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Briquetes aglomerados com escória de aciaria produzidos a partir de finos
de lama de alto-forno a carvão-vegetal produtor de gusa para fabricação de
tubos de aço
Isabela Santana de Oliveira Engenheira Mecânica formada pela EEIMVR/UFF-VR Mestre em Engenharia Metalúrgica pela EEIMVR/UFF – VR Doutoranda em Engenharia de Materiais pela EEL-USP Laboratório de Mecânica Aplicada – EEIMVR/UFF – VR Nathália Batista Lopes Matias Técnica em Química Graduada em Química Bacharelado pelo ICEx/UFF - VR Pós-graduanda em Formação Pedagógica para Graduandos não Licenciados em Química – Cruzeiro do Sul Mestranda em Engenharia Metalúrgica pela EEIMVR/UFF – VR Laboratório de Eletroquímica, Polímeros e Cerâmicos – EEIMVR/UFF – VR André Luís de Brito Baptísta Técnico Industrial Metalúrgico Graduado em Administração de Empresas com Ênfase em Gestão de Ciência e Tecnologia Pós-Graduado MBA em Gestão de Ensino, Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação Mestre em Materiais (Processamento e Reciclagem) Laboratório de Metalurgia Extrativa (LAMEX) – EEIMVR/UFF - VR Resumo Palavras-Chaves: Resíduos, Briquetes, Lama, Alto-Forno, Siderurgia Resíduos com teores de ferro e carbono são de interesse para a siderurgia, sendo aglomerados na forma de pelotas ou briquetes. Um dos resíduos gerados, na produção de ferro primário na forma líquida em alto- forno (gusa), é lama, oriunda dos lavadores de gases. A briquetagem consiste na aglomeração de partículas finas através de pressão, auxiliada por aglomerantes, permitindo obtenção de produtos compactados, com forma, tamanho e parâmetros mecânicos adequados. A redução de volume do material, além dos benefícios tecnológicos, permite que materiais finos possam ser transportados e armazenados de forma mais econômica. A recente preocupação ambiental, resultando em leis mais rígidas, além da necessidade de aproveitar economicamente os resíduos e as partículas finas geradas no beneficiamento de minérios, fundentes e combustíveis (carvão mineral , vegetal e coque) fez com que a briquetagem voltasse a ser uma importante alternativa para aglomerar valor econômico Os aglomerantes ou ligantes tem a função de permitir a moldabilidade, e manuseabilidade do material e garantir as propriedades definidas pela utilização do briquete. No presente trabalho estuda-se a influência do uso de escória de aciaria LD (Oxigênio) e FEA (Elétrica) como aglomerante em briquetes de finos de lama de alto-forno que utiliza biorredutor como combustível, no que tange a seu efeito na resistência a compressão diametral.
1 – INTRODUÇÃO
A indústria siderúrgica gera grande quantidade de resíduos, de diferentes composições, durante o processo de fabricação do aço. Podemos citar : escória do alto forno (resultante da fusão dos minérios de ferro para a obtenção de ferro gusa), escória de aciaria (gerada duranteo refino do aço em conversor Linz-Donawitz (LD) e no forno a arco elétrico (EAF)), pó de aciaria (gerado no forno elétrico), pó do alto forno, lama do alto forno e aciaria, carepa (camada de óxido retirada durante os processos de lingotamento e laminação) e resíduos de varrição da fábrica. As indústrias de aço geram em média 30 milhões de toneladas de resíduo por ano no mundo. No Brasil a produção de resíduo é de cerca de 1, milhões de toneladas ao ano, sendo que os principais resíduos siderúrgicos são os pós e as lamas de alto forno, as lamas de laminação, as lamas de aciaria, as poeiras da sinterização, as carepas de lingotamento contínuo, as carepas de escarfagem e os finos de coque. Parte desses resíduos são utilizados como: agregado para pavimentação, agregado para construção de leito para estrada de ferro, estabilização de solos, fertilizantes, produção de cimento, catalisador no tratamento de águas residuais, etc. Através do conhecimento preciso sobre a composição química e estrutural dos resíduos pode-se pensar em formas alternativas de utilização mais nobres para eles. [1] Atualmente a preocupação com a sustentabilidade do planeta é parte indispensável do plano de marketing de qualquer indústria, principalmente daquelas que exploram bens naturais de caráter não renovável, como é o caso da siderurgia. Conforme estabelecido pela Política Nacional do Meio Ambiente, a disposição final de todos os resíduos gerados durante qualquer processo industrial é de responsabilidade da própria empresa geradora. Portanto, ações como “reduzir, reciclar e reutilizar” passaram a fazer parte do cotidiano industrial pois, além de diminuir o volume de resíduos descartados em aterros, há o reaproveitamento de recursos naturais e a redução dos custos de tratamento e disposição final adequados dos rejeitos sólidos. [2] Neste cenário, alternativas de tratamento como a reutilização e a reciclagem apresentam-se como uma solução duplamente benéfica, pois contribuem não apenas evitando que este volume de resíduos seja simplesmente disposto em aterros, mas com a minimização do uso de recursos naturais não renováveis. [3] Para o reaproveitamento da lama respeitando as leis, normas e condições ambientais e que ainda forneçam ganhos econômicos para a indústria siderúrgica, é necessário conhecer : a) Processo gerador do resíduo; b) Características do resíduo; c) Os métodos de reaproveitamento. [4] A lama de alto-forno é obtida através do sistema de tratamento à úmido dos gases que saem do alto-forno. Sua geração é de cerca de 6kg por tonelada de ferro-gusa [2] A reciclagem direta da lama de alto-forno seca é impossibilitada pela presença de elementos indesejáveis como o zinco e chumbo. Assim existem vários tipos de tratamentos que visam a retirada destes elementos para que a lama resultante, rica em ferro, possa ser reciclada. Entre os tratamentos físicos destacam-se a aglomeração (briquetagem, pelotização, aglomeração a quente), o ajuste granulométrico e a secagem. Já os tratamentos químicos abrangem a via pirometalúrgica (volatilização seletiva, escorificação, etc) e a via hidrometalúrgica (lixiviação seletiva, precipitação, cementação, extração por solventes, etc). [2] E, de acordo com Takano et al (2000), devido a granulometria fina da lama seca, são necessários o emprego de técnicas de aglomeração como pelotização, sinterização e/ou fabricação de briquetes. [2, 4, 5] Entretanto, mesmo sendo a técnica mais comum, a sinterização desses resíduos não é a mais indicada, pois tende a diminuir a permeabilidade do leito na carga, consequentemente acarretando a perda de produtividade. Dessa forma, segundo Takano et al (2000), o mais indicado seria a produção de briquetes e a utilização na aciaria. [4, 5] A lama de alto-forno é um resíduo constituído predominantemente por óxidos de ferro e de finos de coque ou carvão vegetal. Tal composição permite-nos duas possíveis rotas para o reaproveitamento
A variação de composição e aspectos entre os resíduos variam muito em função dos procedimentos e características das matérias-primas utilizadas. A Figura 1 apresenta um diagrama de blocos com as principais entradas e saídas do processo de obtenção do aço de ambas as rotas tecnológicas atualmente empregadas. [3] Figura 1 – Diagrama de blocos da obtenção do aço [3] Dentre as classes de resíduos presentes no diagrama, os sólidos são os que apresentam maior potencial para a reutilização e reciclagem, em especial aqueles que possuem teor de ferro em sua composição. Neste grupo encontram-se escórias, lamas, poeiras/pós e carepa. [3] A escória, proveniente dos fornos de redução e refino, é composta por impurezas do minério de ferro/ferro gusa, sucatas, adições e reações ocorridas nos banhos líquidos, como os óxidos e silicatos, e constitui o resíduo de maior volume - cerca de 70%. Sua classificação conforme a norma brasileira NBR 10004 (ABNT, 2004) varia entre a classe IIB - não perigoso e inerte, e a classe IIA - não perigoso e não inerte, considerando o teor de alumínio presente.[3] As lamas por ora representam cerca de 5% dos resíduos, provem do tratamento dos gases por via úmida e são formadas por óxidos de ferro, cálcio, silício, manganês e alumínio. Sua classificação varia entre classe I – perigoso e classe IIA – não perigoso e não inerte, devido à possível presença de elementos tóxicos como cádmio, zinco, chumbo e arsênio.[3] Quando o tratamento dos gases de processo ocorre por via seca, originam-se os pós, cuja geração alcança quase 15% do total de resíduos sólidos. Divididos em pó do alto-forno e pó de aciaria elétrica, ambos são agrupados como classe I - perigoso. O primeiro é composto principalmente de óxidos metálicos e materiais carbonosos; já o segundo contém grande quantidade de metais como zinco, cromo, cádmio e chumbo [3] Por fim, outro resíduo comum ao processo é a carepa, derivada da oxidação da superfície do aço nas etapas finais de lingotamento e laminação. Sua composição se resume à presença de óxidos de ferro, bem como uma grande quantidade de óleo; logo, corresponde à classe I - perigoso, de acordo com a NBR 10004. [ 3 ]
Na Figura 2, são apresentadas as áreas nas quais os resíduos em questão são aplicados. [3] Figura 2 – Resíduos x aplicações [3] Segundo Lobato (2014), são consideradas lamas os produtos obtidos no sistema de lavagem dos gases produzidos durante o processo industrial. Graças à grande quantidade de partículas contida no gás de alto-forno (GAF), o processo de limpeza desse gera um resíduo sólido sob a forma de lama. De acordo com Lima et all (2010), elas são basicamente formadas por óxidos de ferro, silício, cálcio, manganês e alumínio. [4, 1 8, 19] Diferentemente das escórias, as lamas apresentam-se como um problema mais complexo, graças à diversidade das características físicas e químicas, principalmente, à existência de alguns compostos indesejados e perigosos tais como cádmio, chumbo e cromo. O que acaba por dificultar a reutilização ou reciclagem total destas. Assim, algumas vezes tratamentos prévios são necessários para que a lama resultante possa ser reciclada. Caso a recuperação seja impossível ou inviável, a lama deve ser destinada a outros processos produtivos.[3] Conforme Dias (2011), a composição química da lama está distribuída em faixas, conforme o Quadro 1. Vale ressaltar que as proporções podem variar de acordo com a matéria prima empregada na produção. [4, 6] Quadro 1 – Variação da composição da lama de alto-forno conforme o redutor empregado coque ou carvão vegetal [4,6]
Tabela 3 - Composição da escória LD Tabela 4 - Composição de Escória de Aciaria Elétrica Tabela 5 – Composição química da bentonita utilizada As misturas de material finos (Tabela 7) para a confecção dos briquetes cilíndricos ( 3 cm e altura 3 cm) foram executadas em misturador combinado mós e pás, com tempo fixo de 10 minutos. Os materiais eram misturados a seco primeiramente em seguida adicionava-se a água (em partes), deixando a mistura homogeneizar-se antes. A 10% de escórias de aciaria a oxigênio ( LD ), 5% cal, 5% (mistura 50% Calcário + 50% dolomita), água 15% B 10% de escória de aciaria elétrica ( FEA ), 5% cal, 5% (mistura 50% Calcário + 50% dolomita), água 25% C 10% mistura de escórias (50% LD e 50% FEA), 5% cal, 5% (mistura 50% Calcário + 50% dolomita), água 35% D 15% de mistura de 50% de Bentonita + 50% de Amido, 5% cal, 5% (mistura 50% Calcário + 50% dolomita), água 35% Tabela 7 - Composição de Matéria prima dos Briquetes A briquetagem foi feita a frio em prensa tipo macaco hidráulico de acionamento manual, com força de 6 ton e tempo de prensa fixo em 3 minutos. Os ensaios foram conduzidos de acordo com ABNT 12654 e ISO 17025. A seleção de materiais e amostragem foi de acordo com a ABNT 10007. Os corpos de prova foram confeccionados de acordo
com a norma ABNT 7680, 5738 e 13729. O ensaio de compressão diametral foi executado de acordo com a norma ASTM C496 e ABNT 7222. A base foi em média de 500g de finos de lama de alto-forno (Tabela 3), onde se adicionou, os aglomerante da Tabela 7. A granulometria representativa dos finos estava abaixo de 0,042mm, e média de 0,196 mm, com umidade de aproximadamente 28%. A resistência mecânica foi avaliada através do ensaio de compressão diametral dos briquetes medindo-se a força de fratura. Foram executados 10 ensaios para cada mistura briquetada.
4 - RESULTADOS E DISCUSSÃO
O Gráfico 1, mostra o resultado do ensaio de compressão diametral das amostras. Gráfico 1 – Resistência mecânica de briquetes de lama de alto-forno a carvão vegetal A fórmula usadas para o calculo da tensão máxima admissível foi de acordo com a norma ABNT
= 2F / DL A força de fratura do briquete em Newtons (N), avaliada em ensaio de compressão diametral, é o requisito básico usado para se medir o comportamento mecânico deste tipo de produto/matéria prima quando o foco é uso doméstico, para geração de energia ou aquecimento de fornos. Para uso em metalurgia se tem como exigência ao valores de tensão em MPa. [7, 8, 9, 12, 13, 14, 22 , 24, 25, 28, 29, 30, 31]
- Este produto pode ser utilizado em aquecimento industrial, geração de energia, na metalurgia em aplicações que as solicitações mecânicas não sejam elevadas.
- Ele pode ser utilizado em panelas, carros-torpedo, fornos elétricos a arco e a indução e em fornos a cadinho e rotativos 6 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS [1] PEREIRA, T. C. P. ; BATISTA, M. S. - Caracterização de Resíduos Siderúrgicos. Contribuição Técnica Apresentada ao XIX ENMC – Encontro Nacional de Modelagem Computacional e VII ECTM – Encontro de Ciência e Tecnologia de Materiais. 19 a 21 de Outubro de 2016. Universidade Federal da Paraíba – João Pessoa – PA. [2] LOBATO, N.C.C. ; VILLEGAS, E.A. ; MANSUR, M.B - Avaliação de alternativas tecnológicas para o gerenciamento dos resíduos sólidos siderúrgicos: escória e lamas de alto-forno. XXV Encontro Nacional de Tratamento de Minérios e Metalurgia Extrativa & VIII Meeting of the Southern Hemisphere on Mineral Technology, Goiânia - GO, 20 a 24 de Outubro 2013 [3] SILVA, Nicole Gröff da ; BREHM, Feliciane A. ; MANCIO, Mauricio ; MORAES, Carlos Alberto Mendes - Reutilização e reciclagem de resíduos siderúrgicos : Oportunidades de pesquisa e desafios do setor. 7° Fórum Internacional de Resíduos Sólidos. Tema Resíduos Sólidos e Mudança Climática. 15 a 17 de Junho de 2016, Porto Alegra, RS. [4] ARAUJO, Athos Fernandes ; SILVA, Vitor Igor da Cunha - Alternativas de Reaproveitamento da Lama de Alto-Forno. Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Metalurgista da Faculdade de Engenharia de Universidade do Estado de Minas Gerais. João Monlevade/MG , 2016 [5] TAKANO, C.; Capocchi, J.D. T.; Nascimento, R. C.; Mourão, M. B.; Lenz, G. e Santos, D. M. A. - Reciclagem de resíduos siderúrgicos sólidos. Seminário Nacional sobre Reuso/Reciclagem de Resíduos Sólidos Industriais. Secretaria do Meio Ambiente do Estado de São Paulo. Secretaria do Meio Ambiente Estado de São Paulo. v. 1. p. 1-13.-28 a 31 Agosto de 2000. [6] DIAS, Claudio André Chagas Martins - Reciclagem de lama de alto-forno em cerâmica vermelha. Tese (Doutorado em Engenharia e Ciência dos Materiais) - Área de concentração: Materiais e meio ambiente. Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro. Centro de Ciência e Tecnologia. Laboratório de Materiais Avançados. Campos dos Goytacazes, Outubro, 2011. [7] BAPTÍSTA, A. L. B. - Desenvolvimento de um briquete auto-fundente, multiconstituido de rejeitos, resíduos e descartes recicláveis gerados na planta integrada de produção de aço, aplicado como componente da carga de fornos de redução de ferro. Dissertação de Mestrado em Materiais. Área de concentração de processamento e reciclagem de materiais, Linha de pesquisa em materiais compósitos. Fundação Oswaldo Aranha ; Centro Universitário de Volta Redonda – UNIFOA ; Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação ; Programa de Mestrado Profissional em Materiais – MEMAT , Três Poços, RJ – 2016. [8] BAPTÍSTA, A. L. B. – O Processo de Briquetagem. Caderno Técnico. Laboratório de Metalurgia Extrativa. Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica de Volta Redonda. Universidade Federal Fluminense. 2015 [9] BAPTISTA, A. L. B. - Exigências para aplicação de briquetes em fornos siderúrgicos. Trabalho Apresentado no II Simpósio de Inovação e Tecnologia na IX Semana de Iniciação Científica e IV Simpósio de Extensão – Rio de Janeiro, Julho de 2015. [10] BAPTISTA, A. L. B. - Aglomerantes empregados no processo de briquetagem de finos de matéria prima siderúrgica. Trabalho apresentado no X Simpósio de Tecnologia na Área de Metalurgia Extrativa. Ouro Preto-MG – Junho de 2017. [11] BAPTÍSTA, A. L. B. - Desenvolvimento de Produto Sustentável e Ecológico na Área de Metalurgia Extrativa para uso em Fornos de Fundição – Contribuição Técnica Apresentada ao 46º Seminário de Redução de Minério de Ferro e Matérias-Primas, 17º Simpósio Brasileiro de
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