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Associação Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído GRUPO DE TRABALHO EM DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL I ENCONTRO NACIONAL SOBRE EDIFICAÇÕES E COMUNIDADES SUSTENTÁVEIS Canela, RS, 18 a 21 de novembro de 1997 RESUMO ri PERSPECTIVAS DE RECICLAGEM DE RESÍDUOS DA INDÚSTRIA SIDERÚRGICA COMO MATERIAL DE CONSTRUÇÃO CIVIL Rejane Thbino Gcyer André Gcyer Denise Dal Molin Antonio C. F. Vilela Curso de Pós-Graduação em Engenharia Civil - CPGEClNORlE - UFRGS e Curso de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e dos Materiais- PPGEM - UFRGS. Av. Oswaldo Aranha, 99/3. andar. CEP 90.035-190. Fone (051) 316-3518; Fax (051) 225-2811. Porto A1egreIRS- Brasil. I O volume mundial gerado de escória de aciaria é da ordem de 84 milhõcs de toneladas por ano. Por isso a importância de se estudar a sua reciclagem como forma de resolver o problema de armazenagem ou "bota fora" desta escória. Entretanto há alguns inconvenientes no uso deste produto, uma vez que a cal que participa no processo de produção do aço permanece como matéria-prima não reagida presente na escória. Como a cal, em presença de umidade, reage, formando compostos expansivos, é necessário um periodo de "cura" de três meses a um ano (RUBlO & CARRETERO, 199...l, limitando-se ainda mais o seu uso. O presente trabalho tem como objetivo apresentar o circuito da escória como resíduo em aciarias elétricas e à oxigênio e, através de uma revisão bibliogràfica e de resultados experimentais preliminares, analisar as possibilidades e os fatores que limitam a reutilização de escórias de aciaria como material de Construção Cívil, principalmente o seu uso como adição ao cimento Portland na forma de substituição ao mesmo. I ABSTRACT The volume of electric are furnacc (EAF) plus oxygen (BOF) slag produccd yearly in lhe world is about 84 million tou. Bccause of this, lhe study of recycling processes as a way to solve lhe storage problem of lhese slags rise in importancc. There are, however, some inconvenients on using this byproduct: lime, which talces part ofthe proccss of stccl production, remains as a non-reactive raw product in lhe slag. Sincc lime reacts in presence of humidity, forming expansive compounds, a period of "cure" of about three months to one year (RUBlO & CARRETERO, 199...l is necessary, limiting ilSuse even more. The objective of this work is to present lhe flowsheet of lhe slags production as a residue both at lhe electric and oxygen steel planlS and, through a bibliographic review, to analize lhe possibilities and lirniting factors for lhe use of steelmaking slags in lhe Civil Construction 1ndustry. PALAVRAS-CHAVE Escória de aciaria, reciclagem. 1-INTRODUÇÃO Além das usinas siderúrgicas, fornos de usinas termoelétricas que empregam carvão como combustível e fornos metalúrgicos que produzem ferro fundido, silício metálico e ligas de ferro-silicio, são as maiores fontes de subprodutos, os quais estão sendo produzidos num volume de milhões de toneladas a cada ano em muitos paises. Acumular estes subprodutos em aterros representa uma perda de material e causa sérios problemas de poluição ambiental. O descarte como agregado para concreto e em sub-Ieito de rodovias é um aproveitamento menos nobre que não utiliza o potencial destes materiais pozolànicos e cimentantcs. Com controle de qualidade adequado, grandes quantidades de muitos subprodutos industriais podem ser incorporados ao concreto, na forma de cimentos Portland compostos ou de adições 3

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Associação Nacional de Tecnologia do Ambiente ConstruídoGRUPO DE TRABALHO EM DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL

I ENCONTRO NACIONAL SOBRE EDIFICAÇÕES ECOMUNIDADES SUSTENTÁVEISCanela, RS, 18 a 21 de novembro de 1997

RESUMO

ri

PERSPECTIVAS DE RECICLAGEM DE RESÍDUOS DA INDÚSTRIA SIDERÚRGICACOMO MATERIAL DE CONSTRUÇÃO CIVIL

Rejane Thbino GcyerAndré Gcyer

Denise Dal MolinAntonio C. F. Vilela

Curso de Pós-Graduação em Engenharia Civil - CPGEClNORlE - UFRGS e Curso de Pós-Graduação em Engenhariade Minas, Metalúrgica e dos Materiais- PPGEM - UFRGS. Av. Oswaldo Aranha, 99/3. andar. CEP 90.035-190. Fone

(051) 316-3518; Fax (051) 225-2811. Porto A1egreIRS- Brasil.

I

O volume mundial gerado de escória de aciaria é da ordem de 84 milhõcs de toneladas por ano. Por isso aimportância de se estudar a sua reciclagem como forma de resolver o problema de armazenagem ou "botafora" desta escória. Entretanto há alguns inconvenientes no uso deste produto, uma vez que a cal queparticipa no processo de produção do aço permanece como matéria-prima não reagida presente na escória.Como a cal, em presença de umidade, reage, formando compostos expansivos, é necessário um periodo de"cura" de três meses a um ano (RUBlO & CARRETERO, 199...l, limitando-se ainda mais o seu uso.

O presente trabalho tem como objetivo apresentar o circuito da escória como resíduo em aciarias elétricas e àoxigênio e, através de uma revisão bibliogràfica e de resultados experimentais preliminares, analisar aspossibilidades e os fatores que limitam a reutilização de escórias de aciaria como material de ConstruçãoCívil, principalmente o seu uso como adição ao cimento Portland na forma de substituição ao mesmo.

I

ABSTRACT

The volume of electric are furnacc (EAF) plus oxygen (BOF) slag produccd yearly in lhe world is about 84million tou. Bccause of this, lhe study of recycling processes as a way to solve lhe storage problem of lheseslags rise in importancc. There are, however, some inconvenients on using this byproduct: lime, which talcespart ofthe proccss of stccl production, remains as a non-reactive raw product in lhe slag. Sincc lime reacts inpresence of humidity, forming expansive compounds, a period of "cure" of about three months to one year(RUBlO & CARRETERO, 199...l is necessary, limiting ilS use even more.

The objective of this work is to present lhe flowsheet of lhe slags production as a residue both at lhe electricand oxygen steel planlS and, through a bibliographic review, to analize lhe possibilities and lirniting factorsfor lhe use of steelmaking slags in lhe Civil Construction 1ndustry.

PALAVRAS-CHAVE

Escória de aciaria, reciclagem.

1-INTRODUÇÃO

Além das usinas siderúrgicas, fornos de usinas termoelétricas que empregam carvão como combustível e fornosmetalúrgicos que produzem ferro fundido, silício metálico e ligas de ferro-silicio, são as maiores fontes de subprodutos,os quais estão sendo produzidos num volume de milhões de toneladas a cada ano em muitos paises. Acumular estessubprodutos em aterros representa uma perda de material e causa sérios problemas de poluição ambiental. O descartecomo agregado para concreto e em sub-Ieito de rodovias é um aproveitamento menos nobre que não utiliza o potencialdestes materiais pozolànicos e cimentantcs. Com controle de qualidade adequado, grandes quantidades de muitossubprodutos industriais podem ser incorporados ao concreto, na forma de cimentos Portland compostos ou de adições

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minerais. Quando as propriedades pozolânicas ou cimentantes de um material são tais que ele pode ser um substitutoparcial do cimento Portland no concreto, isto resulta numa economia significativa de energia e custo.

O mecanismo pelo qual a reação pozolânica exerce um efeito benéfico sobre o concreto é o mesmo, quer o materialpozolânico tenha sido adicionado como uma adição mineral quer como um constituinte de cimentos Portland compostos.Da reação pozolànica e das propriedades dos cimentos Portland compostos, fica claro que os beneficios de engenhariaderivados do emprego de adições minerais no concreto incluem melhora da resistência à fissuração ténnica devido aocalor de hidratação mais baixo, aumento das resistências e da impenneabilidade por refinamento de poros e (comoresultado da redução da alcalinidade) uma durabilidade maior a ataques quimicos, tais como, águas sulfatadas e reaçãoálcali-agregado (MEHTA & MONTEIRO, 1994).

Ensaios preliminares apontam a viabilidade de uso da escória de aciaria como substituição ao cimento Portland.

2- O CIRCUITO DA ESCÓRIA

A escória de aciaria é normalmente vazada em uma panela eJou descarregada em locais onde pode solidificar em formacristalina.

Em geral, a escória de aciaria é processada para a recuperação da fração metálica, empregada na sinterização, no alto-fomo e na aciaria mesmo. Em média, essa recuperação corresponde a 30% da sua geração. Parte da fração não-magnética é eventualmente reciclada no alto-fomo.

Resulta pois que as escórias de refino (aciaria) diferem das escórias de redução (alto-fomo) porque participam ativa efundamentalmente do processo, enquanto que as últimas principalmente incorporam as impurezas. Quando é possivel,sem prejuízo da principal função de uma escória redutora que é a fusão de todos os minérios da ganga numa temperaturaadequada, a composição deve ser tal que o refino seja possive\.

A figura 1 mostra o circuito da geração de resíduos na aciaria elétrica (FEA) e na aciaria á oxigênio (LD), com a geraçãoaproximada da escória em cada etapa.

~i\RVÃO+CAL

~ CO'~R~- -".CÓOOOAl DO _,... IEscOA>~ u ••••• _0"••.•.••.••••••••.•_CAL. CARVÃO •.••••

fmRO UCAS t;11

rJ' .(METALURGIA NA PANIloA)

---IAçol

te/'- Ju Ln'iCOTAMFNTO CONTlNUO

LFIGURA 1- Esquema simplificado da geração de escórias na aciaria elétrica (FEA) e à oxígênio (LD) (GEYER et ai,1996).

Após a saída do forno a escória de aciaria é resfriada e britada. Após britagem, por meio de correias rolantes, a escória éseparada por bitolas. Nesta separação este resíduo passa por um eletroímã que separa a escória rica em ferro que poderávoltar para o forno. Esta escória reaproveitada no forno é conhecida como sucata C ou sucata recuperada. A escóriaseparada por bitolas tem outras utilizações como a indústria da Construção Civil ou como fertilizante e como corretivode solo.

3- CARACTERíSTICAS DA ESCÓRIA DE ACIARIA

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As propriedades fisicas características das escórías (densidade. granulometria, propriedades estruturais) variam de acordocom a maneira como é feito o resfriamento deste resíduo.

A escória fundida, ao sair do forno á temperatura de 1500°C, pode ser submetida a diferentes processbs de resfriamento.

As escórias de aciaria no Brasil têm um resfriamento lento ao ar. Se estas recebessem um tratamento semelhante ao dasescórias de alto-forno a fim de serem granuladas, elas não teriam as mesmas propriedades cimentantes que têm asescórias de alto-fomo? Por que não recebem um resfriamento acelerado e controlado como em outros países. corno noJapão? Por certo ainda se tem o problema de expansibilidade da escória de aciaria., mas com propriedades cimentantesmelhoradas, seu uso poderia ser incrementado. IA titulo de comparação, já que as escórias de alto-forno são largamente empregadas como adição ao cimento Portland,na tabela 1 tem-se a composição química típíca das escórias de refino oxidante (F.E.A.), escórias de refino redutor (F.P.),escórias de aciaria á oxigênio (L.D.), escórias de alto-forno (A.F.) e do cimento Portland comum (C.P.), no Brasil.

Sob o ponto de vista da composição química. naquelas aciarias onde são poduzidos aços com altolteor de cromo. as

escórias daí provenientes são remanejadas do circuito por questões ambientais. I

ITABELA 1- Composição química típica das escórias de refino oxidante (F.E.A.), escórias de refino redutor (F.P.),escórias de aciaria á oxigênio (L.D.), escórias de alto-forno (A.F.) e do cimento Portland comum (C.p\ no Brasil.

Composição F.EA (%) F.P. (%) L.D. (%) A.F. (%) c.P. (%)QuímícaCaO 30-35 45-55 35 42 61-67SiO, 15-20 20-25 15 34 20-23MgO 8-12 8-12 6 6 0,8-6MnO 3-6 0,5-3,5 4 - -AJ,O, 3-9 3-9 4 14 4,5-7FeO 25-35 0,5-3,5 8 0,35 -

i-CaO/SíO, 1,75-2,00 2,20-2,25 2,33 1,23 2,91-3,05

4. POSSIBILIDADES DE REUTILIZAÇÃO DE ESCÓRIAS DE ACIARIA COMO MATERIAL DECONSTRUÇÃO CIVIL

Tem-se na figura 2 aspectos potenciais do uso da escória de aciaria e o que já existe.

ESCORIA

GRANULAO

unUZAÇÃO V1TRlflCAÇÃO

CORRENTE POTENCIAL

Agregado paraconstruçio deestradas

Granito sintético

Concreto leve

FIGURA 2- Usos correntes e usos potenciais da escória de aciaria. IGROMOV (1984) cita em seu artigo sobre a utilização de escórias metalúrgicas na União Soviética o desenvolvimentodo uso destes materiais corno agregado leve para confecção de concreto. na indústria de cimento, na indústria do vidro ena confecção de granito sintético chamado de "sigrán".

Viabilizar o uso mais nobre deste subproduto siderúrgico faz parte do objetivo da tese de doutorado da autora, comvistas à Construção Civi1. I

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5- FATORES LIMITANTES DA REUTILIZAÇÃO DE ESCÓRIAS

Segundo CINCOTTO et ai (1989) a escória de aciaria retém pane da cal virgem empregada para retirar os elementosfósforo, enxofre e silicio do processo de refino de ferro-b'Usa para a produção de aço, a qual exposta ao ar podeapresentar expansão por hidratação.

Em bases confinadas com agregado proveniente de escória é condição necessária que o material esteja devidamentecurado, para se evitar o inconveniente da sua característica de expansibilidade.

Para uso deste material como adição ao cimento torna-se imperativo que o mesmo não irá expandir com o tempo empresença de umidade.

Pelo apresentado tem~seclaramente que o fator limitante da reutilização das escórias de aciaria é exatamente a cal livreque permanece corno matéria-prima não reagida na escória. Neutralizar esta calou ainda eliminá-la da escória de formaeconômica é um desafio a ser vencido para o melhor aproveitamento deste resíduo industriaL

6- ESTUDO EXPERIMENTAL

Com o objetivo de apontar a viabilidade técnica da utilização da escória de aciaria elétrica como substituição ao cimentoPortland na confecção de concreto foram executados os seguintes ensaios preliminares:

1- Determinação de resistência à compressão (NBR 7215/82- "Ensaio de cimento Ponland" (ABNT, 1982)).

2- Ensaio de pozolanicidade (NBR 5752/77- "Pozolanas- Determinação do indice de atividade pozolãnica com cimentoPortland"(ABNT, 1977);

3- Determinação de expansibilidade (NBR 7215/82- "Ensaio de cimento Ponland"(ABNT, 1982)).

6.1- Resultado., oh/ido.,

a) Determinação de resistência à compressão

A primeira bateria de ensaios foi realizada com escória moída e com composlçao granulométrica definida comoagregado miúdo. Com intuito de se verificar a real pozolanicidade do material, que quanto mais fino melhora estacaracterística, foi realizada uma segunda bateria de ensaios utilizando-se apenas o material passante na peneira n~200(Tyler), de malha 0,074mm de lado quadrado (finura próxima a do cimento Ponland), o que aparece nos resultados coma nomenclatura de finos.

Os resultados do ensaio de resistência à compressão encontram-se na tabela 2 e nas figuras 3 e 4.

TABELA 2- Ensaio de resistência à compressão

3 DIAS IMPa) 7 DIAS (MPa) 28 DIAS (MPa) 28 DIAS (MPa) FINOST (0%) 18.56 21.75 24,825% 21.15 25.73 30,66 38,5835% 7.64 10.03 12,17 24,2770% 1.91 2.51 3,31Legenda:T= testemunho5%= substituição de 5% de escória de aciaria elétrica sobre o peso de cimento35%= substituição de 35% de escória de aciaria elétrica sobre o peso de cimento70%= substituição de 70% de escória de aciaria elétrica sobre o peso de cimento

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Resistên-cia à

compres-são (MPa)

.0%05%.35%

070%

FIGURA 3- Resistência à compressão para escória moida.

Idade (dias)

403530

Resist. à 25com- 20

pressão(MPa) 15

105O

• escóriao finos.testemunho

0% 5% 35%

FIGURA 4- Resistência à compressão da escória simplesmente moida, do material passante na peneira 200 (finos) etestemunho (corpo-de-prova confeccionado com 0% de adição de escória), aos 28 dias.

h) Po::olanQs- Delerminação do Índice de atividade pozolánica com cimell/O jJorlland

O índice de atividade pozolânica com cimento Portland para esta escória foi de 70%.

c) Determinação da expallsíbilídade IOs ensaios da determinação de expansibilidade por "Le Chatelier" mostraram que o material não expandiu nada.

6.2- /)i,\"Cll!iSâo tios resultados preliminares

O ensaio de resistência à compressão mostrou que adições de 5% aumentaram a resistência do concreto em relação aoscorpos-de-prova testemunho, com 0% de adição na ordem de 14% aos 3 dias de idade, 18% aos 7 dias e 24% aos 28dias.

Corno pode ser observado no gráfico da figura 3, 35% de adição baixou a resistência em 45% em relação ao testemunho.Adição de 70% baixou a ]0% a resistência do concreto. ]sto demonstra que, provavelmente, adições em tomo de 50/0preenchem os vazios deixados no concreto quando a sua água de amassamento evapora. Com os seus vazios preenchidoso concreto torna-se mais denso aumentando assim a sua resistência.

Quando executou-se este mesmo ensaio apenas para as partículas finas da escória. os resultados que aJarecem na figura4, aos 28 dias, aumentaram em 25% e em 99% para substituições de 5 e 35%, respectivamente. Para 5%. onde tinha-se30,66MPa de resistência aos 28 dias de idade, apenas com os finos da escória, para um concreto moldado com asmesmas características, esta resistência à compressão subiu para 38,58MPa. Ainda melhor, os resultados para 35% desubstituição, aos 28 dias, a resistência à compressão passou de 12, I 7 para 24,27MPa .

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o indice de atividade pozolãnica com a utilização apenas das parti cuias finas do material foi de 70%. Este resultadoaponta uma pozolanicidade relativa do material, o que vem a confinnar a bibliografia.

De acordo com a revisão bibliográfica (RUBlO & CARRETERO, 199-> a escória deve estar estável e não expandir, sejaqual for o seu uso. Aponta-se também que este periodo de cura pode durar de 3 meses a um ano, dependendo do teorinicial de cal livre que a escória contenha.

A escór;a utilizada nos ensaios tinha uma idade de um ano. aproximadamente. Confirmando a teoria, esta escória nãoexpande mais, como pode-se observar no ensaio de expansibilidade por "Le Chatelier", onde a pasta de cimento teveuma expansibilidade maior do que a pasta de cimento com 35% de escória.

7- CONSIDERAÇÕES FINAIS

A indústria siderúrgica tcm realizado um grande esforço para reduzir o impacto ambiental por ela provocado. Apesar daadoção de novas tecnologias, menos poluentes e energicamente mais eficazes, a geração e captação de uma grandevariedade de resíduos deixa a siderurgia mundial com o ônus da gestão de meio bilhão de toneladas anuais dessesmateriais. Cada unidade de produção das siderúrgicas gera residuos, que são reciclados, vendidos ou simplesmentedescartados. Nesse último caso, diversos fatores têm levado as usinas a tratarem os resíduos antes do descarte ou aencontrar uma utilização para os mesmos.

Não existe roteiro para beneficiamento da escória de aciaria no Brasil corno já é feito em outros paíse~como no Japão,onde esta escória já é liberada para uso, estabilizada, após 12 dias de cura acelerada a vapor. O seu uso naquele paisencontra-se principalmente em sub-leitos de estradas. Entretanto permanecem abertas a potencialidade de uso em outrasáreas das ciências, como é o caso da adição ou substituição do cimento Portland na confecção do concreto.

Ensaios preliminares, como foram apontados neste trabalho, indicam a viabilidade de uso deste material corno adição ousubstituição ao cimento Ponland na confecção de concreto, em função de sua pozolanicidade e de sua estabilidade devolume após cura. Parâmetros ainda devem ser definidos para garantir a durabilidade de materiais de construçãoconfeccionados com a escória de aciaria.

Estudar e viabilizar a ampliação do uso da escória siderúrgica é uma proposta importante tanto para a redução de custosdas obras civis, como para proteção do meio-ambiente.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ABNT Ensaio de cimento Ponland Rio de Janeiro, 1982. p. NBR 7215.

ABNT Pozolanas- Determinação do índice de atividade pozolãnica com cimento Posrtland Rio de Janeiro, 1977. p.NBR 5752.

CINCOTTO, M.A et ai Utilização de subprodutos e resíduos na indústria da construção civil. In: 11 Simpósio dedesempenho de materiais e componentes de Construção Civil. Florianópolis, SC, Anais" .. p. 171- I81. 1989.

GEYER, R. M. T.; DAL MOLIN, D. & VILELA, AC. Possibilidades e fatores limitantes da reutilização de escórias deaciaria na Construção Civil. In: 51~ Congresso Anual da ABM. Posto Alegre, RS. Anais ... p. , 5-9 ago 1996.

GROMOV, B. V. Utilizacíón de escorias metalúrgicas en la Unión Soviética. PNUMA Industria y Medio Ambientep. ]3-18, 1984.

MEHT A, P. K. & MONTEIRO, P. J. M. Concreto- Estrutura, propriedades e materiais. São Paulo, 1994.

RUBlO AR. & CARRETERO, J. G. La aplicación de las escorias de aceria en carreteras. (lIgellieria Civil, v.80, .p. 5-8,199_.

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