REDEMAT
REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
UFOP – CETEC – UEMG
UFOP - CETEC - UEMG
Dissertação de Mestrado
"ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UM NOVO INSUMO
PARA FABRICAÇÃO DE ESCÓRIAS SINTÉTICAS
BRIQUETADAS DESSULFURANTES PARA PRODUÇÃO DE
AÇO DE ALTA PUREZA"
Autora: Débora Moreira Sigiliano
Orientador: Prof. Dr. Paulo Santos Assis
Co-Orientador: Dr. Sérgio Luiz Souza Costa
Março de 2013
REDEMAT
REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
UFOP – CETEC – UEMG
UFOP - CETEC - UEMG
DÉBORA MOREIRA SIGILIANO
"Estudo e Desenvolvimento de um Novo Insumo para
Fabricação de Escórias Sintéticas Briquetadas Dessulfurantes
para Produção de Aço de Alta Pureza"
Dissertação de Mestrado apresentada ao
Programa de Pós-Graduação em Engenharia
de Materiais da REDEMAT, como parte
integrante dos requisitos para a obtenção do
título de Mestre em Engenharia de Materiais.
Área de concentração: Processo de Fabricação
Orientador: Prof. Dr. Paulo Santos Assis
Co-Orientador: Dr. Sérgio Luiz Souza Costa
Março de 2013
ii
S576e
Sigiliano, Débora Moreira.
Estudo e desenvolvimento de um novo insumo para fabricação de escórias
sintéticas briquetadas dessulfurantes para produção de aço de alta pureza
[manuscrito] / Débora Moreira Sigiliano. – 2013.
xiii, 90 f.: il. color.; tabs.
Orientador: Prof. Dr. Paulo Santos Assis.
Coorientador: Prof. Dr. Sérgio Luiz Souza Costa.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de
Minas. Rede Temática em Engenharia de Materiais.
Área de concentração: Processos de Fabricação.
1. Alumínio - Metalurgia - Teses. 2. Escória - Borra de alumínio - Teses.
Reciclagem - Teses. 4. Dessulfuração - Teses. 5. Siderurgia - Teses.
Universidade Federal de Ouro Preto. II. Título.
3.
I.
Catalogação: [email protected]
CDU: 669.181.28
iii
CDU: 669.162.16
iv
O conhecimento torna a alma jovem e diminui a amargura da velhice.
Colhe, pois, a sabedoria. Armazena suavidade para o amanhã.
(Leonardo da Vinci)
v
AGRADECIMENTOS
A autora agradece a todos que apoiaram e acreditaram no desenvolvimento deste trabalho de
alguma forma, em especial a:
Deus, por permitir que pessoas boas sempre estivessem à minha volta, o que me deu força
para seguir em frente;
À empresa Solvi Insumos e seus funcionários, em especial para os senhores Frederico
Pinheiro e Gilberto Bicalho por acreditarem na minha capacidade e não medirem esforços
para que o trabalho fosse realizado. Aos engenheiros Filipe Carvalho e Weber Martins pelos
ensinamentos e apoio. Fernanda, por me ajudar no laboratório.
À Aperam e Eng. Valdeci Alvarenga pela ajuda.
Dr. Paulo Santos Assis, por ser meu mestre desde a graduação, sempre me orientando e
possibilitando oportunidades únicas na minha carreira acadêmica e profissional.
Ao Dr. Sérgio Luiz Souza Costa pelos conselhos diários e ensinamentos no desenvolvimento
do trabalho.
Universidade Federal de Ouro Preto, Redemat e colegas de mestrado, em especial Carol e
Wilson pelos estudos em grupo.
Ao meu namorado Fabiano, pela paciência nos momentos de ansiedade, pelo amor e pelas
ajudas sempre que precisei.
Aos meus pais Francisco e Maria Clementina por acreditarem em mim e não medirem
esforços para eu conquistar meus sonhos. Meus irmãos Lorena e Henrique por fazerem parte
da minha vida e pela força sempre dada.
Laboratórios de Tratamento Térmico, Ensaios Mecânicos, Difração de Raios-X e Geoquímica
da UFOP.
República Convento, suas moradoras e ex-moradoras por fazerem parte da minha vida como
segunda família e me acolherem com tanto amor e carinho, em especial à Fernanda pelas
ajudas nos testes realizados.
vi
SUMÁRIO
RESUMO ................................................................................................................................ xiv
ABSTRACT ............................................................................................................................. xv
1.
INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 1
2.
OBJETIVOS.................................................................................................................... 3
3.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................................ 4
3.1.
Processo de Fabricação do Aço ................................................................................... 4
3.1.1.
Refino Primário .................................................................................................... 6
3.1.2.
Refino Secundário ................................................................................................ 7
3.1.2.1.
Dessulfuração de Aço e Eliminação de Inclusões .............................................. 10
3.2.
Escórias Sintéticas para Tratamento de Refino Secundário ...................................... 16
3.2.1.
Escórias Sintéticas Mescladas ................................................................................... 17
3.2.2.
Escórias Sintéticas Sinterizadas................................................................................. 18
3.2.3.
Escórias Sintéticas Briquetadas ................................................................................. 18
3.2.4.
Matérias-Primas para Escórias Sintéticas .......................................................... 22
3.3.
Novo Insumo para a Produção de Escórias Sintéticas ............................................... 25
3.3.1.
Características fisico-químicas da borra de alumínio ................................................ 29
3.3.1.1.
Coríndon ................................................................................................................ 29
3.3.1.2.
Nitreto de Alumínio ............................................................................................... 30
3.3.1.3.
Alumínio ................................................................................................................ 30
3.3.1.4.
Diaoyudaoite .......................................................................................................... 31
3.3.1.5.
Halita ...................................................................................................................... 31
3.3.1.6.
Quartzo ................................................................................................................... 31
3.3.1.7.
Silício ..................................................................................................................... 32
3.3.1.8.
Espinélio ................................................................................................................ 32
3.3.1.9.
Wüstita ................................................................................................................... 32
4.
METODOLOGIA ......................................................................................................... 33
4.1.
Caracterização química e física das principais matérias-primas envolvidas na produção
do briquete de borra de alumínio.............................................................................................. 33
4.1.1.
Análise Química por Via Úmida ........................................................................ 33
4.1.1.1.
Análise de Perda por Calcinação (PPC)................................................................. 34
4.1.1.2.
Análise de Sílica – SiO2 ......................................................................................... 34
4.1.1.3.
Óxido de Cálcio – CaO e Óxido de Magnésio - MgO ........................................... 37
vii
4.1.1.4.
Alumina – Al2O3 .................................................................................................... 38
4.1.1.5.
Fluorita – CaF2 ....................................................................................................... 39
4.1.1.6.
Alumínio Metálico – Al0 ........................................................................................ 40
4.1.1.7.
Ferro Total – FeT ................................................................................................... 42
4.1.2.
Espectroscopia de Emissão Atômica com Plasma Indutivamente Acoplado (ICP -
AES)
43
4.1.2.1.
Borra de Alumínio ................................................................................................. 44
4.1.2.2.
Chamote Básico (Chamote de Magnésio) .............................................................. 44
4.1.2.3.
Fluorita ................................................................................................................... 44
4.1.3.
Difração de Raios-X ........................................................................................... 45
4.2.
Inertização da Borra de Alumínio ............................................................................. 46
4.2.1.
Cálculo do teor de Nitreto de Alumínio (AlN) na borra de alumínio........................ 47
4.2.2.
Testes para criação do método de inertização ........................................................... 48
4.2.3.
Análise do alumínio metálico presente na água utilizada na inertização .................. 49
4.2.4.
Análise dos teores de alumínio metálico em diferentes tratamentos da borra
inertizada .................................................................................................................................. 50
4.3.
Fabricação dos Briquetes ........................................................................................... 51
4.4.
Teste mecânico com os Briquetes ............................................................................. 51
4.4.1.
Teste de compressão .................................................................................................. 51
4.4.2.
Teste de quedas .......................................................................................................... 52
5.
RESULTADOS E DISCUSSÕES ................................................................................ 54
5.1.
Caracterização química e física das principais matérias-primas envolvidas na produção
do briquete de borra de alumínio.............................................................................................. 54
5.1.1.
Análise química por Via Úmida ................................................................................ 54
5.1.1.1.
Borra de Alumínio ................................................................................................. 54
5.1.1.2.
Chamote Básico ..................................................................................................... 54
5.1.1.3.
Fluorita ................................................................................................................... 55
5.1.2.
Espectroscopia de Emissão Atômica com Plasma Indutivamente Acoplado (ICP -
AES)
56
5.1.2.1.
Borra de Alumínio ................................................................................................. 56
5.1.2.2.
Chamote Básico ..................................................................................................... 56
5.1.2.3.
Fluorita ................................................................................................................... 57
5.1.3.
5.1.3.1.
Difração de Raios-X .................................................................................................. 57
Borra de Alumínio ................................................................................................. 57
viii
5.1.3.2.
5.2.
Chamote Básico e Fluorita ..................................................................................... 58
Inertização da borra de alumínio ................................................................................... 59
5.2.1.
Determinação do teor de Nitreto de Alumínio (AlN) na borra de alumínio.............. 59
5.2.2.
Testes para criação do método de inertização ........................................................... 62
5.2.3.
Análise do alumínio metálico presente na água utilizada na inertização .................. 62
5.2.4.
Análise dos teores de alumínio metálico em diferentes tratamentos da borra
inertizada .................................................................................................................................. 63
5.3.
Fabricação dos briquetes ............................................................................................... 64
5.4.
Teste mecânico com os briquetes .................................................................................. 65
5.4.1.
Teste de compressão .................................................................................................. 65
5.4.2.
Teste de quedas .......................................................................................................... 67
6.
CONCLUSÕES ............................................................................................................. 68
7.
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ........................................................ 69
8.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................... 70
ANEXO I.................................................................................................................................. 74
ANEXO II ................................................................................................................................ 78
ANEXO III ............................................................................................................................... 83
ANEXO IV ............................................................................................................................... 87
ix
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. 1 - Evolutivo da Produção mundial do aço ................................................................ 1
Figura 3. 1 - Fluxograma esquemático das etapas de produção do aço em usinas integradas....4
Figura 3. 2 - Etapas do refino primário em um convertedor BOF ............................................. 6
Figura 3. 3 - Vazamento do aço líquido do BOF na panela e adição de agentes do refino
secundário................................................................................................................................... 8
Figura 3. 4 - Panela para dessulfuração do aço ........................................................................ 10
Figura 3. 5 - Diagrama pseudo-ternário da partição de enxofre entre metal e escória com
0,03% de alumínio. Sistema CaO-Al2O3-SiO2-MgO (5%) a 1625°C ...................................... 12
Figura 3. 6 - Diagrama ternário da capacidade de enxofre do sistema CaO-SiO2-Al2O3 a
1550°C...................................................................................................................................... 13
Figura 3. 7 - Partição de enxofre de equilíbrio (Ls) e teor de alumínio no aço com atividade de
silício 0,2 a 1600 °C ................................................................................................................. 14
Figura 3. 8 - Modelo matemático que prevê o efeito da composição química da escória na
dessulfuração do aço ................................................................................................................ 15
Figura 3. 9 - Influência da camada de escória na dessulfuração do aço .................................. 16
Figura 3. 10 - Briquetes aplicados como escorificantes ........................................................... 19
Figura 3. 11 - Diferentes formas de aglomeração .................................................................... 20
Figura 3. 12 - Insumo rico em fluorita utilizado na produção de escórias sintéticas na Solvi
Insumos. ................................................................................................................................... 23
Figura 3. 13 - Insumo com elevado teor de alumina utilizado na produção de escórias
sintéticas. .................................................................................................................................. 24
Figura 3. 14 - Finos de borra de alumínio, resíduo das indústrias de alumínio primário. ........ 27
Figura 3. 15 - Escória ou borra branca de alumínio de uma indústria de alumínio primário. .. 28
Figura 4. 1 - Filtragem do chamote básico para o balão, obtendo-se o resíduo e a solução.....36
Figura 4. 2 - Eudiômetro da Solvi Insumos. ............................................................................ 41
Figura 4. 3 – ICP Perkin Elmer utilizado na análise das matérias-primas que serão utilizadas
no briquete de borra de alumínio.............................................................................................. 44
Figura 4. 4 – Tubo de Raio X do difratômetro. ........................................................................ 45
Figura 4. 5 – Difratômetro de Raios-X do modelo PANalytical. ............................................. 46
Figura 4. 6 – Béqueres com a mistura de água e borra utilizados nos testes de inertização. ... 49
Figura 4. 7 – Filtração da borra após o processo de inertização. ............................................. 50
x
Figura 4. 8- Máquina universal de ensaios Amsler do Laboratório de ensaios mecânicos da
Escola de Minas. ...................................................................................................................... 52
Figura 4. 9 – Briquetes selecionados para o teste de quedas. ................................................... 53
Figura 5. 1 – Leituras realizadas no eudiômetro para verificar a porcentagem de Nitreto de
Alumínio na borra de alumínio - Primeira análise. 59
Figura 5. 2 - Leituras realizadas no eudiômetro para verificar a porcentagem de Nitreto de
Alumínio na borra de alumínio - Segunda análise. .................................................................. 59
Figura 5. 3 - Leituras realizadas no eudiômetro para verificar a porcentagem de Nitreto de
Alumínio na borra de alumínio - Terceira análise. ................................................................... 60
Figura 5. 4 - Leituras realizadas no eudiômetro para verificar a porcentagem de Nitreto de
Alumínio na borra de alumínio - Quarta análise. ..................................................................... 61
Figura 5. 5 - Leituras realizadas no eudiômetro para verificar a porcentagem de Nitreto de
Alumínio na borra de alumínio - Quinta análise. ..................................................................... 61
Figura 5. 6 - Escória sintética briquetada dessulfurante fabricada com aglomerantes que
conferiram a resistência mecânica inicial desejada. ................................................................. 64
Figura 5. 7 – Briquetes utilizados no teste de compressão....................................................... 65
xi
LISTA DE TABELAS
Tabela III. 1 - Comparação entre as composições de escória de COSTA (2012) e ASTH
(2011). ...................................................................................................................................... 15
Tabela III. 2 - Principais matérias-primas utilizadas na Solvi Insumos. .................................. 25
Tabela III. 3 - Faixa de composição química possível dos finos de borra de alumínio gerada
na indústria de alumínio metálico. Fonte: Média de Análises na Solvi Insumos..................... 28
Tabela V. 1: Resultado da análise química por via úmida da borra de alumínio lote 980 e
1218...........................................................................................................................................54
Tabela V. 2: Resultado da análise química por via úmida para o chamote básico. ................. 55
Tabela V. 3 – Resultado da análise química por via úmida do resíduo de fluorita. ................. 55
Tabela V. 4 – Resultado da análise química da borra de alumínio realizada no ICP. ............. 56
Tabela V. 5 – Resultado da análise do chamote básico realizado no ICP. ............................... 57
Tabela V. 6 - Resultado da análise do resíduo de fluorita realizado no ICP. ........................... 57
Tabela V. 7 - Porcentagem de AlN encontrada nas amostras de borra de alumínio. ............... 62
Tabela V. 8 - Resultado da análise do teor de alumínio na borra bruta (sem tratamento). ...... 63
Tabela V. 9 - Resultado da análise do teor de alumínio na borra inertizada e aquecida a 110°C
.................................................................................................................................................. 63
Tabela V. 10 - Resultado da análise do teor de alumínio na borra inertizada e aquecida a
450°C........................................................................................................................................ 64
Tabela V. 11 – Resultado do teste de compressão. .................................................................. 66
xii
LISTA DE NOTAÇÕES
BOF - Basic Oxygen Furnace
KR - Kambara Reactor
MEV - Microscópio eletrônico de varredura
ICP - Espectroscopia de emissão atômica com plasma indutivamente acoplado
kWh – quilowatt-hora
Pa - Pascal
K - Kelvin
W - Watt
Ω - Ohm
ppm - parte por milhão
GPa - Giga Pascal
eV - eletrovolt
CFC - cúbico de face centrada
xiii
RESUMO
O refino secundário dos aços é uma etapa que visa, além do ajuste fino de composição
química do aço, a diminuir os teores de elementos residuais no aço, como enxofre, fósforo,
nitrogênio, hidrogênio e inclusões não metálicas, além de uma adequação térmica do aço para
o processo de Lingotamento Contínuo. Desta forma, entre outras medidas, adicionam-se
escórias sintéticas durante o vazamento do aço do convertedor para a panela. O presente
trabalho propõe um novo resíduo a ser utilizado como matéria-prima para fabricação de
escórias sintéticas briquetadas dessulfurantes com alta resistência mecânica e baixo teor de
CaO, produzidas pela empresa Solvi Insumos, para a fabricação de aços de elevada pureza.
Tal matéria-prima será utilizada por ser um resíduo da indústria de alumínio que fornece
faixas de composição química mais estreitas do que os insumos atualmente utilizados pela
Solvi Insumos e de possuir custos mais acessíveis.
Para que uma nova matéria-prima seja utilizada na produção de insumos para a siderurgia sem
comprometer o processo e a qualidade do produto, devem-se realizar estudos aprofundados do
material a fim de garantir sua qualidade e aplicabilidade. Serão realizadas caracterizações
químicas e físicas necessárias para utilização da borra de alumínio sem prejudicar as
características físico-químicas da escória briquetada. Inicialmente, serão realizadas análises
químicas por via úmida para avaliar a variabilidade de seus principais constituintes. Em
seguida, serão realizadas análises químicas e físicas nos laboratórios da Universidade Federal
de Ouro Preto, como ICP e Difração de Raios-X. Paralelamente, será desenvolvida uma
metodologia para inertização da borra de alumínio e de verificação da porcentagem de Nitreto
de Alumínio presente na borra. Também será realizado um método de fabricação dos
briquetes e testes mecânicos com os briquetes fabricados visando comprovar sua viabilidade
de utilização na indústria. Os resultados das análises químicas e físicas apresentaram
resultados satisfatórios e ausência de substâncias indesejadas. Além disso, o desenvolvimento
de uma metodologia para se obter a porcentagem de AlN na borra fina de alumínio foi
desenvolvida com sucesso, tornando possível desenvolver os testes de inertização com
consistência. Além disso, os testes mecânicos atenderam perfeitamente aos requisitos de
resistência estabelecidos pela Solvi Insumos. Ao fim do desenvolvimento da metodologia,
chegou-se à conclusão de que a borra de alumínio, se submetida a um tratamento adequado, é
uma matéria-prima que atende às características requeridas para a produção da escória
sintética briquetada dessulfurante.
Palavras-chave: borra de alumínio, escória sintética briquetada, reciclagem.
xiv
ABSTRACT
The secondary refining of steel is a step that aims, in addition to the fine tuning of chemical
composition of steel, to reduce the levels of residual elements in steel, such as sulfur,
phosphorus, nitrogen, hydrogen and non-metallic inclusions, and adequate temperature for
continuous casting process. Thus, among other measures is added synthetic slag during
tapping of steel from the converter to the ladle. This paper proposes a new waste to be used as
feedstock for the production of synthetic briquetted slag desulfurizing agents with high
mechanical strength and low CaO, produced by the company Solvi Insumos, for the
manufacture of steels of high purity. This raw material is a residue from the aluminum
industry that provides the chemical composition ranges narrower than those currently used by
Solvi Insumos. For a new raw material is used in the production of inputs for the steel
industry without compromising the process and product quality should be carried out detailed
studies of the material to ensure its quality and applicability. Chemical and physical
characterizations will be conducted for use of aluminum sludge without harming the physical
and chemical characteristics of the briquetted slag. Initially, we performed wet chemical
analysis to assess the variability of their main constituents. Then it will be analyzed for
chemical and physical laboratories of the Federal University of Ouro Preto, like ICP and Xray diffraction. In parallel, it will be developed a methodology for inerting of aluminum dross
and measure the quantity of AlN in the dross. A method of manufacture of briquettes and
mechanical tests with this briquette will also be conducted looking forward using this material
in industries processes. The results of chemical and physical analyzes showed satisfactory
results and the absence of unwanted substances. Moreover, the development of a
methodology to obtain the percentage of the AlN in aluminum dross was successfully
developed, making it possible to develop tests with consistency. Moreover, the mechanical
tests perfectly met the resistence requirements set by Solvi Insumos. After the development of
the methodology, it was found that the aluminum dross, if subjected to appropriate treatment,
is a raw material that meets the required characteristics for the production of synthetic
briquetted slag desulfurizing.
Keywords: aluminum dross, synthetic briquetted slag, recycling.
xv
1. INTRODUÇÃO
O cenário atual da siderurgia mundial tem apontado para um expressivo aumento da produção
nos últimos sessenta anos, como mostra a Figura 1.1, adaptada de MAGALHÃES (2010),
onde foram acrescentados os resultados de produção para 2009, 2010 e 2011 (Revista Iron &
Steel Technology, 2011).
Figura 1. 1 - Evolutivo da Produção mundial do aço (Adaptado de MAGALHÃES, 2010)
O controle de fabricação dos aços especiais constitui um grande desafio para as siderúrgicas
visto que pequenas variações no processo podem comprometer o atendimento das
propriedades especificadas para o produto. O refino secundário dos aços é uma etapa que visa,
além do ajuste fino de composição química do aço e o ajuste térmico, a diminuir os teores de
elementos residuais no aço, como enxofre, fósforo, nitrogênio, hidrogênio e inclusões não
metálicas. (BOLOTA, 2007)
MAGALHÃES (2010) ressalta que nas últimas décadas foi inserido no contexto da siderurgia
o termo “Engenharia de Inclusões”. Por Engenharia de Inclusões entende-se buscar melhores
formas de reduzir ou obter inclusões mais adequadas à aplicação prevista para um
determinado aço.
1
Devido aos fatos supracitados, a siderurgia tem demandado insumos com elevada qualidade e
custos viáveis para que tais problemas sejam minimizados e as propriedades do aço estejam
em conformidade com suas respectivas especificações.
Segundo NOLASCO SOBRINHO et alii (2004), o aumento da produção de aço gera um
aumento na produção de resíduos, como poeiras e lamas e uma forma de diminuir os impactos
ambientais provenientes desses resíduos é a utilização do processo de reciclagem.
Visando diminuir custos, aumentar a produtividade, promover políticas ambientalmente
corretas e o desenvolvimento sustentável, pesquisas e métodos vêm sendo desenvolvidos para
a adequação de resíduos em matéria-prima para a fabricação dos aços. Além disso, a
utilização de tais resíduos traz outros benefícios, como:
I)
A proteção natural de depósitos de recursos industriais;
II)
Redução da energia requerida para a fabricação do produto final;
III)
Redução de emissão de gases na atmosfera, como o CO2, SOx e NOx;
IV)
Ganho de área que antes eram utilizadas na destinação destes resíduos.
A empresa Solvi Insumos, localizada no município de Timóteo, MG, tem como prioridade o
aproveitamento de resíduos como fonte de matéria-prima para a produção de escórias
sintéticas dessulfurantes de aços. As escórias sintéticas dessulfurantes consistem de misturas
de óxidos que apresentam baixa temperatura de fusão e reagem rapidamente com o enxofre,
resultando na dessulfuração do aço e absorção de inclusões não metálicas na etapa do refino
secundário do aço.
No presente contexto, em parceria com a Solvi Insumos, desenvolveu-se o estudo
aprofundado da qualidade da borra de alumínio e métodos de aplicação da mesma, que
consiste em um resíduo advindo da indústria de alumínio primário, como principal matériaprima de escória sintética briquetada dessulfurante para aços de elevada pureza.
O estudo foi dividido em etapas, desde a caracterização física e química do material até a
definição da melhor técnica para a tentativa de inertização da borra de alumínio. A partir daí,
os briquetes foram produzidos e avaliados quanto a sua resistência mecânica. Espera-se
comprovar cientificamente a eficiência do produto para, futuramente, viabilizar sua utilização
em escala industrial.
2
2. OBJETIVOS
Objetivo Geral
Viabilizar a utilização da borra de alumínio na composição de escórias sintéticas briquetadas
dessulfurantes no refino secundário dos aços.
Objetivos Específicos
 Realizar a caracterização química das matérias-primas que compõem o briquete.
 Desenvolver uma metodologia de inertização da borra de alumínio para posterior aplicação
no briquete.
 Desenvolver uma metodologia para verificar o teor de Nitreto de Alumínio presente na
borra.
 Comprovar a qualidade do briquete por meio de testes de fabricação e testes mecânicos em
laboratório.
3
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1. Processo de Fabricação do Aço
A fabricação do aço em usina integrada ocorre nas seguintes etapas: redução, pré-tratamento
de gusa, refino primário e secundário do aço, lingotamento contínuo e laminação.
As principais matérias-primas para o processo de redução em alto-forno são:
 Cargas metálicas: sínter, pelotas e granulados;
 Fontes energéticas: coque e carvão vegetal;
 Fundentes: os mais comuns são quartzo (SiO2), calcário (CaO), dunito ou serpentinito
(fontes de MgO e SiO2) e dolomita (fonte de CaO e MgO).
O alto-forno é um reator que associa a carga metálica às fontes energéticas, coque ou carvão
vegetal dependendo de suas dimensões. Os objetivos principais na redução são produzir ferrogusa ou ferro esponja (em unidades de redução direta) a menor custo, a fim de se atender às
especificações exigidas na aciaria. Na figura 3.1, pode-se visualizar o fluxo de produção do
aço em uma usina integrada.
Figura 3. 1 - Fluxograma esquemático das etapas de produção do aço em usinas integradas
(Instituto Aço Brasil, 2012).
4
Ao sair do processo de redução, o ferro-gusa, quando é fabricado usando coque, apresenta
elevados teores de enxofre. Tal elemento é indesejável na maioria dos aços formando
inclusões de sulfeto que prejudicam propriedades como resistência à fadiga, ductilidade,
tenacidade, fragilidade a quente e estampabilidade.
Devido a esse fato, são realizados tratamentos de dessulfuração do gusa sendo que os
principais são realizados no carro torpedo, KR- (Kambara Reactor) e injeção profunda.
Os processos que antecedem a aciaria são realizados em carro torpedo e em panela pelicano
por injeção profunda. No carro torpedo ocorre injeção de agente dessulfurante carbureto de
cálcio (CaC2) ou CaO fino e outros ativadores de dessulfuração por meio de uma lança. Essa
lança é suportada por equipamento de içamento e injeta nitrogênio, que atua como gás de
arraste de 10% em volume de particulados para que ocorra a reação. (RIBEIRO, 2005)
A escória de dessulfuração fica retida no carro torpedo e grande parte dela é carregada no
convertedor BOF juntamente com o gusa. A desvantagem desse processo é a geometria do
carro torpedo que dificulta a homogeneização da mistura, prejudicando a eficiência da
dessulfuração do gusa. (RIBEIRO, 2005)
O tratamento com injeção profunda ocorre na panela pelicano e consiste na injeção mais
profunda possível de pós dessulfurantes por meio de lanças refratárias verticais e nitrogênio
como gás de arraste. A profundidade de penetração da lança, a vazão do gás e a pressão na
linha devem ser controladas para evitar o desgaste do refratário no fundo da panela e garantir
estabilidade nos resultados metalúrgicos do processo. A principal diferença da injeção no
carro torpedo é a eficiência da dessulfuração, uma vez que a geometria da panela pelicano
possibilita o aumento da velocidade da reação, o que garante maior eficiência no processo. As
principais desvantagens desse tratamento são maior gasto de produtos, maior consumo de
energia, desgaste do fundo da panela pelicano e impacto ambiental pela emissão de voláteis, o
que exige variados equipamentos de tratamento de efluentes. (RIBEIRO, 2005)
RIBEIRO (2005) ainda ressalta que no processo Kambara Reactor – KR, o gusa líquido
carregado em panela é submetido a forte agitação por um rotor fabricado de material
refratário. Durante a agitação é adicionada através de calhas uma mistura à base de cal. A
dessulfuração pode chegar a 90% após 10 minutos de agitação.
5
Apesar do esforço envolvido no tratamento de dessulfuração de gusa, os teores de enxofre
obtidos não são compatíveis com os especificados para o produto final, sendo necessário o
abaixamento de seu teor em etapas posteriores de fabricação do aço.
3.1.1. Refino Primário
O refino primário no convertedor
BOF (Basic Oxygen Furnace) possui as etapas de
carregamento, sopro e vazamento. As principais matérias-primas utilizadas pelo processo
BOF são o gusa líquido, sucatas de aço e ferro fundido, gusa sólido, minério de ferro, cal,
fluorita e oxigênio, sendo que o último é introduzido no sistema por meio de lança a elevada
pressão e vazão. As operações de refino do aço no BOF incluem, respectivamente:
carregamento de carga sólida, carregamento de gusa líquido, sopro pela lança, medição de
temperatura e coleta de amostras e vazamento do aço. A sequência de etapas descritas acima é
apresentada na figura 3.2. Nesse processo são removidas substâncias indesejáveis no aço
como silício, manganês, fósforo, carbono. No entanto, como o ambiente é oxidado, o enxofre
não é removido de forma satisfatória nesta etapa.
Figura 3. 2 - Etapas do refino primário em um convertedor BOF (RIBEIRO, 2005)
O refino primário dos aços especiais promove a redução dos teores de silício, carbono e
fósforo, mas em contrapartida além de não reduzir o teor de enxofre para as propriedades
6
requeridas para aços especiais, torna o aço rico em oxigênio dissolvido. Assim, oxigênio e
enxofre são dois grandes problemas para serem solucionados no refino secundário do aço de
aços especiais.
No final do sopro, o aço líquido está muito oxidado, apresentando teores de oxigênio livre
entre 600 e 1350 ppm e a escória do refino primário do aço apresenta teores excessivos dos
óxidos FeO e MnO. (CARDOSO FILHO et alii, 2012)
A presença destes óxidos instáveis, além de serem fontes geradoras de inclusões não
metálicas no aço líquido, prejudica a remoção de enxofre do metal. Dessa forma, minimizar a
transferência dessa escória para a panela de aço durante o vazamento é uma condição muito
importante para a otimização dos processos de refino secundário do aço.
3.1.2. Refino Secundário
Segundo RIBEIRO et alii (2005), o forno panela constitui em um forno elétrico a arco, cuja
carga é o aço líquido em uma panela, proveniente de um forno primário do tipo BOF. Como
ele permite o aquecimento do aço líquido, sua vantagem é facilitar as operações de refino do
aço líquido, como:
 Adições de ligas, mesmo em grandes quantidades;
 Troca e controle da escória;
 Controle de morfologia e eliminação de inclusões não-metálicas;
 Homogeneização do banho líquido;
 Desoxidação;
 Dessulfuração;
 Retenção de corridas na panela por várias horas.
O refino secundário do aço inicia no vazamento do aço líquido do convertedor para o forno
panela, conforme mostra a figura 3.3, com a adição de ferro-ligas, desoxidantes e
recarburantes.
7
Figura 3. 3 - Vazamento do aço líquido do BOF na panela e adição de agentes do refino
secundário. (BARÃO, 2008)
Segundo BOLOTA (2007), os processos de refino secundário consistem basicamente da
interação metal-escória mediante injeção de argônio. Tais processos respondem pela redução
dos teores de enxofre especificados, a eliminação das inclusões geradas na desoxidação do
aço, o controle do “pick up” de nitrogênio e hidrogênio e o ajuste de temperatura e da
composição química dos demais elementos constituintes do aço. Todas estas operações
trazem grandes perdas de temperatura, que devem ser compensadas para que o aço seja
entregue à próxima etapa de processamento dentro das faixas de temperatura especificadas.
A desoxidação é realizada adicionando os elementos alumínio, silício e manganês, por
formarem óxidos estáveis. Segundo COSTA (2012), para que a dessulfuração do aço ocorra
eficazmente é necessário reduzir o teor de oxigênio livre para 3 ppm, ou seja, deve-se obter
um metal super desoxidado para garantir um ambiente ideal para a dessulfuração do aço. De
acordo com COSTA (2012), a desoxidação com alumínio fornece teores de oxigênio livre
baixos o suficiente para se obter uma remoção de enxofre compatível com os requisitos do
tratamento de dessulfuração do aço, porém a desoxidação do banho durante o vazamento gera
uma grande quantidade de inclusões não metálicas de Al2O3, geralmente prejudiciais à
qualidade do aço.
8
As inclusões de alumina se apresentam após a laminação na forma de aglomerados de
inclusões, com dureza maior que a do aço, e por isso, muito prejudiciais à qualidade
superficial dos aços. Além disso, a estampabilidade do aço é fortemente impactada pelas
inclusões de alumina, comprometendo a produção de peças que exigem elevada resistência à
estampabilidade nos processos de estampagem extra-profunda. Por se apresentarem na forma
de alinhamentos quebradiços não deformáveis, são indesejáveis na trefilação para diâmetros
finos, pois provocam arrebentamentos. No caso de produtos laminados em chapas grossas,
essas inclusões interagem com o hidrogênio atômico gerando recusa do produto no teste de
ultrassom. (COSTA, 2012)
Os constituintes da escória formada no refino secundário do aço são: escória do convertedor
BOF transferida para a panela durante o vazamento do aço; produtos da desoxidação; material
refratário vindo da linha de escória, cal calcítica e dolomítica e escória sintética adicionados
para formar a escória de panela. (BOLOTA, 2007)
A passagem de escória do refino primário prejudica a escória de panela, devido ao elevado
teor de óxidos instáveis como FeO e MnO que afetam os resultados previstos para esse
tratamento, remoção de enxofre e eliminação de inclusões. Uma escória com alto teor de
óxidos instáveis em sua composição química promoverá um aumento das inclusões de Al2O3
no aço devido à interação do alumínio com esses óxidos instáveis. Entretanto, é impossível
evitar a transferência dessa escória para a panela, sendo recomendável controlá-la na faixa de
5 a 10 kg por tonelada de aço. (KOR, 1998)
A desoxidação da escória na chegada ao refino secundário significa melhores rendimentos das
ligas e, portanto, redução de custo com matérias-primas (YOON et alii, 2002). Além disso,
conforme COSTA (2012) devem ser adicionados metais redutores como o alumínio, na
escória sintética. Com isso, do ponto de vista da desoxidação do metal e da escória, o
processo de dessulfuração torna-se possível em extensão compatível com a qualidade
requerida no aço.
Uma escória bem projetada, além do baixo potencial de oxigênio, ou seja, baixo teor deste gás
no banho precisa apresentar elevada capacidade de sulfeto (capacidade de dessulfuração),
baixa atividade de alumina e baixa temperatura liquidus (máxima temperatura na
qual cristais podem coexistir com o material em fusão em equilíbrio termodinâmico) para
9
atender perfeitamente às exigências de fabricação de aços com requisitos de qualidade cada
vez mais rigorosos em relação aos seus teores de residuais. (COSTA, 2012)
3.1.2.1. Dessulfuração de Aço e Eliminação de Inclusões
O enxofre é considerado uma impureza deletéria à qualidade dos aços de alta resistência e
baixa liga e tem alta solubilidade no ferro líquido. Quando o aço passa do estado líquido ao
estado sólido, sua solubilidade é reduzida consideravelmente e o enxofre combina com o
manganês formando inclusões alinhadas de MnS, que são extremamente prejudiciais às
propriedades mecânicas do aço, tais como: resistência ao Charpy, resistência à fadiga e à
tração. Assim, o teor de enxofre no aço deve ser reduzido para a casa dos 20 ppm e a adição
de escórias sintéticas na panela de aço são agentes da dessulfuração do aço. A figura 3.4
ilustra uma panela onde ocorre a dessulfuração do aço.
Figura 3. 4 - Panela para dessulfuração do aço (COSTA, 2012).
Segundo COSTA (2012), a dessulfuração ocorrida na interface escória-metal realizada no
refino secundário é representada pela reação 3.1 e 3.2 quando o aço é desoxidado pelo
alumínio. O enxofre e o alumínio dissolvidos no banho são transportados por convecção à
camada limite e por difusão entram em contato com a escória.
10
CaO(s) + S = CaS(s) + O
(3.1)
2Al + 3O = Al2O3(s)
(3.2)
O oxigênio presente no banho prejudica a dessulfuração do aço devido ao fato do enxofre e
oxigênio estarem na mesma família da Tabela Periódica e o oxigênio ser mais eletronegativo
comparado ao enxofre. Devido a este fato, deve-se realizar adição de alumínio metálico com o
fim de desoxidar o banho e garantir bons resultados na dessulfuração.
A reação global de equilíbrio que representa a dessulfuração do aço na interface escória-metal
com adição de alumínio é apresentada na equação 3.3, onde a escória adicionada deve ser
projetada a fim de que consiga absorver, na forma de CaS, o enxofre dissolvido no banho
(COSTA, 2012).
3CaO(s) + 2Al + 3S = 3CaS(s) + Al2O3(s)
(3.3)
Neste processo, para que haja uma dessulfuração satisfatória, deve-se borbulhar gás argônio
ou agitar a panela para que o equilíbrio seja sempre deslocado para a direita. O alumínio
metálico e o óxido de cálcio são os agentes dessulfurantes mais utilizados na indústria
atualmente.
COSTA (2012) ressalta que a dessulfuração do aço em panela normalmente envolve a injeção
de gás no seio do metal. Uma vez que a eficiência da dessulfuração do aço depende
significativamente do comportamento da interação entre escória e metal criada pela injeção de
argônio.
A escória sintética é um produto de alta eficiência e amplamente utilizada nas indústrias para
a dessulfuração e seu processo de fabricação, qualidade de suas matérias-primas e a
resistência mecânica são de suma importância na escolha da escória a ser utilizada.
Um critério para medir a extensão da dessulfuração do aço é o coeficiente de partição de
enxofre, que é a relação entre os teores de enxofre na escória e no metal no equilíbrio, como
pode ser visto na equação 3.4. GAYE et alii (1986), consideram que o coeficiente de partição
11
de enxofre para uma determinada composição de escória depende do teor de oxigênio
dissolvido no banho metálico.
Ls= (%)S/(%)S = C’s.fs/ho
(3.4)
Onde:
Ls = Partição de enxofre,
(%) S = T eor de enxofre
(%) S = Teor de enxofre dissolvido no aço
C’s = Capacidade de enxofre na escória,
fs = Coeficiente de atividade do enxofre no metal,
ho= Atividade henriana do oxigênio no metal.
COSTA (2012) afirma que a adição de alumina contribui para a redução da temperatura de
fusão e o aumento da viscosidade da escória. O diagrama pseudo-ternário com a partição de
enxofre calculada (Ls) para um teor de alumínio dissolvido no aço de 0,03% é apresentado na
figura 3.5.
Figura 3. 5 - Diagrama pseudo-ternário da partição de enxofre entre metal e escória com
0,03% de alumínio. Sistema CaO-Al2O3-SiO2-MgO (5%) a 1625°C (GAYE et alii, 1986).
O referido autor ressalta que para pequenas variações na composição de escória como
observado no diagrama pseudo-ternário, a partição de enxofre (Ls) é bastante variável, como
12
se observa na figura 3.5. Tal observação permite a conclusão de que é difícil controlar a
composição de escória no processo de dessulfuração.
CARLSSON et alii (1986), propuseram uma diminuição de alumina na escória, já que teores
maiores de alumina propostos por GAYE et alii (1986), prejudicam a absorção de inclusões.
Pode-se constatar a composição da escória proposta na figura 3.6. Há também adição de
fluorita visando ao abaixamento da temperatura de fusão da escória, que apesar de prejudicar
os refratários disponibiliza íons de Ca+2 que estimula a dessulfuração, levando à formação de
CaS.
Figura 3. 6 - Diagrama ternário da capacidade de enxofre do sistema CaO-SiO2-Al2O3 a
1550°C (CARLSSON et alii, 1986).
O termo capacidade de sulfeto é utilizado para descrever o potencial de uma escória líquida na
remoção de enxofre e é uma propriedade da escória que é dependente somente da temperatura
e da sua composição química. A capacidade de sulfeto foi definido por Richardson e Fincham
(Finchman et alii, 1954) com a equação 3.5.
13
(3.5)
Onde:
PO2 = Pressão parcial de oxigênio.
PS2 = Pressão parcial de enxofre.
(%S) = Concentração de enxofre na escória.
GAYE et alii (2004), utilizaram CaF2 para fluidificar a escória e isso possibilitou a redução
do teor de Al2O3 e aumento no teor de sílica. O aumento da região de líquido é observado na
figura 3.7, comparando as publicações de 1986 (3.7 a), com a de 2004 (3.7 b), devido ao
aumento da região com linhas inclinadas, que são linhas de isoatividades de enxofre ou
capacidade de enxofre constante.
Figura 3. 7 - Partição de enxofre de equilíbrio (Ls) e teor de alumínio no aço com atividade de
silício 0,2 a 1600 °C. (GAYE et alii, 2004).
Além da fluorita, a utilização do MgO foi proposta pelo referido autor com o objetivo de
diminuir o desgaste da parede refratária. WANG et alii (2009) ressaltam que a fluorita deve
ser limitada em aproximadamente 15% do que vem sendo utilizado atualmente nas
siderúrgicas, por ser instável, gerando gás poluente, além de causar desgaste à parede
refratária da panela.
No desenvolvimento de um modelo matemático para o estudo do tratamento de dessulfuração
do aço, COSTA (2012) realizou três corridas experimentais, para validação do modelo.
14
Validado o modelo, o referido autor comparou os resultados obtidos nessas corridas com a
composição química de escória proposta por ASTH (2011), conforme apresentado na Tabela
III.1 visando a determinação da influência da composição química da escória no tratamento
de dessulfuração do aço.
Tabela III. 1 - Comparação entre as composições de escória de COSTA (2012) e ASTH
(2011).
%CaO
%MgO
%SiO2
%Al2O3
Ls
COSTA (2012)
57,0
8,0
10,0
25,0
18,4
ASTH (2011)
53,8
5,0
19,3
21,9
52,4
O resultado das simulações matemáticas para avaliação da influência da composição química
da escória de cobertura é apresentado na figura 3.8. Verifica-se uma diferença significativa no
tempo gasto para atingir o teor de enxofre de 37 ppm, além de se obter teores de final de
tratamento muito inferiores o que explica o melhor desempenho operacional da composição
de escória proposta por ASTH(2011).
Figura 3. 8 - Modelo matemático que prevê o efeito da composição química da escória na
dessulfuração do aço (COSTA, 2012).
15
Outro fator que contribui para o processo de dessulfuração do aço é o volume da escória. A
figura 3.9 apresenta o resultado da simulação matemática a qual mostra que o aumento do
volume de escória é benéfico para a obtenção de teores de enxofre mais baixos ao final do
tratamento.
Figura 3. 9 - Influência da camada de escória na dessulfuração do aço (COSTA, 2012).
O autor chama a atenção para o fato de que tal medida acarreta um aumento de material
escorificante e conseqüentemente o seu custo e só deve ser adotado em casos de necessidade
real. Porém, deve-se dar mais atenção para composição química da escória, devido às maiores
diferenças no resultado final da dessulfuração do aço.
3.2. Escórias Sintéticas para Tratamento de Refino Secundário
A escória sintética é um material desenvolvido por meio de variados processos como
sinterização, briquetagem, mistura, fusão e pelotização. É um material largamente utilizado
devido às funções de diminuição de inclusões não metálicas, minimização de perdas de
temperatura, proteção da parede da panela, desoxidação, dessulfuração e desgaseificação do
aço. (BARRIOS et alii, 1994)
Segundo BARRIOS et alii (1994), o sistema mais utilizado de escória sintética são misturas
de cal virgem e fluorita adicionadas na superfície do aço a partir de silos ou sacarias. Neste
procedimento, geralmente ocorre uma heterogeneidade química ao longo da camada de
escória em função da não homogeneização da escória, levando a uma dificuldade de completa
16
fusão do material, além de facilitar a concentração do fundente em regiões próximas ao
refratário da linha de escória, favorecendo o seu desgaste de forma acentuada.
Atualmente, o controle do processo e produção de aços líquidos constitui o item mais crítico
para as usinas siderúrgicas, pois dependem do acerto da composição química, tamanho e
distribuição das inclusões não metálicas, que são vitais para a qualidade e competitividade dos
produtos no mercado. A adição de cal, misturas de óxidos e fluoretos granulados (mistura de
cal calcítica, cal dolomítica e fluorita), a mistura de materiais finos briquetados a seco e a
utilização de escória sintética sinterizada são práticas utilizadas para o refino secundário dos
aços. No entanto apresentam algumas desvantagens: (ASSIS et alii, 2000)
I)
Os materiais granulados apresentam tempo de formação de escória muito elevado, pois
a cinética de interação entre as partículas é prejudicada, retardando a formação da solução
homogênea, que é a escória líquida com elevada fluidez;
II)
No caso de misturas briquetadas a seco, a absorção de água, a impossibilidade de
ensilamento, o manuseio excessivo na aciaria e geração de finos são fatores que contribuem
negativamente, comprometendo o uso do material;
III)
Nas escórias sintéticas sinterizadas, o elevado consumo de energia no processo de
fabricação aliado às perdas de energia no processo de fabricação do aço, uma vez que o uso
de escória sinterizada exige a raspagem da escória passante do refino primário, acarreta em
significativa perda de energia, demandando elevação de custos de processamento e reduzindo
a produtividade das aciarias.
As duas últimas questões apresentam desvantagem por possuírem elevado teor de CaO, e no
caso da diversificação das fontes de cal, ocorre a dificuldade do controle do teor de enxofre e
outros itens de qualidade. Além disso, a cal é um insumo barato, abundante nas usinas
siderúrgicas, e contida na escória sintética entra no processo metalúrgico com valor agregado
muito elevado.
Escórias mescladas, sinterizadas e briquetadas são as principais formas de produção de
escórias sintéticas.
3.2.1. Escórias Sintéticas Mescladas
A escória sintética mesclada, também conhecida como granulada ou mistura, tem sua
17
produção fundamentada na formulação e mistura das substâncias componentes da escória.
Esse método possui a vantagem de baixo custo de produção, porém é suscetível à hidratação e
às variações de desempenho além da heterogeneidade da mistura e lenta formação de escória
prejudicar a eficiência do refino secundário.
3.2.2. Escórias Sintéticas Sinterizadas
A sinterização é o processo onde os materiais são misturados e homogeneizados e o produto é
obtido pelo aquecimento abaixo da temperatura de fusão completa e as partículas da mistura
são unidas por caldeamento, onde se obtém um material resistente e poroso. A mistura é
disposta em uma espécie de grelha e a frente de combustão juntamente com o ar são
succionados para baixo o que ocasiona a soldagem das partículas, gerando o briquete
sinterizado. Pelo fato de ser um material muito poroso, há possibilidade de hidratação do
material, além de demandar grande quantidade de energia para sua produção. (ASSIS ET alii,
2000)
3.2.3. Escórias Sintéticas Briquetadas
Segundo LUZ et alii (2002), briquetagem consiste na aglomeração de partículas finas por
meio de pressão, com auxílio ou não de um aglutinante, permitindo a obtenção de um produto
não só compactado, porém com forma, tamanho e parâmetros mecânicos adequados. A
redução de volume do material, em alguns casos, além dos benefícios tecnológicos, permite
que materiais finos possam ser transportados e armazenados de forma mais econômica.
A escória sintética briquetada, tem como vantagens apresentar alta velocidade de formação de
escória associada a um custo mais baixo de produção, ser pouco higroscópica e ser projetada
com composição química ajustada aos teores de MgO de saturação, nas temperaturas dos
tratamentos de refino secundário, para minimizar o desgaste ao material refratário.
Outra vantagem da escória sintética briquetada é que por apresentar elevada velocidade de
formação de escória, permite a formação quase que instantânea de uma camada líquida
protetora do arco voltaico durante o tratamento no forno-panela. Assim, obtém-se uma
operação com arco submerso que é muito benéfica ao rendimento. Na figura 3.10 são
apresentados briquetes utilizados como escorificantes, produzidos na empresa Solvi Insumos,
no município de Timóteo, Minas Gerais.
18
Figura 3. 10 - Briquetes aplicados como escorificantes.
A resistência mecânica do briquete para abastecimento em silos é um fator relevante no
processo de fabricação. Testes realizados pela Solvi Insumos vêm sendo realizados resultando
em materiais com resistências satisfatórias. Logo, pode-se afirmar que este problema tem sido
resolvido dentro de certas condições operacionais que vai depender de cada aciaria.
A seqüência de operações para obtenção da escória sintética briquetada envolve etapas de
preparação de matérias-primas, abastecimento em silos, dosagem, mistura dos insumos,
briquetagem, cura e embalagem.
Após a realização de classificação granulométrica, todos os materiais passam por uma planta
de secagem que tem por objetivo retirar a umidade do material. Concluída a etapa de
preparação de matérias-primas, todos os insumos são analisados quimicamente para garantir
um produto dentro das faixas de composição química desejados. Após o resultado de análise
química, os materiais seguem para a planta de beneficiamento, onde os mesmos são ensilados
de acordo com o tipo de material.
Já no processo de produção, os materiais são pesados e dosados, encaminhados para o
misturador e em seguida para a máquina briquetadeira, conformando a mistura em briquetes
de diversas formas, de acordo com a necessidade de cada cliente e com elevada
19
homogeneidade física e química. Os ligantes orgânicos utilizados são compostos moleculares
que fazem ligação de hidrogênio entre si. Constituem ligantes para o processo de
briquetagem: resinas do tipo fenólicas, amidos, melaço em pó, cimentos dentre outros e
ligantes inorgânicos como exemplo, bentonita e silicato de sódio. Na figura 3.11, pode-se
entender o fundamento da briquetagem onde a máquina briquetadeira proporciona à mistura
uma forma definida, de acordo com as necessidades de uso.
Figura 3. 11 - Diferentes formas de aglomeração (Adaptado de LUZ et alii., 2002).
A cura consiste em deixar os briquetes estocados para eliminação da água liberada. Para
acelerar a cura, utiliza-se um forno com temperatura controlada promovendo redução
significativa de tempo. Após a cura, o material adquire resistência mecânica e tem condições
de ser transportados em caçambas, correias transportadoras e ensilagem.
Ao ser utilizado no refino secundário de aço, a escória sintética tem as funções de promover a
dessulfuração do aço; reduzir o tempo de tratamento no forno-panela; controlar a quantidade,
tamanho e morfologia de inclusões; reduzir o “pick up” de nitrogênio e hidrogênio; melhorar
o rendimento energético; proteger o revestimento refratário e reduzir as perdas de temperatura
nos tratamentos de refino secundário do aço. (CAMPOS, 2009)
A escória sintética briquetada é dotada de elementos químicos desoxidantes que oferecem as
condições termodinâmicas necessárias à obtenção de baixos teores de enxofre. Portanto, se as
condições cinéticas do processo estiverem ajustadas (vazão de argônio que garanta a
20
maximização da taxa de dissipação de energia), serão obtidos percentuais de dessulfuração na
faixa de 85 a 90%. A composição química do briquete pode variar dependendo da qualidade
de aço exigida e o tipo de desoxidação adotada, do objetivo do tratamento, do tipo de
revestimento refratário da panela e das características da própria escória: viscosidade,
temperatura líquidos, existência de óxidos instáveis que constituem fontes de oxigênio
durante o tratamento.
A utilização da escória sintética briquetada possibilita a redução do tempo de tratamento no
forno-panela em função da maior velocidade de formação de escória, notavelmente observada
em corridas utilizando-as. Tal redução representa uma economia de energia, uma vez que o
tempo de exposição ao arco voltaico diminui, com redução no consumo de energia elétrica.
Além disso, o ruído característico do forno-panela é sensivelmente reduzido o que comprova
a redução de energia e atesta a maior velocidade de formação de escória. Neste caso, a
proteção ao aço líquido do contato com o ar atmosférico é de fundamental importância para a
redução da queda de temperatura durante o tratamento.
A composição química do briquete é projetada para formar uma escória de volume e
composição química final, de forma a preservar o revestimento refratário, seja formando a
cobertura do metal líquido na panela, seja garantindo o arco submerso durante toda a operação
no forno-panela. Assim, é possível garantir um aumento significativo na vida das panelas pela
formação de uma capa superficial protetora, aderida ao revestimento da panela e pelo
balanceamento de MgO na escória cuja função é minimizar o ataque químico provocado pela
escória. Portanto, a partir da prática de utilização da escória sintética briquetada obtém-se
comprovada redução de custos e melhoria da qualidade do aço líquido. (CAMPOS, 2009)
Em função de algumas características da escória sintética como temperatura de fusão,
viscosidade, baixa atividade de alumina e elevada capacidade de enxofre, são obtidas
vantagens que vão desde a aceleração da velocidade de dissolução, até os elevados resultados
metalúrgicos de dessulfuração e limpidez do aço. Por apresentar uma camada protetora
homogênea, a escória formada constitui uma importante barreira à absorção de nitrogênio e
hidrogênio pela atmosfera. Tal fato pode ser comprovado pela elevada velocidade de
formação da escória que, após sua adição, leva apenas o tempo de vazamento e
posicionamento no forno panela para ter sua completa dissolução líquida antes de iniciar o
tratamento neste mesmo forno panela. Com isso, promove-se uma significativa redução do
tempo de tratamento. (BARÃO, 2008)
21
A composição química das escórias sintéticas tem grande importância, pois alterações na
composição química de suas matérias-primas podem comprometer a qualidade do material,
fazendo com que o refino secundário seja também comprometido. Portanto, a escolha da fonte
de matéria-prima e análises químicas periódicas são essenciais no processo de fabricação do
material.
3.2.4. Matérias-Primas para Escórias Sintéticas
As matérias-primas utilizadas na produção da escória sintética briquetadas são: cal calcítica,
cal dolomítica, fluorita, refratário aluminoso reciclado, refratário magnesítico reciclado,
alumínio metálico e ligante. Tais materiais, após serem aprovados pelo controle de qualidade
(beneficiamento e análise química), são encaminhados à unidade de mistura e briquetagem
para produção da escória briquetada. O produto obtido é um briquete com composição
química e dimensões bem definidas, apresentando-se um material com boas características de
homogeneidade e alta resistência mecânica.
As características físico-químicas das matérias-primas utilizadas são descritas a seguir.
O fluoreto de cálcio, conhecido como fluorita, de fórmula CaF2, é a principal fonte de
obtenção de flúor, sendo que o flúor constitui cerca de 50% de sua composição, o cálcio
aproximadamente 40% e o restante da composição com predominância de SiO2. Com
densidade da ordem de 3,0, possui um brilho vítreo, dureza de 4,0 na escala de Mohs e
temperatura de fusão de 1.392°C. É utilizada para aumentar a fluidez da escória, abaixando
sua temperatura de fusão e aumentando a velocidade das reações químicas na interface metal
escória. O uso irrestrito da fluorita implica em aumento do desgaste do revestimento refratário
e pode levar a uma piora do índice de dessulfuração do aço quando se utiliza fontes de fluorita
com elevados teores de sílica, pois aumenta a acidez da escória. A figura 3.12 apresenta um
dos insumos de fluorita utilizados como matéria-prima na Solvi Insumos.
22
Figura 3. 12 - Insumo rico em fluorita utilizado na produção de escórias sintéticas na Solvi
Insumos.
A cal calcítica, apesar de ser utilizada em pequenos teores percentuais, tem um importante
papel na promoção da resistência mecânica ao material, uma vez que atua conjuntamente com
o ligante orgânico, formando ligações iônicas cuja força de atração inter atômica é mais
intensa. É recomendável que se utilizem cales com teores de CaO superiores a 95%, baixos
teores de sílica e enxofre.
A alumina utilizada na escória sintética briquetada é proveniente de tijolos refratários
aluminosos reciclados, provenientes da própria indústria siderúrgica, conforme apresenta a
figura 3.13. Sua principal vantagem é o baixo teor de materiais voláteis, extremamente
prejudiciais à qualidade do aço. Além disso, utiliza-se também, quando são exigidos baixos
teores de óxido de titânio e sílica, a alumina com elevado grau de pureza, oriunda do
beneficiamento da bauxita para produção de alumina de alta pureza.
23
Figura 3. 13 - Insumo com elevado teor de alumina utilizado na produção de escórias
sintéticas.
O óxido de magnésio, MgO, para proteção do revestimento refratário é proveniente de
resíduos de tijolo de refratários magnesianos reciclados (chamote básico) e da cal dolomítica,
composta por MgO e CaO.
O alumínio metálico possui capacidade dessulfurante e é proveniente da indústria de peças
automotivas e de utensílios domésticos.
A partir das matérias primas, obtêm-se uma escória sintética briquetada de alta resistência, de
acordo com as características de cada processo, aumentando o desempenho operacional e
atingindo aos objetivos de qualidade propostos. A composição química dos principais
insumos utilizados como matéria-prima na Solvi Insumos é apresentada na tabela III.2.
24
Tabela III. 2 - Principais matérias-primas utilizadas na Solvi Insumos.
Insumos
%Al2O3 %CaO %MgO %SiO2 %CaF2
Alumina 1
80 – 99
<6
Alumina 2
70 – 85
<6
<1
<6
Alumina Espinélio
60 -70
<5
27 - 45
<3
%Al0
%FeO
<9
<1
Fluorita 1
< 16
70 -75
Fluorita 2
<8
85 - 90
Cavaco de
80 - 99
Alumínio
Chamote básico
<4
70-90
Cal dolomítica
60 - 65
30 - 40
Cal calcítica
90 - 95
Cal Hidratada
60 - 70
< 10
É importante salientar que análises químicas das matérias-primas como fluorescência de
raios-X e espectroscopia de emissão atômica com plasma, além de um método para análise de
fases cristalinas do material como difração de raios-X possuem grande relevância, pois
impedem a utilização de materiais com presença de compostos indesejáveis.
Um problema enfrentado pela Solvi Insumos é o acerto de composição das escórias sintéticas
causado pelas diferentes fontes de matérias-primas e o elevado preço de algumas delas.
Devido a esse fato, vê-se importância em realizar estudos a fim de encontrar novos insumos
que possam substituí-las visando a fabricação de um produto com alta qualidade e preço
dentro dos padrões de mercado.
3.3.
Novo Insumo para a Produção de Escórias Sintéticas
A necessidade da produção de aços com requisitos de qualidade cada vez mais rigorosos e
menor preço vem alavancando pesquisas para o desenvolvimento de matérias-primas mais
eficientes e com preços mais baixos. Devido a tal fato, muitos resíduos industriais vêm sendo
estudados a fim de se transformar em produtos com valor agregado, o que favorece as
empresas em questões econômicas e ambientais.
25
Tendo em vista novas alternativas de matérias-primas, a Solvi Insumos desenvolveu uma
tecnologia de beneficiamento de escória de alumínio, também conhecida como borra branca
ou borra de alumínio, para produção de escórias sintéticas briquetadas de alta resistência
mecânica e baixo teor de CaO que permite a produção do respectivo produto integrado com
uma economia na indústria. Tal escória será tratada no presente trabalho como borra de
alumínio.
Segundo FILLETI (2009), uma geração importante de escória é a reciclagem de alumínio. A
atividade de reciclagem é importantíssima para a indústria de alumínio não somente como
fonte de metal, mas também sob aspectos ambientais. Para a produção de uma tonelada de
alumínio primário são necessárias 5 toneladas de bauxita e aproximadamente 14.500 kWh de
energia, sendo que na reciclagem são consumidos apenas 5% dessa energia e obviamente sem
utilização de bauxita, com importantes vantagens ambientais.
Porém, essa atividade
(produção de alumínio primário) gera grandes quantidades de escória. Estima-se que em 2005
o Brasil gerou cerca de 50.000 toneladas. A geração de resíduos como a borra branca na
indústria primária de alumínio justifica a necessidade de reutilização dos mesmos, visando a
ganhos econômicos e ambientais.
A borra branca é um resíduo oriundo da indústria de alumínio primário gerada nos fornos de
espera e refusão. Seus principais constituintes são alumínio metálico e óxido de alumínio,
formado pelos mecanismos de oxidação do metal líquido, transporte do metal líquido e filme
de óxido inerente ao lingote. Na figura 3.14 pode-se observar a escória em questão, que
consiste no objeto do presente estudo. Oriunda da indústria de alumínio primário passa antes
por um processo de retirada de alumínio metálico e em seguida por ajustes granulométricos e
de composição química.
26
Figura 3. 14 - Finos de borra de alumínio, resíduo das indústrias de alumínio primário.
O Relatório de Sustentabilidade da Associação Brasileira do Alumínio (2005), sobre a
geração de escória, comenta que instantaneamente depois de fundido, o alumínio líquido
forma uma delgada camada de óxido de alumínio (Al2O3), produto da reação do metal líquido
com o oxigênio oriundo do vapor d’água e umidade presentes no ambiente. Essa camada é
relativamente impermeável e sua espessura é função da temperatura a que o metal está sendo
submetido. Temperaturas crescentes, acima do ponto de fusão do alumínio, originam
espessuras maiores e óxido de alumínio. Havendo distúrbio dessa camada, expondo o
alumínio novamente às condições de umidade do ambiente, nova camada é formada, gerando
assim maior quantidade de óxido de alumínio, ou seja, maior volume de escória.
A borra de alumínio estudada é composta basicamente de alumina, alumínio metálico e outros
óxidos. Apresenta granulometria igual ou inferior a 2 mm. Tal material possui faixas de
composição química menos instáveis, quando comparadas aos insumos de alumina e alumínio
utilizados na Solvi, minimizando o problema da instabilidade de composição química. As
faixas de composição química da borra gerada são apresentadas na Tabela III.3. Além das
vantagens supracitadas, o emprego de finos de borra implicará em uma economia de 20% dos
custos finais do processo de fabricação.
27
Tabela III. 3 - Faixa de composição química possível dos finos de borra de alumínio gerada
na indústria de alumínio metálico. Fonte: Média de análises químicas na Solvi Insumos
%CaO
%Al2O3
0,97- 3
30 - 95
%MgO
%F
%Al
0,22 - 7,5 3 – 15 0 - 45
%SiO2
%Fe2O3
%PPC
2,68 – 5,5
1,19 – 2,5
0 a 10
FILLETI (2007) ressalta que a quantidade de alumínio contido na escória está relacionada aos
cuidados que são tomados durante o processamento do metal líquido. Práticas inadequadas
são responsáveis pelo incremento de alumínio metálico na escória, bem como a forma de
manusear a escória após sua retirada do forno.
O aspecto morfológico de uma escória advinda do forno de refusão é apresentado na Figura
3.15.
Figura 3. 15 - Escória ou borra branca de alumínio de uma indústria de alumínio primário.
28
A escória de alumínio por si só não é relacionada como resíduo perigoso, de acordo com a
Norma Brasileira ABNT NBR 10004:2004 – Classificação de resíduos. Porém, existe a
presença de nitreto de alumínio (AlN) em sua composição, gerado devido a reação após a sua
descarga ao entrar em contato com o ar. Se este material é colocado em contato com a
umidade do ambiente gera amônia (NH3), que é uma substância tóxica. (FILETTI, 2007)
Devido a esse fato, se o resíduo entrar em contato com a umidade haverá desprendimento de
amônia, tornando-o inadequado para as aplicações industriais. A utilização dos finos da borra
de alumínio na presença de água para a produção de escórias sintéticas dessulfurantes gera
reações exotérmicas, com geração de gases, inviabilizando a conformação mecânica das
escórias sintéticas em briquetes. Portanto, verifica-se a necessidade de se desenvolver um
método para promover sua inertização, a fim de viabilizar a utilização desse resíduo nas
escórias sintéticas briquetadas a frio em presença de água. O processo de inertização desse
material para a referida aplicação foi desenvolvido pela Solvi Insumos.
Além da inertização, deve-se ressaltar a importância de se caracterizar as fases presentes no
material, bem como estabelecer as faixas de variação de composição química de cada
constituinte do material. A resistência mecânica do briquete a ser fabricado depende das
propriedades físicas e da composição química das matérias-primas. Todos esses parâmetros
serão tratados no presente trabalho.
3.3.1. Características fisico-químicas da borra de alumínio
A borra de alumínio após ser analisada pelo aparelho de Difração de Raios-X resulta nos
minerais que a compõem. Tais minerais e componentes são descritos a seguir.
3.3.1.1. Coríndon
O coríndon, cuja fórmula química é Al2O3 está presente em grandes concentrações na escória
de alumínio. Também conhecido como trióxido de alumínio, possui em sua composição
52,9% de alumínio e 47,1% de oxigênio.
Segundo a Enciclopédia Multimídia de Minerais do Museu Heinz Ebert (2012), o coríndon
possui cristalografia trigonal, hábitos prismáticos barricóides, agregados granulares, massas
informes ou grãos dispersos. Sua partição é romboédrica devido à geminação, dureza 9, brilho
vítreo a adamantino e pode possuir cores variadas e pode estar associado à calcita, feldspatos
e mica.
29
Em relação à sua ocorrência, ele é gerado em temperaturas altas em processos metamórficos
ou magmáticos onde há excesso de alumínio no meio. Ele pode ser produzido artificialmente
com aquecimento de alumina a 450°C e adição de outros elementos para dar a cor desejada ao
mineral.
3.3.1.2. Nitreto de Alumínio
WRIEDT (1990) comenta que no estado de equilíbrio, o nitreto de alumínio (AlN) possui
uma estrutura hexagonal compacta. A ligação é parcialmente iônica com um certo grau de
ligação covalente. O AlN possui uma densidade de aproximadamente 3260 kg/m3. A dureza
do AlN é elevada, sendo de aproximadamente 1200 HV (escala Vickers de dureza), ou seja,
aproximadamente 12 GPa. A sua temperatura de fusão é de 2700 K e o seu calor de formação
está entre 230 a 320 KJ/mol.
SCZANCOSKI (2005) ressalta que com relação às propriedades térmicas, este material possui
um coeficiente de expansão térmica da ordem de 4,84x10-6K-1 e uma condutividade térmica
de aproximadamente 30,1x10 3 W/K.
FITZ(2002) e SCZANCOSKI (2005) comentam que o AlN possui uma alta resistividade
elétrica, com uma valor de aproximadamente 1011 Ωm e uma constante dielétrica de 8,5. O
nitreto de alumínio possui uma banda de “gap” de semicondutor com uma energia de 6,2 eV.
A velocidade da onda acústica ao longo do eixo c do nitreto de alumínio é de 10,4 km/s,
sendo por isto um bom material piezoelétrico. Outra característica importante do nitreto de
alumínio é a sua alta resistência à corrosão e ao desgaste.
3.3.1.3.
Alumínio
O alumínio foi descoberto por Sir Humphrey Davy em 1809, tendo sido isolado pela primeira
vez em 1825 por H. C. Oersted. Porém, apenas em 1886 foi desenvolvido um processo
industrial econômico de redução. Neste ano, dois cientistas trabalhando independentemente,
Charles Martin Hall, nos Estados Unidos, e Paul Louis Héroult, na França, inventaram o
mesmo procedimento eletrolítico para reduzir a alumina em alumínio. O procedimento HallHéroult é o que se usa atualmente e consome cerca de 14,8 kWh (média brasileira) para a
produção de um quilo de alumínio primário. O elemento “alumínio” é abundante na crosta
terrestre na forma de óxido de alumínio (Al2O3) e as reservas minerais são quase ilimitadas.O
minério industrial mais importante é a“bauxita”, com um teor de óxido de alumínio entre 35%
30
a 45%; suas jazidas localizam-se principalmente nas regiões tropicais e, no Brasil,
concentram-se na área amazônica. (ABAL, 2007)
Segundo ABAL (2007), o ponto de fusão do alumínio puro é 660°C, possui sistema cristalino
CFC (cúbico de face centrada) e densidade de 2,7g/cm3. O alumínio puro possui baixa
resistência a tração, sendo 6 kg/mm2. Elementos de liga, trabalho a frio e tratamento térmico,
aumentam sua a resistência à tração. O alumínio metálico possui alta ductilidade (HB:17-20)
e módulo de elasticidade baixo (7.000kg/mm2), além de possuir alta condutividade térmica.
Devido a estas propriedades, o alumínio é largamente utilizado na produção de fios, cabos e
automóveis.
3.3.1.4. Diaoyudaoite
De fórmula química NaAl11O17, a Diaoyudaoite possui peso molecular de 591,78 g/mol. Sua
composição consiste em 3,88% de Na, 50,15% de Al e 45,96% de O. (BARTHELMY, 2012)
3.3.1.5. Halita
Fórmila empírica NaCl, possui peso molecular 58,44g/mol e composição de 39,34% de Sódio
e 60,66% de Cloro. O ambiente de ocorrência são depósitos evaporíticos marinho ou
continental e está presente em todo o mundo em bacias sedimentares.
O nome halite deriva a partir dos halos grego, que significa "sal" e lithos significa "rocha".
(BARTHELMY, 2012)
3.3.1.6. Quartzo
Segundo DOLLEY (2005), o quartzo, de fórmula empírica SiO2 possui peso molecular de
60,08g/mol e é o mineral mais abundante do planeta Terra, aproximadamente 12% vol. Possui
estrutura cristalina trigonal composta por tetraedros de sílica (dióxido de silício, SiO2),
pertencendo ao grupo dos tectossilicatos. Possui o hábito cristalino de um prisma de seis
lados. Possui dureza 7 na Escala de Mohs e se apresenta em cores variadas. Possui peso
específico 2,65.
O quartzo possui em sua composição 46,74% de Si e 54,26% de O.
31
3.3.1.7. Silício
Segundo BUTZ (2002), o elemento químico silício, cujo símbolo é Si possui massa atômica
igual a 28 u. e se encontra em estado sólido em temperatura ambiente. Descoberto em 1823
por Jöns Jacob Berzelius e é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre, mais de
28% de sua massa. Geralmente é encontrado na forma de dióxido de silício, a sílica.
Apresenta-se na forma octaédrica e constitui em um material de alta pureza. Utilizado na
fabricação de semicondutores. Seu ponto de fusão é de 1687K e ponto de ebulição 3538K.
3.3.1.8. Espinélio
Segundo PING et alii (2001), o MgAl2O4, conhecido como espinélio, é um excelente óxido
refratário com uma imensa importância tecnológica como cerâmica estrutural.
Segundo a Enciclopédia Multimídia de Minerais do Museu Heinz Ebert (2012), o espinélio
constitui de 21,3% de MgO e 78,7% de Al2O3. É um material isotrópico, com cristalografia
isométrica, hábito octaédrico, dureza 8, fratura conchoidal, brilho resinoso a graxo e cores
variadas. O espinélio é de origem magmática, ocorrendo em rochas básicas e ultrabásicas
como mineral acessório e em mármores impuros submetidos a metamorfismo de contato de
alta temperatura. É utilizado como gema e refratário.
3.3.1.9. Wustita
Mineral de fórmula FeOx seu nome é devido a Ewald Wüst (1875-1934), da Universidade de
Kiel, na Alemanha. É encontrada com meteoritos e ferro nativo, possui de 5 a 5,5 de dureza
na Escala de Mohs, hábito cristalino piramidal, fratura subconchoidal e densidade de
5,7cm/m3. (BARTHELMY, 2012)
32
4. METODOLOGIA
A metodologia do trabalho foi desenvolvida nas seguintes etapas:
Caracterização química e física das principais matérias-primas envolvidas na produção
do briquete de borra de alumínio;
Testes para inertização da borra de alumínio;
Desenvolvimento de uma metodologia para verificar o teor de nitreto de alumínio
(AlN) na borra de alumínio;
Fabricação dos briquetes;
Testes mecânicos com os briquetes.
As etapas para o desenvolvimento do estudo são detalhadas a seguir.
4.1.
Caracterização química e física das principais matérias-primas envolvidas na
produção do briquete de borra de alumínio
Inicialmente, foi realizada caracterização química e física das principais matérias-primas
utilizadas pela Solvi Insumos na fabricação do briquete. As matérias-primas que foram
analisadas são: borra de alumínio, chamote básico e fluorita.
Os procedimentos para caracterizar os materiais são descritos a seguir.
4.1.1. Análise Química por Via Úmida
Primeiramente, foram realizadas análises clássicas para determinação quantitativa dos
componentes da amostra química. Este método envolve equipamentos mais simples como
mufla, estufa, balança de precisão, reagentes e vidrarias. As análises das matérias-primas
foram realizadas no laboratório químico da Solvi Insumos e foi utilizado um lote de cada
matéria-prima dos fornecedores mais frequentes a fim de verificar a estabilidade dos teores de
compostos presentes como óxido de cálcio, óxido de magnésio, sílica, fluorita, alumínio
metálico, ferro total e alumina, além da análise de perda por calcinação (PPC).
33
4.1.1.1. Análise de Perda por Calcinação (PPC)
A preparação da amostra consiste na moagem do material até atingir granulometria inferior a
0,150 milímetros. Após essa etapa é realizado o quarteamento da amostra e em seguida ela é
colocada na estufa a 110°C por duas horas para perda de umidade.
Tal análise foi realizada igualmente para todas as matérias-primas. Parte desse material é
colocada no dessecador até que se atinja temperatura ambiente. Em seguida é aferida a massa
do cadinho vazio (CDVZ) e a massa do cadinho com aproximadamente 1,0 g da amostra, com
variação de ± 0,1 g (CDVZamost). O cálculo da massa da amostra (MA) é calculado
subtraindo-se a massa do cadinho cheio com a massa do cadinho vazio e deve-se anotar o
valor com exatidão, conforme a equação 4.1 abaixo.
MA = CDVZamost – CDVZ
(4.1)
Em seguida, leva-se o cadinho à mufla a 1000°C durante 1 hora. Passado este tempo na
mufla, leva-se a amostra ao dessecador até atingir a temperatura ambiente e a amostra é
colocada novamente na balança de precisão onde se obtém a massa da amostra calcinada
(CDcalc). Com os dados obtidos, realiza-se o cálculo apresentado na equação 4.2:
%PPC = CDVZamost – CDcalc
MA
(4.2)
4.1.1.2. Análise de Sílica – SiO2
Nesta análise foram utilizados métodos diferentes para a fluorita e para o chamote básico.
Para a análise de sílica presente na fluorita, separa-se 1,0 grama da amostra quarteada que é
levada para a estufa para retirada de umidade, e em seguida no dessecador para atingir
temperatura ambiente.
Adiciona-se 100ml de ácido clorídrico concentrado e 3g de ácido bórico em um béquer
juntamente com a amostra, tampa-se o béquer com vidro de relógio onde é aquecido na chapa
a aproximadamente 350°C.
Após uma redução de aproximadamente 70ml no volume, adiciona-se 20ml de ácido
perclórico e no momento em que um gás branco é liberado, deixa-se o material secar. Após a
secagem, retira-se o béquer da chapa para que ele volte à temperatura ambiente.
34
Leva-se o béquer novamente para a chapa misturado com 60ml de ácido clorídrico (HCl) 1:1
e aguardar fervura. Após fervura, filtra-se a solução para um balão de 500ml. Na filtração,
deve ser utilizado papel de filtro faixa branca e polpa de papel e para uma filtragem mais
eficiente, deve-se lançar fortes jatos de água quente. É de suma importância friccionar as
paredes do béquer com bastão de vidro com ponta revestida de borracha e um pedaço de papel
para que partes da amostra não fiquem retidas no béquer.
Adiciona-se 30ml de HCl 1:1 no béquer e levá-la à chapa para fervura com o objetivo de
limpar o papel de filtro com a solução.
Coloca-se o resíduo juntamente com o filtro em um cadinho de platina que é levado a chapa
até secura, e em seguida é encaminhado para o forno mufla a 1000° C até completar a
calcinação (aproximadamente 1 hora).
Ao sair do forno mufla, o cadinho é encaminhado ao dessecador para que retorne a
temperatura ambiente. Em seguida, a massa do cadinho contendo resíduo calcinado (M1) é
aferida.
Com auxílio de uma proveta, mede-se 3ml de ácido fluorídrico e o adiciona ao cadinho de
platina contendo o resíduo. A seguir, adiciona-se uma gota de ácido sulfúrico ao cadinho e
leva-se novamente a chapa em temperatura branda até a secagem total do resíduo. Após essa
etapa, eleva-se a temperatura da chapa até o material liberar um gás branco. Leva-se o resíduo
para a mufla por 5 minutos e em seguida para o dessecador. Afere-se novamente a massa do
resíduo (M2) e realiza-se o cálculo da porcentagem de sílica na amostra conforme apresentado
na equação 4.3.
% SiO2
(M 1
M 2 ).100
MA
(4.3)
Onde:
%SiO2= Porcentagem de sílica presente
M1: Massa do cadinho contendo resíduo
M2: Massa do cadinho contendo resíduo insolúvel fluorizado
MA: Massa inicial tomada
Já a análise da sílica para o chamote básico, o início do procedimento se diferencia da análise
da fluorita. O material é quarteado, seco na estufa e levado ao dessecador. Após essa
35
preparação, separa-se 1,0 grama do chamote básico e mistura-se em um béquer 100ml de HCl
concentrado. Quando o volume estiver reduzido, adicionam-se 5 gotas de ácido nítrico que
tem a função de oxidar o ferro metálico presente, visando evitar que o cadinho de platina
utilizado seja furado. Em seguida, o béquer é levado para a chapa até estar totalmente seco.
Após estar seco, são adicionados 60ml de HCl 1:1, e retorna-se o béquer para a chapa a
350°C. Diminuído o volume, o material é filtrado para um balão do mesmo modo como é
descrito para a análise da fluorita. Esta etapa é apresentada na figura 4.1.
Figura 4. 1 - Filtragem do chamote básico para o balão, obtendo-se o resíduo e a solução.
Ao sair da filtração, o resíduo é colocado em um cadinho de platina e levado para o forno
mufla até o resíduo ser totalmente calcinado. Saindo do forno mufla, o material depois de frio
é misturado com fundente ternário no próprio cadinho e volta para a mufla a 1000°C para
fundir.
Depois de fundido, o cadinho com o material é inserido em um béquer contendo 40ml de água
e em seguida são adicionados 40ml de HCl. O béquer é colocado na chapa para completa
36
diluição e remoção do material do cadinho. Ao verificar completa diluição, retira-se o cadinho
e adiciona-se 20ml de ácido perclórico na solução.
A partir da adição do ácido perclórico, o procedimento é o mesmo realizado para a fluorita.
Após a análise da sílica, inicia-se a preparação da amostra para a análise de outras
substâncias. Adiciona-se a mistura de fundente ternário no cadinho, o suficiente para cobrir
totalmente o resíduo e o encaminha ao forno mufla por 15 minutos á 1000° C.
Retira-se o cadinho da mufla e o transfere para um béquer de 400ml, contendo 40ml de água e
adiciona-se 30ml HCl. Tampa-se o béquer com vidro de relógio e leva-o para chapa. Quando
todo resíduo estiver solubilizado, transfere-se a solução para o balão onde estava a parte
líquida da filtração supracitada. Em seguida lava-se o béquer com fortes jatos de água quente
e resfria-se o balão com água corrente. Completa-se o balão com água alinhando o menisco
com a marca do balão. Homogeneizar a solução. Após esse procedimento, a amostra estará
pronta para a análise de outras substâncias.
4.1.1.3. Óxido de Cálcio – CaO e Óxido de Magnésio - MgO
O procedimento descrito a seguir é realizado somente com o balão de chamote básico, onde
ocorre a análise simultânea de CaO e MgO.
Após resfriado, são pipetados 100ml da solução de chamote básico do balão e transferidos
para dois béqueres. Em seguida, adiciona-se 30ml de cloreto de amônio 10% e 20ml de
bromo. Leva-se a mistura para a chapa e aguarda-se fervura. Após fervura, adiciona-se
hidróxido de amônio até que se altere a coloração e mais 5ml em excesso, aguardando-se
fervura.
Em seguida, filtra-se a solução para dois erlenmeyers e deve ser utilizado papel de filtro faixa
branca e polpa de papel. Deixa-se esfriar e inicia-se a titulação.
Primeiramente é realizada a titulação para análise do CaO. Adiciona-se 40ml de hidróxido de
sódio 40% e pequena concha de indicador calconcarboxílico no erlenmeyer. Titular com
solução de EDTA 0,1N, até que o meio passe de roxo para azul.
Anota-se o volume de EDTA gasto, e realiza-se o cálculo dado pela equação 4.4:
37
%CaO
V1 .Fc1
MAdil
(4.4)
Onde:
% CaO: Porcentagem de CaO presente
V1: Volume gasto da solução de EDTA 0,1N para titular CaO
Fc1: Fator de correção para CaO (0,5345)
MAdil: Massa inicial considerando diluição
Para a análise do MgO, realiza-se o mesmo procedimento do CaO, porém, no lugar de
hidróxido de sódio, adiciona-se 40ml de solução buffer para MgO e no lugar de indicador
calconcarboxílico, adiciona-se uma pequena concha de indicador negro de eriocromo T.
Titular com solução padronizada de EDTA 0,1N, até que o meio se torne azul.
Anota-se o volume de EDTA gasto, e realiza-se o cálculo dado pela equação 4.5:
% MgO
(V2
V1 ).Fc 2
MAdil
(4.5)
Onde:
% MgO: Porcentagem de MgO presente
V2: Volume gasto da solução de EDTA 0,1N para titular MgO
V1: Volume gasto da solução de EDTA 0,1N para titular CaO
Fc2: Fator de correção para MgO (0,3926)
MAdil: Massa inicial considerando diluição
4.1.1.4. Alumina – Al2O3
A análise de alumina também é realizada apenas para o chamote básico.
Pipeta-se 100ml do balão para um béquer e adiciona-se uma gota de indicador alaranjado de
metila a 0,1%. Para neutralizar o meio, adicionam-se gotas de hidróxido de amônio (NH4OH)
até a solução passar de vermelho para amarelo. Com o conta gotas, adicionam-se 6 gotas de
HCl.
38
Coloca-se no mesmo béquer, 30ml de tiossulfato de sódio 10%, e aguarda-se em repouso até
que a solução fique totalmente branca.
Após essa etapa, adicionam-se 30ml de fosfato de sódio e amônio 20% e 30ml de tampão
acético 20%. Leva-se a chapa para fervura.
Em seguida, filtra-se a solução utilizando papel de filtro faixa branca e polpa. Fricciona-se as
paredes do béquer utilizando bastão de vidro com ponta revestida de borracha, pedaço de
papel de vidro e fortes jatos de água quente.
O resíduo deve ser lavado 6 vezes, colocado em um cadinho de porcelana e levado para a
chapa para secagem.
Deixa-se no forno mufla até que o resíduo esteja totalmente calcinado, e em seguida é
encaminhado ao dessecador e permanece nele até que atinja temperatura ambiente.
Pesa-se o resíduo e anota-se a massa para realizar o cálculo do teor de alumina apresentado
pela equação 4.6:
% Al 2 O3
( M 1 .0,42.100) % Al
MAdil
(4.6)
Onde:
% Al2O3 = Porcentagem de alumina presente
M1= Massa do resíduo calcinado
0,42 = Fator de correção para alumina
MAdil = Massa inicial considerando diluição
%Al° = Porcentagem
de alumínio metálico encontrado anteriormente no
procedimento.
4.1.1.5. Fluorita – CaF2
A análise de CaF2 é realizada apenas para o balão de fluorita. Pipeta-se uma alíquota de 50ml
do balão para um béquer de 400ml. Adiciona-se 30ml de cloreto de amônio 10%, e 20ml de
água bromada. Leva-se ao aquecimento na chapa até princípio de fervura.
39
Goteja-se hidróxido de amônio até que o meio esteja amoniacal. Neste ponto observa-se
mudança de cor do meio de amarelo para incolor. Adicionam-se 5ml de hidróxido de amônio
em excesso, e 20ml de água bromada e a ferve por 5 minutos.
Filtra-se a solução para um erlenmeyer de 400ml, utilizando papel de filtro faixa branca,
polpa de papel e fortes jatos de água quente. Com água corrente, resfria-se o erlenmeyer até
atingir temperatura ambiente.
Em seguida, adiciona-se 30ml de hidróxido de sódio 40%, e uma concha do indicador
calconcarboxílico. Titula-se com solução de EDTA 0,1N, até a solução se tornar azul. Anotase o volume de EDTA gasto e realiza-se o cálculo dado pela equação 4.7.
%CaF2 = V3.Fc3.Fc1 / MAdil
(4.7)
Onde:
%CaF2= Porcentagem de fluorita presente
V3: Volume gasto da solução de EDTA 0,1N para titular CaF2
Fc3: Fator de correção para CaF2
MAdil: Massa inicial considerando diluição
4.1.1.6. Alumínio Metálico – Al0
As análises de alumínio metálico presentes na borra de alumínio foram realizadas no
eudiômetro da Solvi Insumos, como apresentado na figura 4.2. Foram preparadas duas
amostras de diferentes fornecedores para análise e validação dos resultados. Tais análises
servirão somente para demonstrar o que já se confirmou na empresa Solvi Insumos, onde
estas análises já foram repetidas dezenas de vezes.
40
Figura 4. 2 - Eudiômetro da Solvi Insumos.
A reação química do alumínio e o hidróxido de sódio libera o gás hidrogênio, tornando
possível medir o teor de alumínio metálico da amostra, conforme mostra a reação 4.8:
2NaOH(aq) + 2Al(s) + 6H2O(l) = 2NaAl(OH)4(aq) + 3H2(g)
(4.8)
O procedimento consiste nas seguintes etapas:
1ª etapa: Moagem seguida da separação da amostra de borra de alumínio por quarteamento.
Serão pesados 1,5 gramas de borra de alumínio para uma análise mais representativa. A
amostra deverá ser inserida em um kitassato e serão adicionados 40ml de hidróxido de sódio a
40%. Deve-se tampar o kitassato imediatamente após a mistura devido à rápida reação. Ligase o bico de bunsen a aproximadamente 50°C e a torneira que evita o superaquecimento da
coluna de gás do eudiômetro.
2ª etapa: Verifica-se se o líquido da coluna do eudiômetro, composta por água e indicador,
está no marco zero.
3ª etapa: Submete-se a amostra a alta temperatura (fervura) até que se verifique estabilização
da coluna líquida do eudiômetro, ou seja, o término da reação onde é liberado gás hidrogênio.
4ª etapa: Desliga-se o bico de Bunsen e resfria-se com auxílio de água corrente por 20
minutos até atingir temperatura ambiente.
5ª etapa: Realiza-se a leitura do volume deslocado do líquido e realiza-se o cálculo do teor de
alumínio metálico presente na amostra, seguindo a seguinte fórmula 4.9.
41
% Al
V .FC
MA
(4.9)
Onde:
%Al° = Porcentagem de alumínio metálico da amostra
V = Volume deslocado da coluna líquida do eudiômetro.
FC = Fator de correção para Al° (1,99)
MA= Massa inicial pesada.
Tal determinação pode ser considerada precisa, pois os outros elementos presentes na borra
reagem com hidróxido de sódio, e todo o gás hidrogênio gerado é advindo do alumínio
metálico.
4.1.1.7. Ferro Total – FeT
A análise de ferro total também é realizada somente para o chamote básico.
Pipeta-se uma alíquota de 25ml do balão para um erlenmeyer de 400ml. Ajusta-se o volume
com água para aproximadamente 100ml. Adiciona-se hidróxido de amônio até que o meio se
torne amoniacal.
Para controlar o pH, adiciona-se ácido clorídrico até que o meio esteja novamente ácido. Após
a dissolução do ferro adicionar 5 gotas de ácido clorídrico em excesso. Leva-se ao
aquecimento na chapa e deixa-se manter fervura por 2 minutos. Retira-se a amostra da chapa
e adiciona-se 3 gotas de solução cloreto de estanho II 10%. O ferro será reduzido e a solução
passa de amarelo para incolor.
Novamente, leva-se a fervura por 2 minutos e resfria-se o erlenmeyer com água corrente.
Completa-se o erlenmeyer até 200ml.
Adiciona-se 10ml de bicloreto de mercúrio e 10ml de sulfato de manganês II (Zimmermann).
Deixa-se em repouso por 1 minuto.
Titula-se com permanganato de potássio 0,1N até que a cor se altere de branco para rosa fixo.
Anota-se o volume de permanganato de potássio gasto e realiza-se o cálculo da equação 4.10.
42
% FeT
V5 .Fc 5 .0,005585
MAdil
(4.10)
Onde:
% FeT = Porcentagem de ferro total presente
V5: Volume gasto da solução de KMnO4 0,1N para titular FeT
Fc5: Fator de correção para FeT
MAdil: Massa inicial considerando diluição
0,005585: Mili-equivalente grama do ferro
Nesta etapa da análise deve-se estar bem atento com a utilização do bicloreto de mercúrio,
devido ao enorme impacto que pode ser causado por este elemento se não for utilizado de
forma adequada ou não receber o devido tratamento de seu resíduo.
4.1.2. Espectroscopia de Emissão Atômica com Plasma Indutivamente Acoplado (ICP AES)
Este método instrumental determina a análise química da amostra para a maioria dos
elementos químicos presentes. Nessa técnica ocorre a excitação dos níveis externos de todos
os elementos presentes pela energia térmica do plasma. A análise foi realizada com uma
amostra de cada matéria-prima do briquete e foi realizada no laboratório químico via úmida
da empresa Aperam, no município de Timóteo, MG. O equipamento utilizado é da marca
Perkin Elmer, modelo 5300-DV, e sua imagem pode ser observada na Figura 4.3. A
metodologia adotada é descrita a seguir.
43
Figura 4. 3 – ICP Perkin Elmer utilizado na análise das matérias-primas que serão utilizadas
no briquete de borra de alumínio.
4.1.2.1. Borra de Alumínio
Pesa-se aproximadamente 0,2000g da amostra, adiciona-se 40ml NaOH 20%, aquece-se em
chapa branda até ataque completo. Em seguida, realiza-se a filtração para balão 250ml,
lavando com água quente. Calcina-se o resíduo do papel a 650ºC em cadinho de Platina.
Adiciona-se 40ml de HCl concentrado ao balão 250ml e o reserva para determinação do Al
metálico em ICP (Espectrometro Plasma Ótico).
Adiciona-se ao resíduo calcinado, 2g de mistura fundente 3:2 tetraborato de sódio + carbonato
de sódio; funde-se em mufla a 1050 ºC por 30 minutos. Retoma-se a massa fundida com 20ml
HCl e água quente, transfere-se para balão de 200ml e determina-se os outros elementos (Al
da Al2O3, Ca, Mg, etc.) no ICP.
4.1.2.2. Chamote Básico (Chamote de Magnésio)
Pesa-se aproximadamente 0,2000g da amostra em cadinho de platina, adiciona-se 2g de
mistura fundente 3:2 tetraborato de sódio + carbonato de sódio; funde-se em mufla a 1050ºC
por 30 minutos. Retoma-se a massa fundida com 20ml de HCl e água quente, transfere-se
para balão de 200ml e determina-se os elementos no ICP.
4.1.2.3. Fluorita
Realiza-se o mesmo procedimento realizado para o chamote básico.
44
Para a análise de Sódio (Na) e Potássio (K) de todas as matérias-primas, pesa-se
aproximadamente 0,1g da amostra ataca com 20ml de HCl + 10ml de HF em cápsula de
platina, leva-se à chapa até quase secura, retoma-se com 20ml de HCl, filtra-se para balão de
polipropileno de 100ml e determina-se por ICP.
4.1.3. Difração de Raios-X
A difração de Raios-X é o método que realiza a determinação de fases cristalinas presentes na
amostra, quantificação de fases (curva padrão), determinação de composição, determinação de
parâmetros cristalinos, medida de tamanho de cristalitos, medida de textura, avaliação de
cristalinidade e medida de tensões residuais.
Uma amostra de cada matéria-prima foi enviada para a análise no difratômetro do laboratório
do Departamento de Geologia da Universidade Federal de Ouro Preto e o mesmo lote de
borra de alumínio foi enviado também para o laboratório da Mineração Curimbaba a fim de
verificar diferenças de análises.
As amostras são primeiramente pulverizadas e colocadas em recipientes separados no
equipamento. É importante observar que as amostras podem ser inseridas juntas no
difratômetro onde é analisada uma amostra por vez. Na Figura 4.4 pode-se observar o tubo de
Raio X do equipamento.
Figura 4. 4 – Tubo de Raio X do difratômetro.
45
Na Figura 4.5, observa-se o difratômetro da Universidade Federal de Ouro Preto onde as
amostras foram analisadas, do modelo PANalytical.
Figura 4. 5 – Difratômetro de Raios-X do modelo PANalytical.
4.2. Inertização da Borra de Alumínio
No processo produtivo da indústria de escória sintética, há produtos que necessitam de adição
de água. No entanto, a utilização dos finos da borra de alumínio na presença de água geram
reações exotérmicas, com geração de amônia, que inviabiliza a conformação mecânica das
escórias sintéticas.
Paralelamente à caracterização, foi desenvolvido um método de inertização dos finos da borra
que consiste na implantação de uma planta de inertização construída na Solvi Insumos.
Para que a metodologia realizada na planta da empresa fosse validada, foram realizados
diversos experimentos em escala laboratorial objetivando adotar o melhor método onde as
reações da borra com a água fossem diminuídas no melhor intervalo de tempo e com menor
custo e impacto ambiental. A metodologia realizada no laboratório é descrita a seguir.
46
4.2.1. Cálculo do teor de Nitreto de Alumínio (AlN) na borra de alumínio
O Nitreto de Alumínio presente na borra de alumínio é responsável pela formação da amônia
quando em contato com a umidade, conforme mostram as equações 4.11, 4.12 e 4.13, de
acordo com MOLISANI (2009). Devido a isso, é de grande importância que se conheça a
quantidade de AlN presente no material.
Visando verificar o teor de Nitreto de Alumínio presente na borra foi desenvolvida uma
metodologia de análise no eudiômetro, com o objetivo de se obter a porcentagem de AlN
presente numa dada amostra.
AlN(s) + 2H2O(l) = AlOOHamorfo + NH3(g)
(4.11)
NH3(g) + H2O(l) = NH4+ + OH-
(4.12)
AlOOHamorfo + H2O(l) = Al(OH)3(gel)
(4.13)
Conforme mostrado na equação 4.11, o Nitreto de Alumínio presente na composição da borra,
ao reagir com a água forma amônia. Quando uma pequena amostra de borra de alumínio é
colocada no eudiômetro misturada a uma quantidade de água, o gás amônia liberado é
capturado no tubo de vidro do aparelho e é possível medí-lo.
A metodologia adotada consiste em pesar em balança de precisão aproximadamente 1,5
gramas da amostra pulverizada e quarteada, com variação de ±0,1 gramas e aproximadamente
50 ml de água no erlenmeyer do eudiômetro. Em seguida veda-se o erlenmeyer para que o gás
liberado fique isolado no tubo do eudiômetro. Leva-se o erlenmeyer ao fogo para que a reação
ocorra mais rápido e o gás seja desprendido.
Adotou-se a análise da altura do líquido de 10 em 10 minutos até que se note a estabilização
do tubo de 4 a 5 leituras. Em seguida, esfria-se o erlenmeyer em água para que as condições
de pressão e temperatura voltem à condição ambiente. Faz-se a última leitura do líquido
deslocado pelo gás.
O raciocínio adotado para o cálculo da porcentagem de AlN no material foi o seguinte:
1ª etapa: Realizou-se a leitura no eudiômetro após o erlenmeyer voltar às condições normais
de temperatura e pressão, tal leitura pode ser representada pela letra h.
47
2ª etapa: Calculou-se o volume do gás que deslocou o líquido.
3ª etapa: Em função da massa molecular da amônia, calcula-se a massa de amônia que foi
liberada no eudiômetro.
4ª etapa: Da massa de amônia obtida, calcula-se a massa de nitrogênio liberada.
5ª etapa: Com o valor da massa de nitrogênio liberada e baseando-se na equação 4.11 é
possível realizar o cálculo de AlN presente na amostra. A fórmula genérica encontrada da
procentagem de Nitreto de Alumínio presente na borra é mostrada na equação 4.14 a seguir:
%AlN = 2,9094 * h
m
(4.14)
Onde:
m = massa da amostra
h = leitura do líquido deslocado
4.2.2. Testes para criação do método de inertização
Para que a reação entre o Nitreto de Alumínio e a água fosse diminuída, foram realizados
testes colocando a borra de alumínio em contato com certa quantidade de água a determinada
temperatura, seguido de aquecimento da mistura até que a liberação de amônia fosse
acelerada pelo aumento de temperatura e pressão. Após o aquecimento, deixou-se a mistura
em repouso até que se percebesse a reação consideravelmete menor.
O objetivo dos testes realizados foi a obtenção da melhor proporção de água e borra a ser
colocado para reagir, a melhor temperatura inicial da água para que a borra fosse adicionada,
do melhor tempo de aquecimeto da mistura na panela e do melhor tempo para diminuição da
reação para que o material pudesse ser briquetado.
Primeiramente, foram separados em cinco béqueres diferentes proporções de água e 100
gramas de borra de alumínio, visando observar se depois de 48 horas ainda havia água o
suficiente no béquer. As quantidades adicionadas foram: 50, 100, 150, 200 e 250ml de água.
Após a confirmação da melhor proporção de água e borra, realizou-se, em 5 béqueres, a
dosagem da água e do material, afim de verificar o melhor tempo de aquecimento para que os
resultados de aceleração da reação fossem satisfeitos. Foram adotados os intervalos de tempo
48
55, 40, 30, 20 e 10 minutos de aquecimento. Além disso, foram utilizadas três diferentes
temperaturas iniciais da água antes de ser misturada à borra, com o intuito de observar
possíveis variações de comportamento. Na Figura 4.6, pode-se observar os cinco béqueres
que foram submetidos a diferentes intervalos de tempo.
Figura 4. 6 – Béqueres com a mistura de água e borra utilizados nos testes de inertização.
Após comprovados o melhor tempo e temperatura realizou-se a medição do pH da mistura no
início e fim de aquecimento, visando verificar a diminuição do pH.
Paralelamente ao controle do pH, realizou-se a observação da mistura até que se atingisse uma
expressiva diminuição na reação do material, sendo verificada a diminuição do odor de
amônia e ausência ou significaria diminuição na formação de bolhas.
4.2.3. Análise do alumínio metálico presente na água utilizada na inertização
Após validado o processo de controle para diminuição de reação do material, a borra foi
submetida a filtração para posterior secagem, como pode ser visto na Figura 4.7.
49
Figura 4. 7 – Filtração da borra após o processo de inertização.
A água utilizada no processo foi levada para análise no ICP da empresa Aperam de Timóteo
afim de verificar o teor de alumínio metálico presente na água e consolidar a qualidade do
processo de inertização sem que haja perda de alumínio metálico, que consiste no principal
produto a ser recuperado na borra.
4.2.4. Análise dos teores de alumínio metálico em diferentes tratamentos da borra
inertizada
Conforme já descrito no presente trabalho, a análise de alumínio metálico foi realizada no
eudiômetro da Solvi Insumos.
Com o processo de inertização validado, foi necessária a análise de alumínio metálico
presente na borra inertizada, visando verificar se houve alguma perda significativa de
alumínio metálico no processo.
Foram realizadas 5 análises com a borra de alumínio inertizada e seca à temperatura ambiente
e constatou-se que houve perda de alumínio metálico entre 15 e 25% dos teores iniciais.
Devido a esse fato, foram realizados dois tratamentos visando recuperar o alumínio metálico
da borra. O raciocínio adotado consistiu no aquecimento da borra inertizada que não
ultrapassasse a temperatura de fusão do alumínio metálico (660°C), para que o alumínio em
forma de hidróxido fosse recuperado à alumínio metálico.
50
A perda deste alumínio se deve à formação de Al(OH)3 que é formado quando o alumínio
entra em contato com a água . A equação 4.15 mostra a reação.
2Al(s) + 6H2O(l) = 2Al(OH)3(gel) + 3H2(g)
(4 .15)
O primeiro teste consistiu no aquecimento da borra inertizada em estufa a 110°C durante
aproximadamente 2 horas. Já o segundo teste, a borra inertizada foi levada na mufla a 450°C
por 1 hora.
Após o aquecimento, levaram-se as amostras em um pulverizador e em seguida foram
realizadas 5 análises de cada tratamento com o objetivo de verificar o teor de alumínio
metálico presente em cada amostra.
4.3. Fabricação dos Briquetes
Foi desenvolvido na Solvi Insumos uma formulação para o briquete utilizando variados tipos
de ligantes que conferem ao briquete resistência mecânica inicial, visando obter o melhor
produto para utilização na indústria.
4.4. Teste mecânico com os Briquetes
4.4.1. Teste de compressão
Foi realizado o teste de compressão nos briquetes produzidos com o objetivo de verificar qual
a resistência deste briquete para que se pudesse desenvolver um material de qualidades físicas
requeridas na indústria siderúrgica.
O ensaio de compressão foi realizado no Laboratório de Ensaios Mecânicos da Universidade
Federal de Ouro Preto, em uma máquina universal de ensaios Amsler e capacidade total de 5
toneladas, como se observa na Figura 4.8.
A metodologia utilizada consiste separar os briquetes a serem testados, numerá-los e anotar a
peculiaridade de cada briquete como trincas, falhas e diferenças na forma. Em seguida, um
briquete é colocado no equipamento, onde é comprimido até que ocorra a primeira fratura.
Com isso, é possível medir quantos quilos o briquete se mantém inteiro até a sua fratura.
51
Figura 4. 8- Máquina universal de ensaios Amsler do Laboratório de ensaios mecânicos da
Escola de Minas.
4.4.2. Teste de quedas
Com o objetivo de simular o transporte dos briquetes e o seu comportamento dentro dos silos
já na indústria siderúrgica, avaliando sua resistência às quedas, foi selecionado um pacote
contendo 100 briquetes intactos, e em seguida a massa foi aferida. Tal pacote foi submetido a
7 quedas sucessivas de 2,5 m com o objetivo de simular o caminho do briquete ao chegar no
silo. Tal teste foi repetido por três vezes a fim de verificar a veracidade do resultado. Após o
teste, o material foi peneirado em uma peneira de 9,5 milímetros com o objetivo de separar o
material considerado fino para utilização dos briquetes.A figura 4.9 ilustra um dos sacos com
os briquetes submetidos ao teste de quedas.
52
Figura 4. 9 – Briquetes selecionados para o teste de quedas.
53
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1.
Caracterização química e física das principais matérias-primas envolvidas na
produção do briquete de borra de alumínio
5.1.1. Análise química por Via Úmida
Na análise química por via úmida, os resultados encontrados para a borra de alumínio,
chamote de magnésio e fluorita são mostrados nas tabelas a seguir.
5.1.1.1. Borra de Alumínio
Para a borra de alumínio, foram analisados dois lotes, como mostrados na Tabela V.1. Nestas
análises foi possível confirmar a porcentagem de alumínio metálico na borra e certificar a
viabilidade de sua utilização nas escórias sintéticas dessulfurantes.
Tabela V. 1: Resultado da análise química por via úmida da borra de alumínio lote 980 e 1218
Borra de Alumínio
Lote
% Al0
980
23,63
1218
26,79
Durante as análises, pôde-se observar que a faixa aceita de alumínio metálico presente na
borra está entre 23 e 27%.
Os lotes utilizados nesta análise foram de fornecedoras diferentes. Verifica-se que no lote
1218 o teor de alumínio metálico é superior ao lote 980. Porém, eles se encontram na faixa
considerada aceita para utilização na produção dos briquetes, que é no mínimo 20% de
alumínio metálico.
5.1.1.2. Chamote Básico
Para o chamote básico realizou-se a análise de um lote conforme mostra a Tabela V.2. Assim
como a borra de alumínio, selecionou-se um lote para ilustrar o presente trabalho, pois na
empresa Solvi Insumos são realizadas análises para esta matéria-prima frequentemente.
Nesta matéria-prima, a substância mais importante é o óxido de magnésio que consiste em
uma das matérias-primas da escória sintética dessulfurante. Ela é utilizada para conferir a
proteção do revestimento refratário da panela e é proveniente de resíduos de tijolo de
refratários magnesianos reciclados (chamote básico).
54
Tabela V. 2: Resultado da análise química por via úmida para o chamote básico.
Chamote Básico - Lote 1214
Substância
%
CaO
2,44
Al2O3
7,54
SiO2
4,47
MgO
76,96
PPC
7,97
Fechamento
99,38
O resultado de óxido de magnésio no lote da Tabela V.2 atende às exigências da empresa,
visto que valores menores que 65% são considerados insatisfatórios para que se tenha um
produto com a qualidade e funções requeridas.
5.1.1.3. Fluorita
O elemento principal deste resíduo é a fluorita e ela é utilizada nos briquetes dessulfurantes
para aumentar a fluidez da escória, abaixando sua temperatura de fusão e aumentando a
velocidade das reações químicas na interface metal escória. Na Tabela V.3 encontra-se o
resultado para a análise deste material. Novamente, ressalta-se que esta análise foi realizada
para o presente trabalho.
Tabela V. 3 – Resultado da análise química por via úmida do resíduo de fluorita.
Fluorita - Lote 1082
Substância
%
SiO2
15,09
CaF2
74,2
PPC
4,13
C
0,06
S
0,01
Fechamento
93,49
O resultado esperado de CaF2 neste resíduo é no mínimo 74%. Portanto, tal lote atendeu às
exigências da empresa para que o briquete fosse fabricado com esta matéria-prima.
55
5.1.2. Espectroscopia de Emissão Atômica com Plasma Indutivamente Acoplado (ICP AES)
Os resultados dados pela análise no ICP para a borra de alumínio, chamote básico e fluorita
são explicitados a seguir.
5.1.2.1. Borra de Alumínio
O resultado da análise no ICP, mostrado na Tabela V.4 mostra que houve similaridade quando
comparado aos resultados da análise por via úmida e isso demonstra a coerência nos
resultados das análises realizadas. Um resultado importante nesta análise é a presença de
nitreto de alumínio, que consiste na substância que gera a amônia quando em contato com a
umidade.
Tabela V. 4 – Resultado da análise química da borra de alumínio realizada no ICP.
Borra de Alumínio - Lote 980
Substância
%
AlN
3
Al metálico
20,63
Al2O3
52,15
CaO
1,22
SiO2
7,62
Fe2O3
5,11
MgO
2,74
Mn
0,22
Cr
0,48
Ni
0,17
Ti
0,28
PPC
1
Na2O
3,98
K2O
0,72
Fechamento
99,32
5.1.2.2. Chamote Básico
Os resultados da análise no ICP para o chamote básico se encontram na tabela V.5. Nesta
análise verificou-se a presença do elemento enxofre, que é indesejável na composição do
briquete dessulfurante. Porém, neste caso, o valor é considerado muito baixo e pode ser
utilizado como matéria-prima. Este resultado também está consistente com o resultado na via
úmida.
56
Tabela V. 5 – Resultado da análise do chamote básico realizado no ICP.
Chamote Básico - Lote 1214
%
Substância
MgO
77,7
FeO
2,37
Al2O3
7,35
SiO2
4,72
CaO
1,76
MnO
1,15
Cr2O3
0,25
TiO2
0,22
C
2,7
S
0,041
Fechamento
98,261
5.1.2.3. Fluorita
A análise feita no resíduo de fluorita também está de acordo com o resultado da análise por
via úmida. A presença de enxofre na quantidade de 0,38%, assim como no chamote básico,
também é considerada aceitável. O resultado é mostrado na Tabela V.6.
Tabela V. 6 - Resultado da análise do resíduo de fluorita realizado no ICP.
Fluorita - Lote 1082
Substância
%
CaF2
70,07
Fe
0,45
Al2O3
2,78
MgO
0,11
SiO2
15,03
Na2O
K2O
C
S
0,991
0,287
0,044
0,38
Fechamento
90,142
5.1.3. Difração de Raios-X
5.1.3.1. Borra de Alumínio
Conforme informado, a borra de alumínio foi dividida em duas amostras e levadas ao
Laboratório de Difração de Raios-X da Universidade Federal de Ouro Preto e para o
57
laboratório de Difração de Raios-X da Mineração Curimbaba. Os resultados de ambas
amostras são mostradas nos Anexo I e Anexo II, respectivamente. Ressalta-se que tais
análises foram realizadas com o intuito de verificar quais os minerais e substâncias presentes
na amostra.
No resultado do Anexo I tem-se a presença de Coríndon (Al2O3), Anortita (Al2CaO8Si2),
Braunita (Mn7O12Si) e Moscovita (H2Al3KO12Si3).
Já no ANEXO II, o resultado mostrou algumas diferenças do resultado do Anexo I. A análise
revelou a presença dos minerais e substâncias Coríndon (Al2O3), Nitreto de Alumínio (AlN),
Alumínio metálico (Al0), Diaoyudaoite (NaAl11O17), Halite (NaCl), Quartzo (SiO2), Espinélio
(MgAl2O4) e Wustita (FeOx).
Com diferenças expressivas nos resultados de análise e comparando os resultados com as
outras análises realizadas anteriormente, verificou-se que o resultado a ser considerado seria o
da Mineração Curimbaba. Ressalta-se que o Laboratório de Difração de Raios-X da
Universidade Federal de Ouro Preto não está habituado a realizar análises de materiais como
o de estudo, devido a esse fato pode ter ocorrido algum erro na análise ou calibração do
equipamento.
Portanto, com o resultado da Mineração Curimbaba, foi possível afirmar a eficiência de todas
as análises realizadas, visto que seus resultados estão consistentes com as análises via úmida e
ICP.
5.1.3.2. Chamote Básico e Fluorita
Para o chamote básico, mostrado no Anexo III, os resultados foram condizentes com as outras
análises (via úmida e ICP). Os minerais encontrados foram Brucita (H2MgO2), Coríndon
(Al2O3), Anortita (Al2O8CaSi2) e Magnetita (Fe3O4).
No caso da fluorita, os minerais encontrados foram Quartzo (Si), Fluorita (CaF2) e Anortita
(Al2O8CaSi2). O resultado também está em consonância com os resultados das outras análises
realizadas.
58
5.2.
Inertização da borra de alumínio
5.2.1. Determinação do teor de Nitreto de Alumínio (AlN) na borra de alumínio
Para que a metodologia desenvolvida para a análise quantitativa de Nitreto de Alumínio fosse
validada, foram realizados 5 testes seguidos no eudiômetro. No primeiro teste, foi utilizada
uma massa de 2,9981 gramas de borra bruta e 100ml de água. Somente após 300 minutos a
leitura no eudiômetro foi completamente estabilizada, conforme mostra a Figura 5.1.
Figura 5. 1 – Leituras realizadas no eudiômetro para verificar a porcentagem de Nitreto de
Alumínio na borra de alumínio - Primeira análise.
Percebeu-se que se o mesmo teste fosse realizado com uma massa de borra menor, gastar-seia menos tempo para que a leitura se estabilizasse. Devido a este fato, os outros quatro
experimentos foram realizados com uma massa média de 1,5 gramas e 50ml de água. No
experimento número 2, foram utilizadas 1,5519 gramas de borra sem tratamento com 50ml de
água, as medidas são mostradas na Figura 5.2.
59
Figura 5. 2 - Leituras realizadas no eudiômetro para verificar a porcentagem de Nitreto de
Alumínio na borra de alumínio - Segunda análise.
No ensaio número 3, Figura 5.3, foram utilizadas 1,5327 gramas de borra e 50ml de água.
Figura 5. 3 - Leituras realizadas no eudiômetro para verificar a porcentagem de Nitreto de
Alumínio na borra de alumínio - Terceira análise.
No 4° ensaio, conforme mostra a Figura 5.4, foi utilizada a massa de 1,5106 gramas de borra
bruta e 50ml de água deionizada.
60
Figura 5. 4 - Leituras realizadas no eudiômetro para verificar a porcentagem de Nitreto de
Alumínio na borra de alumínio - Quarta análise.
Por fim, no ensaio número 5 conforme mostra o Figura 5.5, a massa de borra foi 1,5128
gramas e 50ml de água.
Figura 5. 5 - Leituras realizadas no eudiômetro para verificar a porcentagem de Nitreto de
Alumínio na borra de alumínio - Quinta análise.
Com as leituras de resfriamento, ou seja, condições normais de temperatura e pressão,
realizou-se o cálculo com a fórmula (4.15) desenvolvida para verificar a porcentagem de
Nitreto de Alumínio. Os resultados seguem na Tabela V.7.
61
Tabela V. 7 - Porcentagem de AlN encontrada nas amostras de borra de alumínio.
Massa (g)
2,9981
1,5519
1,5327
1,5106
1,5128
Leitura
(cm)
4,8
2,6
3,0
2,7
2,7
%AlN
4,66
4,87
5,69
5,20
5,19
Os resultados mostrados na Tabela V.7 de borra de alumínio, puderam comprovar o método
adotado inclusive com uma boa reprodutibilidade dos mesmos. Chegou-se à faixa de 4,66 a
5,69% de AlN na borra utilizada pela Solvi Insumos. Porém, essa porcentagem pode variar
dependendo da fonte da matéria-prima. (FILLETI, 2007)
5.2.2. Testes para criação do método de inertização
O teste realizado para se verificar a melhor proporção água-borra no processo de inertização
mostrou que menores quantidades de água adicionadas na borra tornavam a mistura muito
espessa, dificultando a liberação de gases da mistura para o ambiente e também a
possibilidade de que em escala industrial a mistura muito espessa dificultasse canalização do
material caso fosse preciso na planta industrial. Portanto, após dicussões com técnicos e
engenheiros da empresa, decidiu-se adotar a proporção de 60% de água e 40% de borra para o
processo de inertização.
Para que se chegasse à melhor temperatura inicial da água para que se adicione a borra e o
melhor tempo, foram realizados testes em escala laboratorial onde se pôde constatar que
temperaturas altas e muito tempo de aquecimento fizeram a mistura transbordar da panela,
adotou-se então a temperatura inicial da água para que pudesse ser colocada a borra de 60°C
com um tempo de aquecimento de 10 minutos, sempre controlando para que a mistura não
ultrapassasse em torno de 110°C.
Após este aquecimento da mistura, chegou-se a um intervalo de tempo para que a inertização
fosse completada.
5.2.3. Análise do alumínio metálico presente na água utilizada na inertização
Para que se comprovasse que não houve perda de alumínio metálico pela água de inertização,
uma amostra de água foi levada ao laboratório da Aperam, onde passou por uma análise no
62
ICP e apresentou 17,5 mg/L de Alumínio metálico, o que representa uma fração muito baixa
(inferior a 0,07%) comparando com o alumínio total presente na borra. Porém, a Portaria nº
518/2004 do Ministério da Saúde estabelece que o padrão de aceitação para consumo humano
é de 0,2mg/l. Logo, deve-se realizar um tratamento nesta água para posterior descarte.
5.2.4. Análise dos teores de alumínio metálico em diferentes tratamentos da borra
inertizada
Confirmada a metodologia de inertização da borra, de análise da porcentagem de Nitreto de
Alumínio e a baixa quantidade de alumínio metálico perdida na água de inertização, foi
realizada novamente a análise de alumínio metálico na borra inertizada. Conforme já citado,
houve significativa perda de alumínio metálico.
Devido a este fato, optou-se por aquecer a borra próximo ao seu ponto de fusão (660°C) para
que o alumínio metálico fosse recuperado do hodróxido de alumínio formado na reação com a
água.
Foram realizados dois aquecimentos, uma a 110°C na estufa e a 450°C na mufla até sua
completa secagem, tais leituras foram repetidas 5 vezes. Além disso, anteriormente foi
realizada a medida de alumínio metálico na borra bruta, ou seja, antes de passar pelo processo
de inertização para comparação. As Tabelas V.8, V.9 e V.10 mostram os resultados obtidos.
Tabela V. 8 - Resultado da análise do teor de alumínio na borra bruta (sem tratamento).
Massa (g)
1,5069
1,5095
1,5059
1,509
1,5116
Leitura
(cm)
14,2
15,0
14,0
14,3
15,2
%Al0
19,3
20,4
19,0
19,4
20,6
Tabela V. 9 - Resultado da análise do teor de alumínio na borra inertizada e aquecida a 110°C
Massa (g)
1,5381
1,5044
1,5049
1,5369
1,5171
Leitura
(cm)
15,5
13,8
13,3
14,6
14
%Al0
20,6
18,8
18,1
19,5
18,9
63
Tabela V. 10 - Resultado da análise do teor de alumínio na borra inertizada e aquecida a
450°C
Massa (g)
1,5381
1,515
1,5095
1,5071
1,5024
Leitura
(cm)
15,5
14,2
13,8
13,6
14,6
%Al0
20,6
19,2
18,7
18,5
19,9
Pode-se concluir que o alumínio é praticamente todo recuperado e o tratamento da borra de
alumínio proposto neste trabalho é adequado. De acordo com os ensaios, a temperatura ideal
seria em torno de 110°C devido a menos demanda térmica.
5.3.
Fabricação dos briquetes
A fabricação dos briquetes foi realizada na Solvi Insumos e foram utilizados variados tipos de
aglomerantes. Alguns aglomerantes não forneceram a resistência mecânica desejada. Ao final,
foi encontrado um aglomerante adequado e foram testadas variadas proporções. Na Figura 5.6
pode-se observar o resultado final dos briquetes fabricados.
Figura 5. 6 - Escória sintética briquetada dessulfurante fabricada com aglomerantes que
conferiram a resistência mecânica inicial desejada.
64
5.4. Teste mecânico com os briquetes
5.4.1. Teste de compressão
A Figura 5.7 mostra as amostras utilizadas no teste. Percebe-se que algumas possuiam
algumas irregularidades na conformação, o que poderiam causar difereças no resultado do
teste.
Figura 5. 7 – Briquetes utilizados no teste de compressão.
A Tabela V.11 mostra o resultado do teste de compressão onde se apresenta o número de
amostras utilizadas, a carga em que eles se romperam e as observações, que consiste em
alguma particularidade do briquete como fraturas e quebras.
65
Tabela V. 11 – Resultado do teste de compressão.
Amostras
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
Carga
(kgf)
90
124
120
60
80
80
110
80
106
94
94
120
100
120
90
100
112
110
80
90
112
100
80
80
70
100
Observação
Com fratura
Com pequena fratura
Quebrada/incompleta
Quebrada/incompleta
Quebrada/incompleta
Quebrada/incompleta
Quebrada/incompleta
Quebrada/incompleta
Quebrada/incompleta
Quebrada/incompleta
Quebrada/incompleta
Quebrada/incompleta
Quebrada/incompleta
Observa-se que o briquete se rompeu com a massa mínima de 60kgf e máxima de 124
quilogramas. Esta diferença se dá pela presença de trincas nos briquetes, o que pode lhe
conferir menor resistência. Algumas excessões são observadas, por exemplo, nas amostras 18
e 21, mas isso pode ser explicado por uma leve heterogeneidade na mistura ou presença de
pequenos aglomerados de material de maior resistência, como a cal.
66
5.4.2. Teste de quedas
A Tabela V.12 mostra os resultados dos três testes realizados e prova-se que ao cair de uma
altura de até 17,5 metros de altura, a resistência mecânica dos briquetes está na faixa de 70 a
81%, o que é considerado satisfatório pela Solvi Insumos. O cálculo realizado é mostrado na
equação 5.1.
(5.1)
Tabela V. 12 – Resultado do teste de quedas.
Teste de Quedas
Teste Massa total (kg) Finos (kg) Inteiros (kg) Resistência (%)
1
4,29
0,97
3,32
77,39%
2
4,12
1,22
2,9
70,39%
3
4,31
0,86
3,45
80,05%
67
6. CONCLUSÕES
Ao final do trabalho, conclui-se que a borra de alumínio, um resíduo que não seria
aproveitado na indústria, poderá ser utilizado como insumo para escórias sintéticas
dessulfurantes desde que se realizem tratamentos para adequação.
A caracterização química e física das principais matérias-primas da escória sintética
briquetada possibilitou conhecer as matérias-primas a fundo. A presença de alumínio metálico
em teores superiores a 20% nos finos de borra de alumínio e a presença de nitreto de alumínio
foram resultados importantes para que a metodologia fosse desenvolvida. Com a
caracterização química, foi possível a produção dos briquetes com as qualidades requeridas
pela indústria e descartando a possibilidade da utilização de matérias-primas de baixa
qualidade.
Foi realizado o desenvolvimento de uma metodologia para medir a porcentagem de nitreto de
alumínio presente na borra de alumínio, resultando em uma faixa de 4,66 a 5,69%, permitindo
assim que um tratamento adequado seja realizado para que tal substância não impossibilite a
utilização da borra de alumínio na escória sintética briquetada.
Foi possível desenvolver um método de inertização da borra de alumínio em escala
laboratorial. Sendo assim, considera-se o material perfeitamente adequado para realização de
testes em escala industrial.
A resistência mecânica superior a 70% foi atendida através da utilização de um aglomerante e
de proporções adequadas. Tal fato foi comprovado através de testes de compressão e de
queda.
68
7. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Realizar um estudo para a construção de uma planta industrial da escória sintética
dessulfurante onde o gás NH3 liberado no ambiente seja captado e comercializado.
Desenvolver uma metodologia para o tratamento da água utilizada para o processo de
inertização da borra de alumínio para que ela seja descartada dentro dos padrões estabelecidos
pela Portaria nº 518/2004 do Ministério da Saúde.
69
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Alumínio. 2005.
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Fluxo
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73
ANEXO I
Resultado da análise de Difração de Raios-X realizada no laboratório da Universidade Federal
de Ouro Preto para a borra de alumínio
74
Dataset Name
pó 2-70 spinner vel 1 hora_borra al_6
File name
C:\users\RESULTADOS DE RAIOS-X 2012\Débora\pó 2-70 spinner
vel 1 hora_borra al_6.xrdml
Sample Identification
borra al
Comment
Configuration=Spinner Reflexion transmission, Owner=User-1,
Creation date=9/15/2010 11:23:07 AM
Goniometer=Theta/Theta; Minimum step size 2Theta:0.0001;
Minimum step size Omega:0.0001
Sample stage=Reflection-transmission spinner; Minimum step size
Phi:0.1
Diffractometer system=EMPYREAN
Measurement program=pó 2-70 spinner vel 1 hora, Owner=User-1,
Creation date=4/4/2012 9:15:11 AM
Measurement Date / Time
4/4/2012 10:23:16
Operator
Usuario
Raw Data Origin
XRD measurement (*.XRDML)
Scan Axis
Gonio
Start Position [°2Th.]
2,0042
End Position [°2Th.]
69,9882
Step Size [°2Th.]
0,0080
Scan Step Time [s]
10,1600
Scan Type
Continuous
PSD Mode
Scanning
PSD Length [°2Th.]
2,12
Offset [°2Th.]
0,0000
Divergence Slit Type
Fixed
Divergence Slit Size [°]
0,2177
Specimen Length [mm]
10,00
Measurement Temperature [°C] 25,00
Anode Material
Cu
K-Alpha1 [Å]
1,54060
K-Alpha2 [Å]
1,54443
K-Beta [Å]
1,39225
K-A2 / K-A1 Ratio
0,50000
Generator Settings
40 mA, 45 kV
Diffractometer Type
0000000011076186
Diffractometer Number
0
Goniometer Radius [mm]
240,00
Dist. Focus-Diverg. Slit [mm]
100,00
Incident Beam Monochromator No
Spinning
No
75
Main Graphics, Analyze View:
76
Peak List:
Pos. [°2Th.]
18,780670
20,850870
22,026610
25,563470
26,594200
27,335470
28,338630
31,688500
31,766150
33,200710
35,145400
36,037150
36,944640
37,900900
38,474330
43,319760
44,731280
45,412980
45,534520
47,355140
49,935870
52,516280
56,487800
57,454750
59,331520
65,196550
66,111280
68,161510
Height [cts]
10,535240
18,219260
35,359710
48,889810
71,083980
73,058910
33,754630
605,470100
286,427900
86,614000
52,809980
37,812800
39,435050
66,338800
54,176140
60,030750
63,509440
1014,838000
524,494900
16,980530
15,570830
24,308730
18,958190
44,909090
29,478650
21,988080
34,620710
35,312310
FWHM Left [°2Th.]
d-spacing [Å]
0,755712
4,72505
0,188928
4,26036
0,094464
4,03554
0,094464
3,48466
0,125952
3,35189
0,078720
3,26266
0,251904
3,14940
0,048000
2,82137
0,038400
2,82164
0,153600
2,69624
0,153600
2,55137
0,230400
2,49026
0,230400
2,43114
0,192000
2,37197
0,153600
2,33793
0,115200
2,08699
0,192000
2,02435
0,057600
1,99554
0,048000
1,99544
0,460800
1,91813
0,345600
1,82487
0,230400
1,74112
0,307200
1,62776
0,115200
1,60264
0,307200
1,55635
0,460800
1,42980
0,384000
1,41222
0,115200
1,37465
Rel. Int. [%]
1,04
1,80
3,48
4,82
7,00
7,20
3,33
59,66
28,22
8,53
5,20
3,73
3,89
6,54
5,34
5,92
6,26
100,00
51,68
1,67
1,53
2,40
1,87
4,43
2,90
2,17
3,41
3,48
Pattern List:
Visible
*
*
*
*
Ref. Code
98-000-5216
98-004-6444
98-002-9063
98-001-1925
Score
58
4
13
2
Compound
Name
Corundum
Anorthite
Braunite
Muscovite
2M1
Displacement Scale Factor
Chemical
[°2Th.]
Formula
0,000
0,057 Al2 O3
0,000
0,060 Al2 Ca1 O8 Si2
0,000
0,084 Mn7 O12 Si1
0,000
0,038 H2 Al3 K1 O12
Si3
77
ANEXO II
Resultado da análise de Difração de Raios-X realizada no laboratório da Mineração Curimbaba para a
borra de alumínio.
78
(
C
P
S
)
<Raw
Data>
2000
1500
1000
(
%
)
500
0
<Peak
10
Data/Entry
Peak>
20
30
40
50
60
70
(deg)
20
30
40
50
60
70
(deg)
100
80
60
40
20
0
20
40
60
80
100
10
(%)
<Card
Data>
100
Al2O3(10-0173)
80
60
40
20
100
AlN(25-1133)
80
60
40
20
100
Al(89-3657)
80
60
40
20
100
NaAl11O17(79-2288)
80
60
40
20
100
NaCl(5-0628)
80
60
40
20
100
SiO2(46-1045)
80
60
40
20
0
10
20
30
40
50
60
70
(deg)
79
(%)
100
Si(27-1402)
80
60
40
20
100
MgAl2O4(1-1157)
80
60
40
20
100
FeO(89-2468)
80
60
40
20
0
10
20
30
40
50
60
70
(deg)
80
Group Name
Data Name
File Name
Sample Name
Comment
<Entry Card>
No.
Card
1
10-0173
2
25-1133
3
89-3657
4
79-2288
5
5-0628
**********
SEARCH / MATCH
: Julho_2012
: 465985_2012_Borra_de_Al
: 465985_2012_Borra_de_Al.PSE
: Borra de Alumínio
: SOLVI
Chemical Formula
Chemical Name (Mineral
Al2O3
Aluminum Oxide ( Corundum,
AlN
Aluminum Nitride
Al
( Aluminum )
NaAl11O17
( Diaoyudaoite )
7
46-1045 SiO2
Silicon
27-1402
Oxide
9
1-1157
0.000
syn
)
0.000
0.000
0.000
(
(
Halite,
syn
Quartz,
syn
MgAl2O4
Magnesium
(
Silicon,
Aluminum
syn
)
Oxide
(
Wuestite
-
synthetic
in
0.176(
0.000
0.000 0.000
Fm-3m
0.000 0.138(
8/58) 0.000
2.65
0.000 0.000
P3221
0.000 0.091(
1/11) 0.000
2.33
0.000 0.000
Fd-3m
)
3/17)
2.16
0.000 0.286( 6/21)
Spinel )
3.58
89-2468 FeO
(
L
d
I
R
Dx
WT%
S.G.
0.220(11/50) 0.000 0.000 0.000
3.99
R-3c
0.231( 6/26) 0.000 0.000 0.000
3.26
P63mc
0.600( 3/ 5) 0.000 0.000 0.000
2.70
Fm-3m
0.216(24/111) 0.000 0.000 0.000
3.20
P63/mmc
)
Si
Silicon
8
S
0.000
Chloride
**********
Name)
NaCl
Sodium
6
RESULT
p
)
0.000
0.000 0.000
Fd-3m
0.000 0.600( 3/ 5) 0.000
5.89
0.000 0.000
Fm-3m
81
Group Name
Data Name
File Name
Sample Name
Comment
<Card List>
No.
Card
**********
SEARCH / MATCH
: Julho_2012
: 465985_2012_Borra_de_Al
: 465985_2012_Borra_de_Al.PSE
: Borra de Alumínio
: SOLVI
RESULT
**********
Chemical Formula
S
L
Chemical Name (Mineral Name)
Dx
1 10-0173 Al2O3
0.000 0.220(11/50)
Aluminum Oxide ( Corundum, syn )
3.99
2 25-1133 AlN
0.000 0.231( 6/26)
Aluminum Nitride
3.26
3 89-3657 Al
0.000 0.600( 3/ 5)
( Aluminum )
2.70
4 79-2288 NaAl11O17
0.000 0.216(24/111)
( Diaoyudaoite )
3.20
5 5-0628 NaCl
0.000 0.176( 3/17)
Sodium Chloride ( Halite, syn )
2.16
6 46-1045 SiO2
0.000 0.138( 8/58)
Silicon Oxide ( Quartz, syn )
2.65
7 27-1402 Si
0.000 0.091( 1/11)
Silicon ( Silicon, syn )
2.33
8 1-1157 MgAl2O4
0.000 0.286( 6/21)
Magnesium Aluminum Oxide ( Spinel )
3.58
9 89-2468 FeO
0.000 0.600( 3/ 5)
( Wuestite - synthetic in p )
5.89
d
I
R
WT%
S.G.
0.000 0.000 0.000
----- R-3c
0.000 0.000 0.000
----- P63mc
0.000 0.000 0.000
----- Fm-3m
0.000 0.000 0.000
----- P63/mmc
0.000 0.000 0.000
----- Fm-3m
0.000 0.000 0.000
----- P3221
0.000 0.000 0.000
----- Fd-3m
0.000 0.000 0.000
----- Fd-3m
0.000 0.000 0.000
----- Fm-3m
82
ANEXO III
Resultado da análise de Difração de Raios-X realizada no laboratório da Universidade Federal
de Ouro Preto do chamote básico
83
Measurement Conditions:
Dataset Name
pó 2-70 spinner vel 1 hora_chamote mgo_5
File name
C:\users\RESULTADOS DE RAIOS-X 2012\Débora\pó 2-70 spinner
vel 1 hora_chamote mgo_5.xrdml
Sample Identification
chamote mgo
Comment
Configuration=Spinner Reflexion transmission, Owner=User-1,
Creation date=9/15/2010 11:23:07 AM
Goniometer=Theta/Theta; Minimum step size 2Theta:0.0001;
Minimum step size Omega:0.0001
Sample stage=Reflection-transmission spinner; Minimum step size
Phi:0.1
Diffractometer system=EMPYREAN
Measurement program=pó 2-70 spinner vel 1 hora, Owner=User-1,
Creation date=4/4/2012 9:15:11 AM
Measurement Date / Time
4/4/2012 10:11:15
Operator
Usuario
Raw Data Origin
XRD measurement (*.XRDML)
Scan Axis
Gonio
Start Position [°2Th.]
2,0042
End Position [°2Th.]
69,9882
Step Size [°2Th.]
0,0080
Scan Step Time [s]
10,1600
Scan Type
Continuous
PSD Mode
Scanning
PSD Length [°2Th.]
2,12
Offset [°2Th.]
0,0000
Divergence Slit Type
Fixed
Divergence Slit Size [°]
0,2177
Specimen Length [mm]
10,00
Measurement Temperature [°C] 25,00
Anode Material
Cu
K-Alpha1 [Å]
1,54060
K-Alpha2 [Å]
1,54443
K-Beta [Å]
1,39225
K-A2 / K-A1 Ratio
0,50000
Generator Settings
40 mA, 45 kV
Diffractometer Type
0000000011076186
Diffractometer Number
0
Goniometer Radius [mm]
240,00
Dist. Focus-Diverg. Slit [mm]
100,00
Incident Beam Monochromator No
Spinning
No
84
Main Graphics, Analyze View:
85
Peak List:
Pos. [°2Th.]
18,585330
25,525080
26,535700
26,638410
28,281790
34,131230
34,215060
35,145320
36,933320
37,031170
37,982290
40,314360
42,909950
43,016590
47,096560
50,800340
52,506650
57,475380
58,644790
62,266730
62,444310
68,136240
Height [cts]
320,251100
21,480450
141,888000
135,038100
22,384000
138,322400
70,906970
30,474340
341,022700
188,265400
222,457900
41,201020
1799,865000
986,502200
9,071875
74,443790
23,040560
33,175660
40,123180
409,119400
209,977700
17,054500
FWHM Left [°2Th.]
d-spacing [Å]
0,110208
4,77427
0,188928
3,48981
0,057600
3,35637
0,028800
3,35197
0,115200
3,15299
0,038400
2,62483
0,038400
2,62509
0,115200
2,55138
0,057600
2,43186
0,038400
2,43169
0,134400
2,36708
0,057600
2,23536
0,086400
2,10597
0,057600
2,10621
0,614400
1,92805
0,192000
1,79583
0,115200
1,74142
0,153600
1,60212
0,307200
1,57293
0,067200
1,48985
0,096000
1,48973
0,384000
1,37510
Rel. Int. [%]
17,79
1,19
7,88
7,50
1,24
7,69
3,94
1,69
18,95
10,46
12,36
2,29
100,00
54,81
0,50
4,14
1,28
1,84
2,23
22,73
11,67
0,95
Pattern List:
Visible
*
*
*
*
Ref. Code
98-003-4950
98-011-3333
98-004-6443
98-005-2565
Score
65
34
1
8
Compound
Name
Brucite
Corundum
Anorthite
Magnetite
Displacement Scale Factor
Chemical
[°2Th.]
Formula
0,000
0,153 H2 Mg1 O2
0,000
0,019 Al2 O3
0,000
0,027 Al2 Ca1 O8 Si2
0,000
0,087 Fe3 O4
86
ANEXO IV
Resultado da análise de Difração de Raios-X realizada no laboratório da Universidade Federal
de Ouro Preto da fluorita
87
Measurement Conditions:
Dataset Name
pó 2-70 spinner vel 1 hora_fluorita caf2_7
File name
C:\users\RESULTADOS DE RAIOS-X 2012\Débora\pó 2-70 spinner
vel 1 hora_fluorita caf2_7.xrdml
Sample Identification
fluorita caf2
Comment
Configuration=Spinner Reflexion transmission, Owner=User-1,
Creation date=9/15/2010 11:23:07 AM
Goniometer=Theta/Theta; Minimum step size 2Theta:0.0001;
Minimum step size Omega:0.0001
Sample stage=Reflection-transmission spinner; Minimum step size
Phi:0.1
Diffractometer system=EMPYREAN
Measurement program=pó 2-70 spinner vel 1 hora, Owner=User-1,
Creation date=4/4/2012 9:15:11 AM
Measurement Date / Time
4/4/2012 10:35:18
Operator
Usuario
Raw Data Origin
XRD measurement (*.XRDML)
Scan Axis
Gonio
Start Position [°2Th.]
2,0042
End Position [°2Th.]
69,9882
Step Size [°2Th.]
0,0080
Scan Step Time [s]
10,1600
Scan Type
Continuous
PSD Mode
Scanning
PSD Length [°2Th.]
2,12
Offset [°2Th.]
0,0000
Divergence Slit Type
Fixed
Divergence Slit Size [°]
0,2177
Specimen Length [mm]
10,00
Measurement Temperature [°C] 25,00
Anode Material
Cu
K-Alpha1 [Å]
1,54060
K-Alpha2 [Å]
1,54443
K-Beta [Å]
1,39225
K-A2 / K-A1 Ratio
0,50000
Generator Settings
40 mA, 45 kV
Diffractometer Type
0000000011076186
Diffractometer Number
0
Goniometer Radius [mm]
240,00
Dist. Focus-Diverg. Slit [mm]
100,00
Incident Beam Monochromator No
Spinning
No
88
Main Graphics, Analyze View:
89
Peak List:
Pos. [°2Th.]
20,855680
23,601410
25,503080
26,623040
27,422590
28,272930
28,347180
34,812750
36,513480
39,460210
42,446740
47,004390
47,129840
50,136890
55,759380
55,923760
58,463510
58,629670
60,008180
68,157460
68,350360
68,633450
Height [cts]
92,745320
7,079857
33,663690
164,850800
33,594910
13181,630000
6557,088000
6,734589
14,550020
9,297300
9,520531
2231,487000
1155,541000
13,936050
336,535100
147,312700
36,587810
22,453310
10,995380
210,856500
124,918400
36,063550
FWHM Left [°2Th.]
d-spacing [Å]
0,078720
4,25939
0,377856
3,76971
0,047232
3,49277
0,141696
3,34833
0,251904
3,25249
0,048000
3,15396
0,038400
3,15369
0,921600
2,57499
0,230400
2,45885
0,230400
2,28176
0,460800
2,12787
0,057600
1,93162
0,057600
1,93156
0,230400
1,81803
0,038400
1,64729
0,057600
1,64692
0,057600
1,57737
0,096000
1,57330
0,307200
1,54041
0,057600
1,37472
0,057600
1,37472
0,115200
1,36634
Rel. Int. [%]
0,70
0,05
0,26
1,25
0,25
100,00
49,74
0,05
0,11
0,07
0,07
16,93
8,77
0,11
2,55
1,12
0,28
0,17
0,08
1,60
0,95
0,27
Pattern List:
Visible
*
*
*
Ref. Code
98-005-6873
98-006-1248
98-001-2611
Score
Compound
Name
54 Quartz low
47 Fluorite
10 Anorthite
Displacement Scale Factor
Chemical
[°2Th.]
Formula
0,000
0,013 O2 Si1
0,000
0,557 Ca1 F2
0,000
0,009 Al2 Ca1 O8 Si2
90