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Reciclagem de Resduos
Ps-Graduao em Engenharia Civil e Ambiental
5 Reciclagem de Metais
Prof.Sandro Donnini Mancini
Agosto, 2017.
Instituto de Cincia e Tecnologia de Sorocaba
Idade da Pedra;Idade da Pedra Lascada;
Idade do Bronze (4000 a 1400 a.C.);Minrios de cobre continham estanho e eram mais fceis de fundir ( % Sn Tf)
Tf Bronze com 13% Sn = 830oC; Tf cobre puro = 1.084oCBronze e depois cobre foram utilizados na fabricao de armas e ferramentas;
~2000 a.C. primeiros indcios de Ferro (xidos em meteoritos);1400 a.C. reduo do minrio de Ferro com carvo
vegetal e fabricao de produtos forjados;
A utilizao dos materiais teve importncia histrica:
1780 1 Revoluo Industrial carvo mineral substitui o carvo vegetal;
1856 Queima do C com sopro de O2: %C inferiores = ao
Fe2O3 + 3/2 C 2 Fe + 3/2 CO2
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Forja Catal Sculo XV
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Fbrica de Ferro So Joo do Ipanema: 1818 ~1895.
Local possua reservasde magnetita (Fe2O2);
E madeira (floresta) parafabricao de carvo.
Fotos: Andr
Bonacin
Produo principal:armas.
CarvoariaAlto-forno
Primrdios da Siderurgia NacionalAtividade industrial no Brasil colnia foi impedida por lei (1785);
1/4/1808 revoga-se a lei, mas nada muda: acordo com Inglaterra;
Excluses: construo naval e siderurgia (interesse do governo);
Antes de D. Joo: 1 ideia Bahia e pequenas forjas em MG;
1809: Real Fbrica do Morro de Gaspar Soares (Pilar) MG; produo em 1815;
1810: Araoiaba (SP) Real Fbrica de Ferro So Joo do Ipanema; 1815: inicia-se a produo; Dois altos-fornos (incio 1818);
1811: siderrgica particular em Congonhas do Campo (MG): a 1 que deu lucro;
Importante: 1812 - ferro lquido (Pilar); 1814 ferro em alto forno (Congonhas); 1818 produo em alta escala (Araoiaba).
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Caractersticas tpicas de metais:
capacidade de deformar plasticamente (segurana estrutural);condutividade trmica e eltrica elevada;
alguns apresentam propriedades magnticas;alguns so refratrios (suportam altas T);
alguns resistem muito a intempries e oxidao;agentam solicitaes mecnicas crticas (trem de pouso, p.ex.);as propriedades se relacionam com densidade e custo
adequados;Tratamentos trmicos auxiliam processamento e melhoram
propriedades.
Al2O3 2Al + 3/2 O2
Fe2O3 + 3/2 C 2 Fe + 3/2 CO2
Reaes Simplificadas de Obteno de Alguns Metais:
CuFeS2 + 2 O2 2Cu + 2FeO + 4SO2
TiO2 + 2 Cl2 TiCl4TiCl4 + 2 Mg Ti + 2 MgCl2
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Minrio Bruto
Minrio Beneficiado
Minrio Pr-Extrado
Metal Bruto
Metais e Ligas Adequadas
Metais e Ligas Conformadas
Operaes de Beneficiamento
Processos de Pr-Extrao
Processos de Extrao
Processos de Elaborao e Refino
Fuso e Solidificao / Conformao
Transformaes fsicas: fragmentao, separao de fases, concentrao do minrio
Transformaes qumicas (reaes) e fsicas (separao de fases)
Transformaes qumicas (reaes minrio metalpor pirometalurgia, eletrometalurgia e hidrometalurgia) e fsicas (separao de fases)
Transformaes qumicas (retirada de impurezas eadio de elementos)
Fundio ou Lingotamento (fuso e solidificao)Processos de Fabricao Primrios (laminao, p.ex.)
Adaptado de Gregolim, J.A.R. Caderno com cpias das Transparncias da Disciplina Siderurgia.UFSCar, So Carlos-SP, 1992.
Metalurgia - obteno de metais ferrosos e no-ferrosos
Definies
Siderurgia obteno de produtos a base de ferro e ao.
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A fabricao de produtos metlicos pode envolver:
Preparo do metal e/ou liga (geralmente fuso e solidificao);
Usinagem;
Conformao Plstica;
Soldagem;
Metalurgia do P.
CAMPOS FILHO, M.P. e DAVIES, G.J. Solidificao e Fundio de Metais e suas Ligas. Rio de Janeiro: Livros Tcnicos e Cientficos Editora, 1978
Fundio
Lingotamento
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Torneamento
http://www.em.pucrs.br/~edir/O
ficina/torno/Torneam
ento.htm
Fresagem
http://www.em.pucrs.br/~edir/Oficina/torno/Torneamento.htm
Retfica
Furao
http://www.em.pucrs.br/~edir/Oficina/torno/Torneamento.htm
http://www.abal.org.br/aluminio/processos_laminacao.asp
Laminao
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SOLDAGEM
Metais de adio:
Unio localizada de metais produzida por aquecimento (e tambm presso).Pode se dar a partir da fuso das peas ou contar com metais de adio.
componentes eletrnicos: Pb-Sn
tendncia: soldas lead-free (Sn/Ag/Cu, p.ex.);
Metal de composio prxima a dos metais a serem soldados.
Reaes Simplificadas de Obteno de Alguns Metais:
Al2O3 2Al + 3/2 O2
Fe2O3 + 3/2 C 2 Fe + 3/2 CO2
Tendncia dos metais voltarem forma de xidos ao reagirem
com gua, cidos, bases, maresia, oxignio...
CORROSO
Al2O3 2Al + 3/2 O2
Fe2O3 2 Fe + 3/2 O2FeO Fe + O2
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Corroso causa perda de superfcies metlicas e/ou perda de
propriedades.
Susceptibilidade corroso de alguns metais:
Mg > Al > Zn > Cr> Fe > Ni > Sn > Pb > Cu > Ag > Pt
PROTEO CONTRA A CORROSO
Eletrodo de sacrifcio peas de elementos mais susceptveis;Passivao elementos mais susceptveis em liga (ao inoxidvel);
Pintura;Revestimento Galvanizao processo eletroltico (galvanoplastia)
deposio qumica Imerso a quente (revestimento fundido)
ou Banho para Deposio Qumica
Esquema da Galvanizao por
Deposio Qumica e por
Imerso a Quente
Galvanizao por Eletrodeposio:
Dois eletrodos so mergulhados numa soluo eletroltica ligados a uma
fonte de corrente. A soluo eletroltica deve
conter como eletrlito um sal que contm ctions do
metal do revestimento.
Pea a serrevestida
Metal doRevestimento ou Material Inerte
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FOLHAS DE FLANDRES
Folhas/bobinas laminadas de ao, de baixo teor de carbono, revestidas em uma ou ambas as faces com camada de cerca de de mm de estanho metlico (~0,2% ou 4,5 kg de Sn/t de flandres) e xido de cromo (0,007%), aplicado por processo eletroltico contnuo ou por imerso a quente.
Usadas como embalagens para contato direto com alimentos, apresentando: afinidade soldagem, resistncia mecnica, inviolabilidade e opacidade. Permite acondicionar alimentos por at 2 anos, inclusive envasados a quente.
Brasil - 6 bilhes de embalagens em ao/anoConsumo:750 mil t de folha de flandres por anoProduo: 1 milho de t/ano
MINRIOS & METAIS: CONSUMO & PRODUO
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METAIS J BENEFICIADOS: em 2008 o mundo consumiu aproximadamente 1,525 bilho de toneladas de metais :
A partir dos dados do Ministrio das Minas e Energia Prvia da Indstria Mineral 2009/2008 e Anurio
Estatstico do Setor Metalrgico 2009, disponvel em http://
http://www.mme.gov.br/sgm/menu/publicacoes.html
88% de AoBrasil o 9 maior produtor, com 2,5% da produo mundial ;
6,4 % de Ferro FundidoBrasil o 7 maior produtor, com 3,4% da produo mundial;
1,5% de Ferroligas;Brasil o 6 maior produtor, com 4% da produo mundial;
4,1% de No Ferrosos.Al - Brasil era o 6 maior produtor (1,66 Mt), com 5% da produo mundial;Cu Brasil era o 20 maior produtor (184 kt), com 1,2% da produo mundial;Ni Brasil era o 13 maior produtor (36 kt), com 3% da produo mundial;Zn Brasil era o 12 maior produtor (249 kt), com 3% da produo mundial;Sn Brasil era o 7 maior produtor (11 kt), com 2,5% da produo mundial.
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12
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http://www.mme.gov.br/documents/1138775/1
732813/Annu%C3%A1rio+Estat%C3%ADsti
co+do+Setor+Metal%C3%BArgico+2015.pdf/
3cd2fe18-4daa-4e51-8899-53f0cba47573
Na metalurgia, de 30-60% da matria-prima sucata.
Sucata considerada fonte secundria de matria-prima, no por qualidade e sim por quantidade.
http://www.mme.gov.br/documents/1138775/1732813/Annu%C3%A1rio+Estat%C3%ADstico+do+Setor+Metal%C3%BArgico+2015.pdf/3cd2fe18-4daa-4e51-8899-53f0cba47573
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Os elementos mais
abundantes da crosta terrestre
http://www.profpc.com.br/Qu%C3%ADmica_descritiva.htm
Mano, E.B.; Pacheco, E.B.A.V. e Bonelli, C.M.C. Meio Ambiente, Poluio e Reciclagem. Rio de Janeiro: Ed. Edgard Blucher, 2005.
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METAIS MAIS IMPORTANTES
COBRE E SUAS LIGAS
Alta condutividade, propriedade depreciada pela introduo de elementos de liga (pureza estimula a reciclagem);PF = 1083oC; d20 = 8,96 g/cm3. malevel e tem boa soldabilidade;Minerais cuprita, calcopirita, malaquita (geralmente sulfetos);Principais produtores: EUA, Zaire, Zmbia e Chile;Sntese: geralmente fuso dos minrios, oxidao (do S e Fe) e eletrlise para refino (cobre eletroltico).
CuFeS2 + 2 O2 2Cu + 2FeO + 4SO2calcopirita
https://www.youtube.com/watch?v=Wr7zY46_jHI (*)
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Lato (Cu-Zn)
5% de Zn bijouterias assemelhadas a ouro10% de Zn bronze comercial mais barato que os bronzes a base de Sn e com mesma cor;15% de Zn lato vermelho resistente a corroso;30% de Zn alta resistncia mecnica e dutilidade indicado para conformaes a frio.
Bronzes (Cu-Sn, geralmente)
Alia dureza com resistncia a corroso. Utilizados na indstria naval e de fabricao de mquinas e em esttuas.Ao Si e Al para melhorar soldagem e resistncia mecnica, respectivamente.
ALUMNIO E SUAS LIGAS
boa parte de suas propriedades e aplicaes advm da baixa densidade: 2,7 g/cm3 (ao ~ 8 g/cm3). PF = 660oC;Resistncia a corroso (pelcula oxidada proteo);Alta condutividade trmica (s perde para Ag, Cu, Au).Alta condutividade eltrica: 61% da do Cu em volume
212% da do Cu em pesoResistncia mecnica: escoamento ~ 60 MPa - 99,99% de pureza
~90 MPa - 99,90% de purezaMinrio bauxita, criolilta, feldspato...Principais produtores: Brasil (2,5% das reservas mundiais);Sntese: processo Bayer (obteno da alumina)
Hall-Hroult (obteno do Al via alumina)
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Principais usos: chapas utenslios de cozinha, embalagens(reduo 30% da espessura nos ltimos 20 anos)extrudadosfios/cabos linhas de eletricidade (ppalmente areas)
LigasVantagens: ponto de fuso menor, podendo ficar to ou mais resistentes que os aos (+leves, com menos problemas de corroso)Si diminui ainda mais PF, facilita o derrame no molde Cu, Zn e Mg aumentam muito a resistncia mecnica
Duralumnio Al (95-96%), Cu (3-4%), Mg (
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TITNIO
PF = 1660oC; d20 = 4,54 g/cm3;Minrio: rutilo (Austrlia-TiO2),ilmenita (FeTiO3);
Usos: motores e estrutura de aeronovaes, equipamentos militares, tubulaes para troca de calor, reatores, bioaplicaes (implantes)...
Altamente resistente esforos mecnicos, a corroso e temperatura e relativamente leve;
www.caoodontologia.com.br/implantodontia.htm
Forma solues slidas com Al, Zr, Mo, Cu, C, V, Nb etc. aumentando a dureza e a resistncia.
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NIBIO
http://g1.globo.com/economia/negocios/noticia/2013/04/monopolio-brasileiro-do-niobio-gera-cobica-mundial-controversia-e-mitos.html (*)
PF = 2478oC; d20 = 8,6 g/cm3; Metal mole e dctil, inerte, muito resistente corroso;Minrios: columbita e pirocloro (Brasil):
Pirocloro Nb2O5 + FeO + Al Fe-Nb + Al2O3
Principal produtor: Brasil 98% das reservas (840 Mt)~90 % da produo (100 kt/ano)
Utilizaes = ligas para aos (ferroligas para aos micro-ligados ~80% do consumo de Nb refratrios e estruturais), ligas super-condutoras, joalheria etc.
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AOS
Definio: liga Ferro e Carbono com at 2,11% de carbono.
Alm de C, no Fe esto presentes outros elementos de liga (adicionados intencionalmente ou no): Mn, S, Si, P, Ni, Cu, Cr, Sn etc em quantidades pequenas e que podem provocar alteraes significativas nas propriedades.
PF ~ 1500oC;d20 ~ 8 g/cm3;Minrio empregado hematita (Fe2O3) Brasil;Altos fornos fornos tubulares de at 40m de altura, onde se produz o ferro-gusa (produo chega a 1.3000 ton/dia.forno);Aciaria onde o gusa transformado em ao.
Alm do minrio, no alto forno tambm colocado um agente redutor (carbono) em excesso (por ordem de preferncia):
FerroGusa
Num alto forno ocorrem vrias reaes, sendo as principais:
C + O2 CO
Fe2O3 + 3 CO 2 Fe + 3 CO2
adicionado oxignio, para a combusto do excesso de carbono e gerao do calor necessrio para a reao (temperatura chega a 2.000oC);
coque (vem da retirada de volteis do carvo mineral ou do petrleo)carvo mineral carvo vegetalgs natural, hidrognio ferro esponja
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Coque de Carvo Mineral
Coque de petrleo
Coqueificao: aquecimento do carvo mineral, podendo chegar a temperaturas de at ~1300 oC, o que retira volteis e % C.
Beneficiamento de subproduto slido da destilao do petrleo, com % C semelhantes do coque de carvo mineral. Mais utilizado em cimenteiras.
BRASIL (valores mdios dos ltimos anos)
Produo de minrio de ferro: 380 milhes de toneladasExportao: 310 milhes de toneladasMercado interno: ficam 70 milhes de toneladas de minrio
10 milhes de toneladas de carvo mineral (100% importado) 9 milhes de toneladas de coque produzidas no Brasil
Mais 2 milhes de toneladas (Mt) de coque de carvo mineral importados
70 Mt de minrio + 11 Mt coque 40 Mt de ferrosos
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Queima do carvo ou coque
Reduo do minrio Fe
Reduo do Si, P e Mn
Escorificao
2 Fe2O3 + CO 3 Fe3O4 + CO2Fe3O4 + CO 3 FeO + CO2
FeO + CO Fe + CO2
2 MnO2 + C 2 MnO + CO22 MnO + C 2 Mn + CO2
SiO2 + 2 C Si+ 2 COP2O5 + 5 C 2 P + 5 CO
CaCO3 CaO + CO2CaO + SiO2 CaSiO3
C + O2 CO2CO2 + C CO
Algumas reaes
Alto-forno
Escria
Resduo slido rico em calcrio; 600 kg de escria so produzidos para cada 1.000 kg de ao;11,3 milhes de toneladas anuais;16% para base e sub-base de ruas/estradas;13% para nivelamento de terrenos60% para cimenteirasRestante: leito ferrovirio.
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Feito de materiais refratrios de altssimo desempenho, transporte o ao lquido do alto-forno para a aciaria enquanto, em seu interior, so realizadas vrias reaes, como reduo do teor de carbono.
Carro Torpedo
Aciaria onde o gusa lquido refinado em ao no teor de carbono necessrio, basicamente por reaes de oxidao (O2por baixo). onde so introduzidos elementos de liga (ferros-liga). Alm do gusa, a aciaria pode ser alimentada com o ferro esponja, sucata e/ou calcrio.
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Tipos de Ao
Ao Carbono na sua composio possui apenas quantidades limitadas de C, Si, Mn, Cu, S e P. Outros elementos existem apenas em quantidades residuais.Ao Baixo carbono at 0,2% de C. So os mais usados. Excelente soldabilidade e trabalhabilidade. Ao Alto Carbono mais que 0,5% de C, duros e frgeis, para ferramentas.
Ao liga - liga de ferro-carbono com elementos de adio (Ni, Cr, Mn, W, Mo, V, Si, Co e Al) que confere caractersticas especiais, tais como: resistncia trao e corroso, elasticidade e dureza. Encontrados em praticamente todos os segmentos industriais. Aos de alta liga so aqueles cuja soma dos elementos ultrapassa 5%.
Liga Fe-C com mais de 2,11% de C e menos de 6,67% de C e com teores de silcio um pouco inferiores aos de carbono (1 a 3%).
Ferros Fundidos
Usos dos Ferros Fundidos:Bases de Mquina, peas estruturais com pouca solicitao
Vantagens: baixo preo, pois no preciso uma reduo to grandebaixa temperatura de fuso, a mnima com 4,3%C (euttico);
DesvantagensPropriedades mecnicas relativamente inferiores
(+ frgeis que aos)
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E A RECICLAGEM?
3R em metais
Reduo do Uso uso tem aumentado desde sempre, mas em
alguns mercados (em especial embalagens) os metais foram
substituidos por outros materiais.
Reutilizao possvel, geralmente aps restaurao da
superfcie oxidada, pintada ou revestida. Restaurao
superficial pode ser feita por raspagem, fuso, decapagem e
eletroeroso e nova pintura/revestimento;
Reciclagem de Materiais Oportunidade de Negcio
quando existe :
Separao de Resduos Importante, seno fundamental !
Abundncia de Matria-Prima;
Sucata valorizada (geralmente comercializada por peso);
Mercado demandando;
Legislaes que auxiliam;
Educao.
Quanto melhor a separao, + puro o reciclado
valor agregado
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Consumo de Energia e emisses na reciclagem e no uso de matria virgem com metais ferrosos (valores por tonelada produzida)
Item Reciclados Matria
Virgem
Economia
Consumo de Energia (GJ/t) 20,0 33,5 13,5
Emisso atmosfrica (g/t)
Particulados 864 26.955 26.091
CO 1.909 1.381 -528
NOx 2.350 2.733 383
N2O 226 417 191
SOx 5.347 8.450 3.130
HF 0 0,5 0,5
Hidrocarbonetos total 5.262 16.527 11.265
Amnia 1,6 73,5 71,9
Emisses aquosas (g/t)
DBO 0,5 5,2 4,7
DQO 1,4 1,3 -0,1
Slidos suspensos 301 318 17
Orgnicos totais 515 514 -1
Fenol 0 0,3 0,3
Amnia 0,7 6,5 5,8
Ferro 100 100 0
Cloreto 0 0 0
Fluoreto 21,6 33,4 11,8
Nitrato 0,4 0,3 -0,1
Sulfeto 0 0,2 0,2
Resduos slidos (kg/t) 121,1 398,6 277,5
METAIS FERROSOS
www.comgeres.com.br
www.blog.simbiosebrasil.com.br
www.gacc.com.br
A Reciclagem de Materiais um Negcio.
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Reciclagem de Materiais Oportunidade de Negcio
quando existe :
Sucata Valorizada;
Mercado Demandando;
Abundncia de Matria-Prima;
Legislaes que auxiliam;
Cobre, Alumnio
Ao e outras ferrosos
PET
Pneus
Educao.Todos os resduos
Qualquer que seja a fora motriz da reciclagem, o material reciclado tem que ter propriedades finais competitivas, no
necessariamente com o material virgem.
Essa competitividade possvel em termos de propriedades se soma vantagens ambientais, propaladas ou no por
estratgias de marketing.
Reciclagem, porm, uma atividade industrial que gera impactos ambientais, normalmente menores que os envolvidos
na fabricao de materiais virgens.
Separao de Resduos Importante, seno fundamental !
Quanto melhor a separao, + puro o reciclado valor agregado
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Qualquer que seja a fora motriz da reciclagem, o material reciclado tem que ter propriedades finais competitivas, no
necessariamente com o material virgem.
Essa competitividade possvel em termos de propriedades se soma vantagens ambientais, propaladas ou no por
estratgias de marketing.
Reciclagem, porm, uma atividade industrial que gera impactos ambientais, normalmente menores que os envolvidos
na fabricao de materiais virgens.
Separao de Resduos Importante, seno fundamental !
Quanto melhor a separao, + puro o reciclado valor agregado
Reciclagem de Metais
So RECICLVEIS todos os metaiselementos puros;ligas com os mesmos elementos e composies diferentes. Exemplo: Ao + Fe fundido;ligas de elementos diferentes: Ao-Cr + Ao-Si Ao-Cr-Si;Metais revestidos.
Baseada na fuso da sucata.
Atualmente, com mtodos de reduo (qumica ou eletroltica)mais baratos e dada a alta demanda, a sucata metlica considerada fonte secundria de suprimento.Coleta de sucata e reciclagem realidade desde que ametalurgia existe.
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FERROSOS
Sucatas so normalmente divididas em ferrosas e noferrosas (IMS);Ao inoxidvel austentico no pega m : separao por brilho e peso;
Se a separao das sucatas ferrosas (aos e ferros fundidos) difcil ou onerosa funde todas juntas e ajusta-se depois oteor de carbono e outros elementos de liga;
30
Separao/AlimentaoMecnica
Separao/AlimentaoMagntica
31
www.nortefer.com.br
Se a separao bem feita, sucataferrosa fundida no forno e acomposio acertada. Algosemelhante ao que acontece norefino do gusa.
Na solidificao, elementos se arranjam em soluo slida. Elesno sabem se vieram da sucata ou do minrio. Tem-se ummetal bem similar ao que seria produzido pelo gusa epossivelmente apto a usos nobres (a ser confirmado porensaios), inclusive para contato direto com alimentos. Comsucata industrial pode at se falar em idntico.
A estrutura cristalina dos tomos deferro (e de outros elementos sensveis temperatura do forno) foi destruda.
Para outros metais, em especial elementos puros (como ocobre), isso tambm pode acontecer.
NO FERROSOS
Os no ferrosos tem que ser melhor separados (Cu, Al, Ti...), pois muitos no formam ligas teis e/ou comercializveis;Ligas de no ferrosos eventualmente presentes nas sucatas tm separao complicada (p.ex., separar Cu de Lato, de Bronze; Al de duralumnio etc);Separao de no ferrosos pode ocorrer com base no peso especfico, cor e aplicao (p.ex: fios, de Cu ou Al);Cu, Al alguns produtos usam os elementos puros ou quase puros sucata muito valorizada.
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Para todos os metais:
Importante a retirada de inorgnicos (p.ex. terra) e orgnicos;Na reciclagem de sucata de ligas de elementos diferentes, funde-se todas juntas e na solidificao pode-se formar novo arranjo cristalino que permita a acomodao de todos os elementos (ex: Ao-Cr + Ao-Si Ao-Cr-Si). Na reciclagem de metais revestidos recuperao do revestimento normalmente no compensa, mas possvel;Impurezas, elementos em excesso ou no compatveis formam escria ou gases;Enfardamento pode ser importante para o transporte;Reciclagem pode se repetir infinitamente e pode ocorrer sem perda de propriedades;1 kg de sucata 1 kg de reciclado h oxidao (perda de massa).
Prensa
Fardos
33
Disponvel em www.cempre.org.br
Produto, Material Estimativa de Reciclagem no Brasil em
2015
(%)
Principais Produtos Reciclados no pas
Latas de Ao 46,7 Novas latas
Latas de Alumnio 97,9 Novas latas