremolita 0,08 57,5 14,3 25,3 0,02 0, ,9 Antofilita 13,8 31,9 8,35 30,5 1,24 0, ,8 Clorita 0,23 61,6 2,41 29,2 0,03 0, ,4 Talco 0,21 62,1 1,57 29,6 0,04 0, ,6 Talco 0,01 59,0 11,4 27,6-0, ,4 Antofilita AM-03 13,7 32,4 5,20 32,6 1,77 0, ,7 Clorita Observação: O CO 2 foi calculado por diferença e os minerais silicatados não tiveram fechamento de 100% devido a presença do H 2 O, que não foi analisado Tratamento térmico As amostras de esteatito foram submetidas a temperaturas de 1.000, e o C, durante 1 hora, sobre placa de alumina, em forno Mufla fabricado pela Linderberg Inglaterra, utilizando-se corpos de prova com pesos aproximadamente semelhantes (Tabela 3). Nos resultados deste tratamento térmico foi verificada uma maior perda de peso nas amostras que tinham maior concentração de minerais carbonatados (magnesita e dolomita), sendo que,

5 entre os minerais silicatados encontram-se a clorita e o talco. Não foi possível, em algumas amostras, a total recuperação e a determinação de peso quando submetidas a 1400 o C. Isto ocorreu nas amostras AM-01 e AM-02, que se deformaram e colaram-se à placa de alumina devido a um início de fusão sendo que, a AM-02 foi parcialmente recuperada. Tabela 3. Resultados do tratamento térmico de uma hora nas amostras de esteatito Amostras Temperatura Peso inicial Peso após tratamento Perda de peso após ( 0 C) (g) (g) tratamento (%) AM-01 A ,5 56,7 7,12 AM-01 B ,4 52,0 10,7 AM-01 C ,6 - - AM-02 A ,8 81,0 2,88 AM-02 B ,7 86,5 2,92 AM-02 C ,0 - - AM-03 A ,1 58,1 4,66 AM-03 B ,5 42,6 5,44 AM-03 C ,8 41,9 6, Microscopia eletrônica de varredura Através da microscopia eletrônica foram analisadas as amostras submetidas ao tratamento térmico. Observou-se que a o C, principalmente na amostra AM-01, nos porfiroblastos de magnesita houve uma maior deformação e transformação em periclásio (MgO) [4], enquanto os minerais silicatados apresentaram-se alterados ou constituíram pseudomorfos (Figuras 1a, 1b e 1c). À temperatura de o C as três amostras de esteatito exibem um processo de decomposição acentuada dos minerais carbonatados e silicatados. Isto se deu, principalmente, naqueles minerais com maior concentração de água em sua estrutura cristalina, que tiveram maior deformação física (Figuras 1d, 1e e 1g). Porém, são ainda observados pseudomorfos dos minerais originais, tais como anfibólios e minerais micáceos. À temperatura de o C, as três amostras de esteatito apresentam-se com abundantes cavidades circulares de tamanhos variados, parcial vitrificação e recristalização do seus constituintes, com pseudomorfos de minerais opacos (óxidos e sulfetos) (Figuras 1f e 1h). Figura.1a - AM-01.A.7 Figura 1b - AM-01.B.4 Figura 1c - AM-02.A.9 Figura 1d - AM-02.B.8 Figura 1e - AM-02.B.10 Figura 1f - AM-02.C.6 Figura 1g - AM-03.B.15 Figura 1h - AM-03.C.12 Figura 2. Elétron -Fotomicrografias das amostras de esteatito após o tratamento térmico

6 4. CONCLUSÕES Nas amostras classificadas de esteatito, com características variáveis em sua textura, composição mineralógica e química, submetidas a tratamento térmico de 1.000, e o C, observou-se, através da microscópica eletrônica, que estas rochas apresentam maior resistência à alteração ou deformação física, quando contêm menor concentração de minerais carbonatados e silicatados menos hidratados, especialmente na AM-02 e AM-03. AGRADECIMENTOS Ao Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CDTN/CNEN), aos colegas de trabalho pelo desenvolvimento desta pesquisa e ao Laboratório de Microanálise do Consórcio de Física Geologia e Química da UFMG e CDTN/CNEN. REFERÊNCIAS 1. Ladeira E. A., Roeser H.M.P., Tobschall H.J Evolução petrogenética do cinturão de rochas verdes, Rio das Velhas, Quadrilátero Ferrífero, Minas Gerais. In: Simp. Geol. De Minas Gerais, 2, Belo Horizonte, Anais, 2: Deer W. A, Howie R. A., Zussman J An introduction to the rock forming minerals. London, Logman Grou Limited. 696p. 3. Uytenbogaardt W Tables for microscopic identification of ore minerals. New York, Elsevier Publishing Company. 430p. 4. Garcia, L. R. A. Caracterização mineralógica dos minérios de magnesita do conjunto mineiro Pedra Preta-Jatobá-Pomba (Serra das Éguas, Brumado, BA) Tese (Doutorado em Engenharia Mineral) - Departamento de Engenharia de Minas da Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, MG. 152 p.