21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais 09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil

Transcrição

1 AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES CERÂMICAS DE BLOCOS ESTRUTURAIS PRODUZIDOS COM A INCORPORAÇÃO DE REJEITO DE FERRO E COM MATÉRIAS PRIMAS DA REGIÃO SUDESTE DO PARÁ Amoury-Neto, J.S. (1); Pires-Gonçalves, R.B. (2); Hildebrando E.A. (3); Fagury-Neto, E. (4) Trav. Lauro Sodré, 310, CEP , Marabá-PA yussiff93_gtm@hotmail.com UNIFESSPA (1), UNIFESSPA (2), UFPA (3), UNIFESSPA (4) RESUMO A utilização de rejeitos como matéria-prima, tem sido investigada em todo mundo, com a finalidade de substituir matérias-primas naturais, obter custos mais acessíveis e reduzir o descarte desses resíduos no meio ambiente, além do fato de que os processos de obtenção de licenças ambientais para a ampliação ou construção de novas barragens de rejeitos, de custos elevados, seriam evitados. Utilizou-se o rejeito de ferro obtido do processo extrativo do minério de ferro das minas da Vale, além de matérias primas regionais (caulim e filito) para a confecção dos blocos estruturais. Inicialmente foram fabricados 36 corpos de provas os quais foram sinterizados nas temperaturas de 1323,15, 1423,15 e 1523,15 K com patamar de queima de 3 horas, avaliando as propriedades tecnológicas: densidade aparente, absorção de água, resistência a flexão, porosidade aparente e retração linear. Os resultados foram positivos com módulos de ruptura de 12,76 Mpa e absorção de água de 0,82%. Palavras-chave: rejeito de ferro, caulim, filito, blocos estruturais. INTRODUÇÃO O Brasil tem o segundo maior depósito de minério de ferro do mundo, sendo também um dos maiores exportadores. A maior parte deste minério é transportada por ferrovias. Entretanto, existe ainda um tipo de transporte através de dutos (mineroduto), onde o minério de ferro é misturado com água para formar uma polpa, facilitando o seu transporte. Dando continuidade ao processo na usina de pelotização, esta polpa é submetida a um processo de beneficiamento que tem como objetivo reduzir o seu teor de água. (1) Mais especificamente durante o processo de hidrociclonagem é gerado um rejeito o qual é descartado e depositado em áreas de grande extensão, devido ao enorme volume de rejeito que é produzido. O rejeito de minério de ferro é constituído principalmente de hematita (α- Fe 2 O 3 ), goethita (α-feooh) e quartzo (SiO 2 ). Sua granulometria é adequada para 1897

2 incorporação em cerâmica argilosa, apresentando 96% das partículas com diâmetro esférico equivalente abaixo de 2 μm, passante após o peneiramento em uma peneita de 100 mesh. A utilização de rejeitos como matéria-prima, tem sido investigada em todo mundo, com a finalidade de substituir matérias-primas naturais, obter custos mais acessíveis e reduzir o descarte desses resíduos no meio ambiente. (1) Uma das alternativas em estudo é a sua incorporação em blocos estruturais cerâmicos, devido a sua grande incorporabilidade, e também na fabricação e no desenvolvimento de novos produtos para os diversos tipos de industrias como a cerâmica e a própria siderurgia dependendo de sua granulometria e composição química. (5) Desta forma a incorporação de resíduos industriais em cerâmica vermelha vem se tornando uma prática muito difundida mundialmente e que tem como principal finalidade dar uma destinação final e ambientalmente correta aos resíduos. A variabilidade natural das características das argilas e o emprego de técnicas de processamento relativamente simples para fabricação de cerâmicas vermelhas, tais como blocos de vedação e telhas, facilitam a incorporação de outros tipos de materiais. Alguns destes materiais na forma resíduos até facilitam o processamento e melhoram a qualidade do produto final. (6) O presente trabalho analisa qual efeito que o rejeito de ferro obtido do processo extrativo do minério de ferro na mina da Vale em Carajás PA, juntamente com matérias primas regionais (caulim e filito) produz nas propriedades físicas e mecânicas das formulações, em composições e temperaturas variadas. MATERIAIS E MÉTODOS Os materiais empregados foram rejeito de ferro (Serra dos Carajás), caulim in natura (Imerys RCC S.A.) e Filito (Laboratório de Cerâmica UFPA Campus de Marabá). As formulações foram desenvolvidas paralelamente e os produtos foram caracterizados segundo a metodologia a seguir. Foram fabricados 36 corpos de provas, de acordo com os procedimentos descritos a seguir. Primeiramente peneirou-se as três matérias-primas (rejeito de ferro, caulim e filito), numa peneira de abertura de 100 mesh Tayler, em seguida misturaram-se as três matérias-primas em um moinho de bolas durante 45 min para cada formulação (I, II e III) em teores pré-estabelecido de acordo com a Tab

3 FORMULAÇÃO REJEITO DE FERRO (%) CAULIM (%) FILITO (%) I II III Tab. 1- Formulações Propostas Os corpos de provas foram prensados em uma matriz de aço retangular com dimensões especificas (6 cm x 2 cm). A sinterização ocorreu nas temperaturas de 1050 C, 1150 C e 1250 C em forno elétrico, sendo processados 12 corpos de prova de cada formulação, para cada uma das três temperaturas. RESULTADOS E DISCUSSÕES A Fig. 1 mostra o DRX do rejeito de ferro onde observamos uma predominância de hematita, com menor porcentagem de goethita e gibbsita e a Tab. 2 mostra a análise química por espectroscopia de plasma do rejeito de ferro. Fig. 1- Difratograma de raios-x do rejeito de ferro em diferentes faixas granulométricas. (5) Fe Al Mn P Ca K Mg Ti (%) (%) (%) (%) ppm ppm ppm ppm 64,0 0,8 0,9 0, Tab. 2- Análise química por ICP do rejeito de ferro. (1) Para determinação das propriedades cerâmicas dos produtos foram realizados testes de massa específica aparente, absorção de água, porosidade aparente, retração linear e ensaio mecânico de flexão que serão descritos a seguir. 1899

4 DENSIDADE APARENTE (DA) A densidade aparente consiste na relação entre a massa seca do corpo e o seu volume interior, o que inclui a porosidade aberta presente. A densidade aparente será determinada através do método de Arquimedes, segundo a expressão: (2) (A) Onde ms corresponde a massa seca, mu a massa úmida e mi a massa imersa da amostra. A Fig. 2 se refere ao resultado da densidade aparente em função da temperatura de sinterização das formulações. Pode-se notar que a densidade das formulações aumenta linearmente com a temperatura, resultando em um material com maior densificação em todas as formulações a 1250 C. O fato do rejeito de ferro agir como fundente nas formulações (II e III), faz com que a densificação seja contínua com o aumento da temperatura. A FIII foi a que apresentou o melhor resultado quando sinterizada a 1250 C. Fig. 2- Densidade Aparente (DA) em função da temperatura de sinterização. ABSORÇÃO DE ÁGUA (AA) A absorção de água é definida como o ganho percentual de massa que tem a amostra, quando está absorve o máximo de água. Estes ensaios serão realizados mergulhando-se a amostra em água por 24 horas, e após este período verificandose sua massa, de acordo com a relação a seguir: (2). (B) A absorção de água tende a diminuir quando a densificação de um material aumenta. Isto ocorre devido à (AA) está diretamente ligada à porosidade aparente. Quanto maior a quantidade de poros no material, maior será a capacidade do mesmo de absorver água. Na temperatura de C, a formulação III foi a que 1900

5 menos absorveu agua, com isso nota-se que quanto maior for o teor de rejeito de ferro o número de poros diminui, e consequentemente, menos agua irá absorver, conforme observado na Fig. 3. Fig. 3- Absorção de água (AA) em função da temperatura de sinterização. POROSIDADE APARENTE (PA) A porosidade aparente é definida como o percentual volumétrico de porosidade aberta existente na amostra. Exprime a relação entre a massa úmida menos a massa seca, sobre a massa úmida menos a massa imersa. (2) (C) A Fig. 4 mostra uma queda na porosidade aparente das amostras de todas as formulações, com o aumento da temperatura de sinterização. Este efeito ocorre devido à eliminação dos poros do material, pela ação do rejeito de ferro em elevadas temperaturas. Na temperatura de 1250 C, a FII apresentou o melhor resultado com cerca de 2 % de porosidade no material. Fig. 4- Porosidade Aparente (PA) em função da temperatura de sinterização. RETRAÇÃO LINEAR (RL) A retração linear consiste na variação das dimensões lineares em porcentagem e seu valor será positivo quando houver retração e negativo quando houver expansão e para tal utilizou-se a seguinte relação: (4) 1901

6 (D) Onde Ls corresponde ao comprimento da peça seca, e Lq corresponde ao comprimento da peça após a queima. A Fig. 5 mostra a retração linear em função da temperatura de sinterização. Nota-se que com o aumento da temperatura as formulações apresentaram aumento considerável de retração linear. Percebe-se que as formulações apresentaram valores aproximados de retração em todas as temperaturas Fig. 5- Retração Linear (RL) em função da temperatura de sinterização. RESISTÊNCIA A FLEXÃO (MRF) O ensaio mecânico de resistência a flexão foi realizado na máquina universal de ensaio Emic, e consiste em ensaiar o corpo-de-prova até a sua ruptura. Este ensaio avalia indiretamente a resistência à tração do corpo de prova, contudo, por ser realizado a frio limita o número de informações dele obtidas. Em termos qualitativos, serve como indicador da resistência à abrasão do material, e o estado de adesão matriz/agregado. Neste trabalho, o ensaio de flexão em três pontos será empregado, no qual o corpo-de-prova será apoiado na parte inferior, em dois suportes equidistantemente afastados, e a tensão será aplicada na parte superior. O módulo de ruptura será avaliado pela equação a seguir: (3) (E) Onde b e h são, respectivamente, largura e altura do corpo-de-prova, P a carga aplicada, L a distância entre os apoios inferiores que mede 50 cm. Os resultados referentes aos ensaios mecânicos das amostras sinterizadas estão apresentados na Fig. 6. O módulo de ruptura à flexão na formulação I se mantém constante em temperaturas superiores a 1150 C devido à ausência de rejeito de ferro, já nas formulações II e III o módulo de ruptura aumenta de acordo com o aumento da temperatura de sinterização, isso acontece devido à presença do 1902

7 rejeito de ferro, que tem como característica, aumentar a resistência mecânica nos materiais. A resistência mecânica de um material tende a aumentar com a maior densificação de um material. O melhor resultado do módulo de ruptura é relativo à FIII, e mostra que o MRF teve um aumento da cerca de 45 % em relação à formulação I (sem rejeito) com a variação da temperatura de 1050 C para 1250 C. Fig. 6- Módulo de ruptura a flexão (MRF) em função da temperatura de sinterização. CONCLUSÃO Ao se analisar os valores dos ensaios físicos realizados (RL, DA, PA, AA) com as formulações sinterizadas, observar-se uma evolução nas propriedades cerâmicas das formulações produzidas, com o aumento da temperatura de sinterização e adição do rejeito de ferro oriundo dos processos de beneficiamento do minério de ferro. A densidade aparente aumentou com o aumento da temperatura de C até C. Por outro lado a absorção de água, bem como a porosidade aparente, diminuíram drasticamente, com valores da ordem de 90% neste intervalo de temperatura. Assim, as temperaturas de queima bem como adição do rejeito mostraram-se parâmetros de grande importância na fabricação blocos estruturais, visto que dependendo da temperatura e teor do rejeito podem-se obter blocos estruturais com boas propriedades cerâmicas, podendo ser empregados em outras aplicações cerâmicas afins. REFERÊNCIAS 1. Souza, C.C.; Vieira, C.M.F.; Monteiro, S.N. Alterações microestruturais de cerâmica argilosa incorporada com rejeito de minério de ferro. Revista Matéria, v. 13, n. 1, pp , SANTOS, P. S. Ciência e Tecnologia de Argilas. São Paulo: Edgard Blucher,

8 3. CALLISTER, William D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 5ª Ed. Editora LTC. Rio de Janeiro, RJ SILVA, A. G. P. Estrutura e propriedade de materiais cerâmicos. 7p WOLFF, Ana Paula. Caracterização de Rejeitos de Minério de Ferro de Minas da Vale. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal de Ouro Preto. Ouro Preto, SOUZA, Charles Cosme de. Efeito da Incorporação de Resíduo de Minério de Ferro nas Propriedades e na Microestrutura de Cerâmica Argilosa do Município de Campos dos Goytacazes. Dissertação de Mestrado. Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro. Campos dos Goytacazes, EVALUATION OF THE CERAMICS PROPERTIES OF STRUCTURAL BLOCKS PRODUCED WITH INCORPORATION OF THE IRON WASTE, AND WITH RAW MATERIALS FROM SOUTHEAST REGION OF PARÁ STATE ABSTRACT The use of tailings as raw material has been investigated worldwide, in order to replace natural raw materials, more affordable and reduce the disposal of these wastes into the environment, besides the fact that the process of obtaining environmental permits for the expansion or construction of new tailings dams with high costs would be avoided. Were used the iron tailings obtained from the extraction process iron ore from the mines of Vale, and regional raw materials (kaolin and phyllite) for the fabrication of structural blocks. Were originally manufactured 36 test samples which were sintered at temperatures of , and K for 3 hours, evaluating the technological properties: bulk density, water absorption, flexural strength, apparent porosity and linear shrinkage. The results were positive with modules of rupture of MPa and water absorption of 0.82%. Key-words: iron tailing, kaolin, phyllite, structural blocks. 1904