ESTUDO DO APROVEITAMENTO DA ESCÓRIA DE ALTO FORNO DAS SIDERÚRGICAS DE MARABÁ-PA PARA FABRICAÇÃO DE MATERIAL CERÂMICO A. C. M. Moreira 1 ; D. S. Costa 2 1-Bolsista de Iniciação Científica - Engenharia de Minas e Meio Ambiente Universidade Federal do Pará - Campus Universitário do Sul e Sudeste do Pará, CEP: 68505-080 Marabá PA Brasil 2-Engenharia de Minas e Meio Ambiente Universidade Federal do Pará - Campus Universitário do Sul e Sudeste do Pará, CEP: 68505-080 Marabá PA Brasil. Fone: (94) 2101-5900 E-mail: denilson@ufpa.br RESUMO Neste trabalho, estudou-se o processo de fabricação de material cerâmico obtido por prensagem, utilizando como matérias-primas: escória de alto forno e argila provenientes do Município de Marabá-PA. Foi avaliada a influência das variáveis de entrada granulometria, proporção de escória e temperatura de secagem dos corpos de prova, por meio de um planejamento fatorial completo em dois níveis. As variáveis de resposta analisadas foram escolhidas dentre as que têm maior probabilidade de afetar a qualidade do produto acabado: tensão de ruptura à flexão (TRF) e absorção de água (AA). Foi obtido um modelo matemático, para cada resposta, capaz de predizer adequadamente as variáveis de resposta, em função das variáveis de entrada estatisticamente significativas. Os resultados mostraram que o uso controlado de escória misturado à argila para fabricação de produtos cerâmicos é tecnicamente viável, demonstrando também viabilidade para ser uma alternativa eficiente na diminuição de problemas de poluição. PALAVRAS-CHAVE: escória; argila; cerâmica. INTRODUÇÃO A crescente industrialização da sociedade moderna, nas últimas décadas, tem levado, de várias maneiras, a um drástico aumento na degradação do meio ambiente. Uma das formas dessa degradação é o lançamento de rejeitos industriais em corpos d água ou no solo. Os estudos sobre a redução desses resíduos apontam para a necessidade de mudanças nos processos industriais, mas essas soluções nem sempre são aceitas, porque afetam a produção ou requerem maiores investimentos. Por isso, a reciclagem de rejeitos tem sido a prática mais adotada. Além de valorizar, de certa 2044
forma, aquilo que antes era considerado lixo, o reaproveitamento contribui para a diminuição dos impactos ambientais. A escória é um sub-produto inevitável nos processos siderúrgicos, sendo constituída em sua maior parte de aluminossilicatos de cálcio sob a forma vítrea. Ela resulta da combinação dos minerais da ganga do minério de ferro, das cinzas do coque (ou carvão) e do calcário ou dolomito utilizados como fundentes (1). Atualmente, oito siderúrgicas estão em funcionamento na região de Marabá-PA contando cada uma, em média, com três altos fornos a carvão vegetal, que geram, em torno de 800.000 toneladas de escória por ano. E a tendência é este número aumentar, já que existem três siderúrgicas em fase de implantação. Neste sentido, há a necessidade do aproveitamento destes resíduos, provenientes da indústria siderúrgica, que possuem normalmente características muito interessantes para a indústria cerâmica (2). Neste trabalho, teve-se por objetivo analisar experimentalmente o processo de obtenção de produtos cerâmicos com características desejáveis para a fabricação de tijolos de alvenaria, tijolos furados e telhas. Para isto, utilizou-se escória de alto forno e argila como matérias-primas. METODOLOGIA Matérias-primas A escória, utilizada neste trabalho, foi gentilmente cedida pela empresa siderúrgica COSIPAR, localizada no Município de Marabá-PA. A argila foi adquirida no Município de Itupiranga-PA. Planejamento experimental Baseado em recentes trabalhos publicados na área (3, 4 e 5), verificou-se que as principais variáveis de entrada (fatores) que podem apresentar alguma influência nas propriedades do material cerâmico acabado são: granulometria, proporção de escória e temperatura de secagem. As variáveis de resposta analisadas foram: Tensão de Ruptura à Flexão (TRF) e Absorção de Água (AA), sobre as quais foram avaliadas as influências isoladas e/ou combinadas dos fatores que mostraram significância estatística para estas respostas. Para verificar estas influências foi utilizado um Projeto Fatorial Completo em dois níveis, com repetições no ponto central. O nível de significância (α) utilizado foi de 0,05. 2045
Na Tabela 01 estão apresentadas as variáveis de entrada originais e codificadas, e seus respectivos níveis utilizados no Projeto Fatorial Completo. Tabela 01 Variáveis de entrada e seus respectivos níveis. Variáveis Níveis - 1 0 + 1 X 1 Granulometria (µ) 63,5 89,5 127 X 2 Proporção de Escória (%) 20 35 50 X 3 Temperatura de Secagem (ºC) 80 100 120 Este Projeto Fatorial Completo 2 3 gerou 8 experimentos. No entanto, para verificar a reprodutibilidade das corridas bem como o efeito de curvatura, realizaramse mais 4 repetições no ponto central, totalizando 12 experimentos. Os experimentos foram sorteados (aleatorizados) com o objetivo de minimizar os erros experimentais. O efeito de interação de três fatores não foram analisados neste trabalho, pois raramente a interação de mais de dois fatores é estatisticamente significativa para a resposta (6). Analisou-se os resultados obtidos a partir da matriz de experimentos, com o auxílio do aplicativo Statistica 7.0. Conformação dos corpos de prova Os corpos de prova foram conformados em uma prensa hidráulica, que possui uma superfície móvel (punção) e outra fixa (estampo). Curva de secagem Neste trabalho a curva de secagem foi feita com o objetivo de definir o tempo de secagem para os experimentos. Após serem conformados, os corpos de prova com as variáveis de entrada no ponto central, foram colocados em estufa, e então, foram retiradas as medidas de perda de massa em tempos pré-determinados até que as mesmas não sofressem mais variações, definindo, assim, o tempo de secagem adequado. Secagem dos corpos de prova Os corpos de prova, conformados com todas as combinações possíveis de níveis, foram colocados em estufa com circulação forçada de ar por 120 min, onde a temperatura desejada foi controlada por um termostato. O tempo de 120 min utilizado como parâmetro, foi definido através da curva de secagem do item 2.4. A velocidade do ar na estufa foi de 1 m/s medida em um anemômetro. 2046
Queima dos corpos de prova Logo após a secagem, os corpos de prova foram levados à um forno tipo mufla a uma temperatura de 1050 ºC por 3 horas para realização da queima. Determinação das propriedades cerâmicas Após a queima dos corpos de prova, determinou-se as propriedades cerâmicas do produto acabado, segundo a metodologia adotada por Santos (1989) e recomendadas pelo IPT (Instituto de Pesquisa Tecnológica) e foram as seguintes: tensão de ruptura à flexão (TRF) e absorção de água (AA). RESULTADOS E DISCUSSÃO Curva de secagem A curva de secagem obtida para corpos cerâmicos fabricados a temperatura de 100 ºC, proporção de escória de 35% e partículas com granulometria de 89,5 µm, está mostrada na Figura 01, na qual M/M 0 representa a relação adimensional entre a massa atual e a massa inicial de material e t o tempo de secagem. 1,000 0,996 0,992 M / M 0 0,988 0,984 0,980 0,976 0,972 0 50 100 150 200 250 300 350 t (min) Figura 01 Perda de massa em função do tempo na temperatura de 100ºC. Pela Figura 01, observou-se que no tempo de 120 min não há mais variação na perda de massa do corpo de prova. Portanto, na temperatura de 100 ºC, não há necessidade de maior dispêndio de tempo, visto que nestas condições o equilíbrio é alcançado. Esta afirmação é confirmada pelo teor de umidade do material após a secagem que foi de 0,09%. Por esta razão, neste trabalho utilizou-se o tempo fixo de 120 min para todas as corridas experimentais. 2047
Análise dos resultados através do projeto fatorial completo A Tabela 02 mostra a matriz de experimentos gerada pelo Projeto Fatorial Completo em dois níveis, com quatro repetições no ponto central, contendo as variáveis de entrada codificadas e os resultados das variáveis de resposta TRF (em MPa) e AA (em %). A ordem de execução das corridas experimentais também está apresentada na Tabela 02. Tabela 02 Matriz de experimentos com os resultados das variáveis de resposta. Corrida Ordem X 1 X 2 X 3 TRF(MPa) AA (%) 1 9-1 -1-1 5,59 22,13 2 3 +1-1 -1 4,27 20,97 3 2-1 +1-1 8,34 18,86 4 8 +1 +1-1 7,81 18,52 5 10-1 -1 +1 4,32 21,32 6 7 +1-1 +1 3,98 20,82 7 12-1 +1 +1 8,65 18,36 8 1 +1 +1 +1 7,17 18,31 9 6 0 0 0 6,59 20,00 10 4 0 0 0 7,24 20,33 11 11 0 0 0 5,62 20,45 12 5 0 0 0 6,81 20,14 Análise dos resultados para a variável de resposta TRF: A análise da variância (ANOVA) mostrada na Tabela 03 é uma avaliação da significância dos efeitos das variáveis de entrada na resposta TRF. Nesta Tabela, as estatísticas F (Fisher) e P (Probabilidade) são as ferramentas utilizadas na análise dos efeitos. Tabela 03 Análise da variância (ANOVA) para a variável de resposta TRF. Efeitos Soma dos Graus de Média Teste Probab. Quadrados Liberdade Quadrática (F) (P) Curvatura 0,238 1 0,238 0,507 0,515 X 1 1,683 1 1,683 3,591 0,130 X 2 23,839 1 23,839 50,860 0,002 X 3 0,446 1 0,446 0,952 0,384 X 1 X 2 0,015 1 0,015 0,032 0,865 X 1 X 3 0,000 1 0,000 0,000 0,988 X 2 X 3 0,189 1 0,189 0,403 0,559 Erro 1,875 4 0,468 - - Total 28,287 11 - - - 2048
A partir dos resultados apresentados na Tabela 03, verificou-se, pela ordem de grandeza dos valores numéricos da coluna de probabilidade (P), que somente a variável de entrada X 2 (proporção de escória) influencia a resposta TRF. Nesta variável, o teste de hipótese nula é rejeitado, pois o valor de P = 0,002 é menor do que α = 0,05. Esta mesma conclusão pode ser evidenciada também pelo valor de F para esta variável que foi de 50,860. A tabela também mostrou que não houve efeito de interação entre fatores. Verificou-se também que a curvatura não é significativa, mostrando que a resposta TRF varia linearmente com a proporção de escória, na faixa estudada. A figura 01 nos ajuda a visualizar melhor os resultados do experimento. 9 8 7 TRF 6 5 4 3 Escória 20% 50% Escória 20% 50% Temperatura: 80ºC Granulometria: 63,5 µ m Granulomet ria: 127 µ m Temperatura: 120ºC Figura 01 Variação da resposta TRF com os níveis dos três fatores. A Figura 01 mostra claramente o efeito da proporção de escória na resposta TRF. Elevando o valor desta variável do nível mais baixo (20 %) para o mais alto (50 %) há um aumento na TRF. Isto pode ser devido à presença de SiO 2, Al 2 O 3 e CaO que durante a queima fazem com que o corpo de prova adquira uma maior resistência (1). Verificou-se também, pela Figura 01, que houve um aumento da resistência mecânica com a diminuição da granulometria da matéria-prima. Pós com menor granulometria tendem a gerar uma microestrutura mais refinada (menor tamanho de grãos). 2049
Obtenção e análise do modelo estatístico: Dispondo-se do único termo influente na resposta TRF, propôs-se um modelo estatístico, utilizando-se o coeficiente de regressão e a variável codificada estatisticamente significativa para a resposta (X 2 ), representado pela Equação A: ) Y = 64,9341+ 17,5975X 2 (A) O modelo linear obtido, representado pela Equação A, descreve satisfatoriamente os dados experimentais dentro da região estudada neste trabalho, visto que o coeficiente de determinação R 2, que representa a proporção de variabilidade em torno da média que pode ser explicada pela equação de regressão, foi igual a 93,38 %. Análise dos resultados para a variável de resposta AA: Na Tabela 04 está apresentada a análise de variância (ANOVA) para a variável AA. A estatística P representa a probabilidade que cada variável possui de estar na região de hipótese nula e não influenciar estatisticamente a resposta. Nesta situação o efeito não é confundido com erros aleatórios ou perturbações no processo (ruídos). Tabela 04 Análise da variância (ANOVA) para a variável de resposta AA. Efeitos Soma dos Graus de Quadrado Teste Probab. Quadrados Liberdade Médio (F) (P) Curvatura 0,270 1 0,270 7,938 0,048 X 1 0,525 1 0,525 15,392 0,017 X 2 15,652 1 15,652 458,625 0,000 X 3 0,348 1 0,348 10,214 0,033 X 1 X 2 0,201 1 0,201 5,907 0,072 X 1 X 3 0,112 1 0,112 3,305 0,143 X 2 X 3 0,007 1 0,007 0,228 0,657 Erro 0,136 4 0,034 Total 17,255 11 - - - A partir dos resultados apresentados na Tabela 04, pode-se observar que as variáveis de entrada X 1 (granulometria), X 2 (proporção de escória) e X 3 (temperatura de secagem) são as que afetam a Absorção de Água (AA) do material cerâmico acabado. A tabela mostra que não houve efeito de interação entre fatores, mas houve uma pequena curvatura em relação aos valores dos pontos centrais, 2050
indicando que talvez o modelo linear não seja o mais adequado para representar os dados experimentais. A Figura 02 mostra sinteticamente os resultados obtidos: 22,5 22,0 21,5 21,0 20,5 AA 20,0 19,5 19,0 18,5 18,0 Es cória 20% 50% Escória 20% 50% Temperatura: 80ºC Granulometria: 63,5 µ m Granulometria: 127 µ m Temperatura: 120ºC Figura 02 Variação da resposta AA com os níveis dos três fatores. Nesta Figura 02, verificou-se que aumentando os parâmetros de processo utilizados neste trabalho, que são a granulometria (X 1 ), a proporção de escória (X 2 ) e a temperatura de secagem (X 3 ), observou-se uma diminuição de absorção de água (AA) da peça cerâmica. Sendo que a proporção de escória tem uma influência maior na resposta. Este fato pode ser explicado pelo aumento do nível de densificação da peça sinterizada. Quanto maior o teor de escória na mistura, maior será a quantidade de fase vítrea presente na peça, e conseqüentemente maior será sua densificação. Corpos-de-prova mais densos tendem a absorver menos água. A granulometria da matéria-prima também tem grande influência no sentido de que pós com menor tamanho médio de partículas geram microestruturas mais refinadas, reduzindo a porosidade. Obtenção e análise do modelo estatístico: Dispondo-se dos termos influentes na resposta AA, propôs-se o modelo estatístico em termos de variáveis codificadas conforme a Equação B, 2051
Yˆ = 20,0175 0,2562 X X (B) 1 1,3987 X 2 0, 2085 3 Apesar da pequena curvatura da superfície, o modelo linear pode ser considerado bom, visto que o coeficiente de determinação R 2 foi igual a 0,9920. Este resultado mostra que 99,20 % da variação existente no modelo pode ser explicada pela equação de regressão. CONCLUSÕES A tabela 05 mostra valores limites recomendados para que uma massa cerâmica possa ser usada para a fabricação de tijolos e telhas. Tabela 05 Valores limites recomendados (7). Mistura Cerâmica Prensada Para Tijolos Para Tijolos Para de Alvenaria furados Telhas TRF após a queima 1,96 MPa 5,39 MPa 6,37 MPa AA após a queima - 25 % 20 % Fonte: ABNT in SANTOS, P. S. Comparando a tabela 05 com os resultados obtidos, chegou-se a conclusão que é possível a fabricação de telhas, tijolos de alvenaria e tijolos furados, a partir da mistura argila-escória. Os modelos estatísticos obtidos podem ser satisfatoriamente usados para estimar os valores das respostas para as faixas utilizadas neste trabalho; o uso controlado de escória misturado à argila para fabricação de produtos cerâmicos é tecnicamente viável, demonstrando também viabilidade para ser uma alternativa eficiente na diminuição de problemas de poluição. REFERÊNCIAS 1 CASCUDO, O.; HELENE, P. Produção e Obtenção de Barras e Fios de Aço para Concreto armado. Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP. Série BT/PCC/256. São Paulo SP, 2000. 2 NEVES, R. F.; SOUZA, J. A. S.; DINIZ, R. L.C.J; SILVA, M. P. Caracterização dos Depósitos Sedimentares Sílico Aluminoso Cauliníticos Utilizados como Matéria 2052
Prima para a Indústria de Cerâmica Vermelha das Proximidades de Belém. Reunião Anual da SBPC, São Luis MA, 1995. 3 MAIA, G. B. S. Influência da Secagem na Qualidade de Peças Cerâmicas (Chamota-Argila). Dissertação (Mestrado). Belém PA: DEQ - UFPA, 2004. 4 BARRETO MAIA, A. A. Ensaios experimentais de uma mistura de chamota-argila em um secador tipo túnel. Trabalho de conclusão de curso. Belém PA: DEQ UFPA, 2004. 5 AMARAL, A. S. M. Secagem de Materiais Extrudados em um Secador de Convecção Forçada Utilizando Argila do Estado do Pará. Dissertação (Mestrado). Belém PA: DEQ UFPA, 1999. 6 BOX, G. E. P., HUNTER, W. G., HUNTER, J. S. Statistic for experimenters. New York: John Wiley, p. 510-539, 1978. 7 SANTOS, P. S. Ciência e Tecnologia de Argilas. 2.ed. v. 1. São Paulo: Edgar Blücher, 1989. ESTUDY OF THE RECOVERING OF DISPOSAL OF BLAST FURNACE FROM THE IRON INDUSTRY OF MARABÁ-PA FOR MANUFACTURE PROCESS OF CERAMIC MATERIAL Abstract- In this work, it was studied the manufacture process of ceramic materials obtained by uniaxial pressing, using as prime-sources: waste of blast furnace and clay from the pig iron fabrication plant. It was evaluated the influence of the inlet variables and the granulometry of the particles, waste proportion and the drying temperature of the proof materials, by means of a complete factorial designing in two levels. The response variables analyzed were chosen between those, which possess bigger probability to affect the quality of the finished product: bending strength (BS) and water absorption (WA). A mathematical model was obtained, for each issue, capable of predict the response variables, in function of the statistically significant inlet variables. The results showed that the controlled use of disposal mixed to the clay for the manufacture of ceramic products is technically viable, also demonstrating the viability to be used as an efficient alternative to diminish the pollution problems. Keywords: waste of blast furnace; clay; ceramic; factorial designing. 2053