UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA …sistemas.eel.usp.br/bibliotecas/monografias/2013/MEM13011.pdf · Figura 2 - Documentação fotográfica do equipamento de britagem

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA

ROBERSIO MARINHO DE FARIA

Beneficiamento e caracterização físico-química dos resíduos refratários de usinas

siderúrgicas.

Lorena - SP

2013

ROBERSIO MARINHO DE FARIA

Beneficiamento e caracterização físico-química dos resíduos refratários de usinas

siderúrgicas.

Lorena - SP

2013

Trabalho de Graduação apresentado à Escola de

Engenharia de Lorena da Universidade de São

Paulo para obtenção do título de Engenheiro de

Materiais.

Orientador: Prof. Dr. Fernando Vernilli Júnior

AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE

TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA

FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

Ficha Catalográfica

Elaborada pela Biblioteca Especializada em Engenharia de Materiais

USP/EEL

Faria, Robersio Marinho

Beneficiamento e caracterização físico-química dos resíduos

refratários de usinas siderúrgicas. / Robersio Marinho Faria;

orientador Fernando Vernilli Júnior. -- Lorena, 2013.

92f.: il.

Trabalho apresentado como requisito parcial para obtenção do

grau de Engenheiro de Materiais – Escola de Engenharia de Lorena -

Universidade de São Paulo.

1. Sucata refratária 2. Geração 3. Beneficiamento 4.

Caracterização laboratorial I. Título

CDU 669.1

AGRADECIMENTOS

Primeiramente gostaria de agradecer a Deus pelo dom gratuito da vida, pelas oportunidades

dadas, inteligência e força do céu para lutar contra as dificuldades da safra da vida.

A minha mãe, Maria de Lourdes Faria, exemplo de mulher que me educou com sua

experiência de vida, mulher forte, trabalhadora, que foi na minha vida e dos meus irmãos mãe

e pai. Ao meu pai, Roberto Raimundo de Faria, inspiração dos meus desejos e sonhos

profissionais. Ao meu filho e tesouro da minha vida, Lucas A. R. de Faria por ser meu porto

seguro e Amor além da minha imaginação. Aos meus irmãos, Humberto, Silas e Raquel pelo

amor sem precedentes e base da minha força para que eu jamais desistisse dos meus sonhos e

lutas. Ao meu cunhado e cunhada Gislene e sobrinha Helena, pelo apoio especial e amor a

minha vida. Ao meu tio, William Marinho de Faria, pelo amor, carinho e assistência

financeira por toda a faculdade e a minha psicóloga e amiga Bianca Bueno, por fazer parte da

formatação da minha vida. A minha família de modo geral por todo apoio, paciência,

compreensão e amor nesses anos de faculdade, sempre me incentivando na busca do melhor.

Aos amigos, amigas, e namorada, por compreender a importância da realização desse

trabalho, e a paciência por não terem recebido a atenção merecida. E todos aqueles que de

alguma forma conviveram comigo em momentos difíceis e especiais, somando na minha

personalidade uma pessoa melhor a cada dia que se passou.

Ao Prof. Dr. Fernando Vernilli Júnior, mais que um orientador, um grande amigo, exemplo de

vida e desenvolvimento profissional. Amigo, que serei eternamente agradecido, pelos seus

ensinamentos e aprendizados na construção de um verdadeiro profissional e de um grande

homem.

A empresa Companhia Siderúrgica Nacional, pela oportunidade de colaboração e por fazer

parte da equipe de pesquisa e desenvolvimento. Aos meus amigos e amigas de trabalho do

grupo de pesquisa do Prof. Dr. Fernando Vernilli. E a todos aqueles que direta ou indiretamente

contribuíram para a realização deste trabalho.

A todos os docentes e funcionários da Escola de Engenharia de Lorena - Universidade de São

Paulo (EEL-USP) pela formação, aprendizado, amizade e embasamento teórico em

Engenharia de Materiais.

“Ao aprender a amar, o homem derramará lágrimas não de

tristeza, mas de alegria. Chorará não pelas guerras ou pelas

injustiças, mas porque compreendeu que procurou a felicidade

em todo Universo e não a encontrou. Perceberá que Deus a

escondeu no único lugar em que ele não pensou em procurá-la:

dentro de si mesmo”

(Augusto Cury)

RESUMO

FARIA, R.M. Beneficiamento e caracterização físico – química dos resíduos refratários

de usinas siderúrgicas. 2013. 92 f. Monografia (Trabalho de Graduação em Engenharia de

Materiais) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2013.

A produção de aço gera um grande volume de resíduos sólidos, provenientes das reformas dos

revestimentos refratários de equipamentos siderúrgicos, uma usina siderúrgica de grande

porte, com produção em torno de 5 milhões de ton/ano de aço, pode gerar um acumulo anual

de 35 mil toneladas de resíduos refratários. Entretanto, ainda não existem rotas sistemáticas

para o seu beneficiamento, e atualmente, o acúmulo destes materiais é um dos maiores

passivos ambientais da siderurgia. Neste trabalho, foram identificadas e avaliadas as

principais rotas envolvidas com a produção de aço que geram um volume significativo de

resíduos refratários. O projeto foi desenvolvido em parceria com a Companhia Siderúrgica

Nacional (CSN) e do convênio de cooperação técnica e econômica com a Escola de

Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo– EEL/USP, e compreendeu as seguintes

etapas: i) Acompanhamento de reformas, reparos ou demolições de sucata refratária em

diversos equipamentos na Usina Presidente Vargas (UPV), ii) Levantamento da geração e

classificação de sucata gerada, iii) Beneficiamento e amostragem e iv) Caracterização

laboratorial. Os resultados apresentaram viabilidade econômica sustentável na reciclagem de

resíduos refratários, em comparação com a viabilidade técnica socioambiental, com a possível

geração de um alto retorno econômico. Estudos de beneficiamento foram realizados a fim de

determinar métodos para adequação das propriedades físico-químicas destes resíduos de

modo que eles possam ser utilizados como matéria prima para as indústrias de refratários,

com o objetivo de agregar valor à sucata refratária e consequentemente a redução do impacto

ambiental associado à produção de aço em usinas siderúrgicas.

Palavras-chave: sucata refratária; geração; beneficiamento; caracterização laboratorial

ABSTRACT

FARIA, R.M. Processing and physicochemical characterization of refractory waste steel

plants. 2013. 92 p. Monograph (Undergraduate Work in Materials Engineering) – Escola de

Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2013.

The steel production generates a large volume of solid waste from the reforms of the

refractory lining of steel equipment, a steelworks large, producing around 5 million tons/year

of steel, can generate an annual accumulation 35 thousand tons of waste refractories.

However, there are still no systematic routes for processing this waste, and currently, the

accumulation of these materials is one of the largest environmental liabilities of steel. In this

work, we identified and evaluated the main routes involved in steel production that generate a

significant volume of waste refractories. The project was developed in partnership with the

Companhia Siderúrgica Nacional (CSN), through technical and economical agreement with

Engineering School of Lorena of University of São Paulo -EEL-USP, comprising the

following steps: i) ) Monitoring of reforms, repair or demolition of refractory scrap in various

equipment in the Usina Presidente Vargas (UPV), ii) Survey of generation and classification

of scrap generated, iii) Improvement and sampling and iv) Characterization. The results

showed sustained economic feasibility of recycling waste refractory compared with the

environmental technical feasibility, with the possible generation of a high economic return.

Beneficiation studies were performed to determine the adequacy of methods to

physicochemical properties of these wastes so that they can be used as raw material for the

manufacture of refractories, with the objective of adding value to refractory scrap and

consequently reducing the impact environment associated with the production of steel in steel

plants.

Keywords: refractory scrap, generation, processing, characterization.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Fluxograma do processo de beneficiamento e reciclagem de resíduos refratários,

adaptado de Hanagiri et al. (2008)................................................................................................. 21

Figura 2 - Documentação fotográfica do equipamento de britagem e moagem instalado na oita

Works [HANAGIRI 2008]. ........................................................................................................... 22

Figura 3 - Local temporário de acondicionamento de sucata refratário após a britagem e

moagem [HANAGIRI 2008].. ....................................................................................................... 22

Figura 4 - Resíduo refratário acondicionado em sacos após o britagem e moagem

[HANAGIRI 2008]. ....................................................................................................................... 23

Figura 5 - Esquemática de peneiramennto e separação magnética de ferro aderido aos resíduos

refratários [Adaptado de HANAGIRI 2008].. ............................................................................... 23

Figura 6 - Representação ilustrativa do conceito “uma posição para baixo” proposto por

Hanagiri et al. (2008). .................................................................................................................... 24

Figura 7 - Evolução da reciclagem de material refratário na nippon steel em 2001 e 2005

[hanagiri 2008]. ............................................................................................................................. 25

Figura 8 - Curva de absorção de água da composição mulita – cordierita do refratário com

adição de 16 e 20 %p de asbestos inertizado, Adaptado de Arianpour (2010). ............................ 28

Figura 9 - Curvas de contração da composição mulita – cordierita do refratário com o

aumento de asbesto. Adaptado de Arianpour (2010).. .................................................................. 28

Figura 10 - Variação do módulo de Young com o aumento da concentração de asbestos.

Adaptado de Arianpour et al. (2010).. ........................................................................................... 29

Figura 11 - Difratograma da composição mulita – cordierita do refratário para as composições

16 e 20 %p de asbestos, mostrando (M) mulita e (C) cordierita. Adaptado de Arianpour et al.

(2010). ........................................................................................................................................... 29

Figura 12 - Representação esquemática dos locais de amostra no poço de revestimento do

anodo. Adaptado de Smith et al. (1999).. ...................................................................................... 33

Figura 13 - Microestrutura obtida por MEV de um tijolo silico-aluminoso em contato com o

carbono (amostra 1) [SMITH 1999]. ............................................................................................. 34

Figura 14 - Microestrutura da face quente (amostra 10) de um tijolo silico-aluminoso sem

contato com o carbono, mostrando uma fase vítrea e porosidade [SMITH 1999]. ....................... 34

Figura 15 - Microestrutura de cimento produzido a partir de refratário silico-aluminoso usado

ilustrando grãos hexagonais C3S e grãos arredondados C2S típico de cimento Portland

[SMITH 1999]. .............................................................................................................................. 36

Figura 16 - Delineamento simplex aumentado mostrando a região de composições analisadas

dentro do diagrama triaxial, Bó, et al. (2007). ............................................................................... 38

Figura 17 - Localização das amostras na panela de aço. Adaptado de Fang, et al. (1999).. ......... 40

Figura 18 - Eficácia de doloma reciclados, finos de calcário, e condicionador de solo

dolomítico como neutralizadores durante os primeiros 60min (gráfico da esquerda) e para o

tempo seguinte (gráfico da direita). Adaptado de Fang (1999).. ................................................... 42

Figura 19 - Representação esquemática dos locais de amostragem refratário queimado do

forno de indução. Adaptado de FANG (1999).. ............................................................................ 43

Figura 20 - Fluxograma dos procedimentos experimentais das sucatas refratárias provenientes

de diversos equipamentos. ............................................................................................................ 47

Figura 21 - Desenho esquemático em corte transversal e longitudinal do revestimento

refratários de Carro Torpedo, os detalhes estão descritos no texto. .............................................. 49

Figura 22 - Documentação fotográfica da pilha de cascão gerada na limpeza do revestimento

refratário do CT #8 antes da demolição......................................................................................... 50

Figura 23 - Documentação fotográfica da demolição do revestimento refratário do Carro

torpedo utilizando martelete pneumático. ..................................................................................... 51

Figura 24 - Documentação fotográfica da pilha de sucata refratária gerada na demolição do

revestimento refratário do CT #8. ................................................................................................. 51

Figura 25 - Documentação fotográfica do processo de seleção dos tijolos de trabalho na pilha

de sucata refratária. ........................................................................................................................ 52

Figura 26 - Documentação fotográfica do processo de acomodação dos tijolos selecionados

em pallets e espaço reservado para a acomodação dos pallets. ..................................................... 52

Figura 27 - Documentação fotográfica da amostragem manual de tijolos de revestimento de

trabalho na periferia da pilha do pátio de demolição..................................................................... 53

Figura 28 - Documentação fotográfica da utilização de pá mecânica para amostragem no

interior e no topo da pilha da sucata refratária de CT. .................................................................. 53

Figura 29 - Ilustração esquemática do revestimento refratário dos Canais de Corrida dos Altos

Fornos da CSN. ............................................................................................................................. 56

Figura 30 - Documentação fotográfica do Canal de Corrida –Ilustrando o revestimento: (a)

após o reparo geral e (b) após drenagem antes do reparo geral. .................................................... 56

Figura 31 - Documentação fotográfica do desmonte do revestimento refratário do canal

principal utilizando máquina com ponteiro (Grantmatic). ............................................................ 58

Figura 32 - Ilustração da operação de demolição manual do canal de corrida do alto forno #3 ... 58

Figura 33 - Documentação fotográfica de material refratário demolido após ação da máquina

com ponteiro (Grantmatic). ........................................................................................................... 59

Figura 34 - Ilustração da caçamba com sucata refratária e demais detritos gerados no reparo

geral do Canal de corrida do Alto Forno #3. ................................................................................. 59

Figura 35 - Perfil de desgaste da Linha de Escória antes do corte do Canal Principal 1 (CP1),

do Alto Forno #3. Campanha de set/2011. .................................................................................... 60

Figura 36 - Perfil de desgaste da Linha de Escória após o corte do Canal Principal 1 (CP1), do

Alto Forno #3. Campanha de set2010. .......................................................................................... 61

Figura 37 - Documentação fotográfica da amostragem manual de material refratário de Canal

de Corrida na periferia da pilha para ensaios e caracterização. ..................................................... 62

Figura 38 - Documentação fotográfica da Placa de Panela de Aço comum e (API) antes e após

desmonte manual. .......................................................................................................................... 65

Figura 39 - Documentação fotográfica da demolição manual e pesagem do segmento metálico

da Válvula superior de Panela de Aço. .......................................................................................... 66

Figura 40 - Documentação fotográfica da pesagem dos segmentos metálicos de aço das

Válvulas superiores e inferiores de Distribuidores e pesagem dos segmentos metálicos dos

tubos de cobre da Válvula superior de Distribuidores. .................................................................. 66

Figura 41 - Documentação fotográfica da pesagem do segmento metálico monobloco e cintas

de Placas de Distribuidores de aço, após separação manual. ........................................................ 67

Figura 42 - Documentação fotográfica de Placas e Válvulas de Distribuidores amostradas para

ensaios de caracterizações laboratoriais. ....................................................................................... 68

Figura 43 - Documentação fotográfica da caçamba para descarte de sucata refratária de Tubos

Longos e Submersos após uso nas maquinas de lingotamento. .................................................... 72

Figura 44 - Documentação fotográfica: (a) da utilização de eletroímã ferroviário para

separação dos metálicos após demolição e (b) material metálico proveniente da separação

magnética. ...................................................................................................................................... 72

Figura 45 - Documentação fotográfica da Planta de RCD e da sucata beneficiada sendo

acondicionada na baia. ................................................................................................................... 73

Figura 46 - Composição química para as diversas faixas granulométricas da sucata de tubos

longos e submersos. ....................................................................................................................... 76



Figura 48 - Microestrutura e analise elementar por energia dispersiva de raios X (EDS) da

sucata refratária de Tubos Longos e Tubos Submersos com tamanho de partícula superior a 20

mm. ................................................................................................................................................ 79

Figura 49 - Microestrutura e analise elementar por MEV-EDS do agregado de sucata

refratária de Tubos Longos e Tubos Submersos com tamanho entre 12,5 e 16,0 mm. ................. 80





Figura 52 - Microestrutura e espectros de EDS da sucata refratária de Tubos Longos e Tubos

Submersos com agregados de tamanhos entre 3,6 e 5,0 mm. ....................................................... 81


Submersos com agregados de tamanhos entre 3,6 e 5,0 mm. ....................................................... 82


Submersos com agregados menores que 1,0 mm. ......................................................................... 82

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Propriedades mecânicas e físicas de amostras queimadas a diferentes temperaturas,

Adaptado de Arianpour (2010).. .................................................................................................... 27

Tabela 2 - Análise química das regiões de contato e não contato do revestimento do anodo,

adaptado de Smith et al. (1999). .................................................................................................... 33

Tabela 3 - Tratamento térmico para produção de cimento Portland a partir da reciclagem do

refratário de silicato de alumínio, adaptado de Smith et al. (1999). .............................................. 35

Tabela 4 - Propriedades tecnológicas comparadas do refratário atual e do refratário da

formulação 12, adaptado de Bó, et al. (2007).. .............................................................................. 38


formulação 12, adaptado de Bó, et al. (2007).. .............................................................................. 39

Tabela 6 - Análise química em %p de tijolos de MgO-C e Doloma. Adaptado de Fang

(1999)... ......................................................................................................................................... 41

Tabela 7 - CCF, FF e ENM de doloma reciclado, condicionador de solo dolomítico, calcário

com granulação fina. Adaptado de Fang (1999).. ......................................................................... 42

Tabela 8 - Total de sucata refratária gerada durante a campanha dos CTs por reparos

localizados. .................................................................................................................................... 49

Tabela 9 - Massa específica aparente, porosidade aparente e massa específica real da sucata

do revestimento refratário de trabalho do Carro torpedo. ............................................................. 54

Tabela 10 - Análise química da sucata refratária de Carro Torpedo. ............................................ 55

Tabela 11 - Análise das fases mineralógicas da sucata refratária de CT. ...................................... 55

Tabela 12 - Material refratário aplicado mensalmente nos canais de corrida dos Altos Fornos

#2 e #3. .......................................................................................................................................... 57

Tabela 13 - Sucata refratária de Canal de Corrida calculada a partir dos por perfis de desgaste

do Alto Forno #3. .......................................................................................................................... 61


do Alto Forno #2. .......................................................................................................................... 62

Tabela 15 - Principais propriedades físicas de amostras de desmonte de Canal de Corrida de

Altos Fornos. ................................................................................................................................. 63

Tabela 16 - Análise química da sucata refratária de Canal de Corrida. ........................................ 64

Tabela 17 - Análise fases mineralógicas da sucata refratária de Canal de Corrida. ...................... 65

Tabela 18 - Total do levantamento e classificação da geração de sucata refratária e material

metálico oriundos dos dispositivos para panela de aço e distribuidor. .......................................... 67

Tabela 19 - Massa específica aparente (MEA), porosidade aparente (PA) e massa específica

real (MER) de sucata refratária de Placas e Válvulas de Panela e Distribuidor. ........................... 69

Tabela 20 - Análise química da sucata refratária de Placa de Panela de aço com inserto de

zircônia, Placa de Distribuidor e Válvula de distribuidor e Panela... ............................................ 70

Tabela 21 - Análise de fases mineralógicas da sucata refratária de Placa de Panela de aço com

inserto de zircônia, Placa de Distribuidor e Válvula de distribuidor e Panela.. ............................ 70

Tabela 22 - Geração de sucata refratária oriunda dos tubos longos e submersos ......................... 71

Tabela 23 - Principais propriedades físicas de sucata refratária de Tubos Longos e Tubos

Submersos. ..................................................................................................................................... 74

Tabela 24 - Análise química da amostra global e das faixas granulométricas acima de 12,5

mm. ................................................................................................................................................ 75

Tabela 25 - Análise química das faixas granulométricas abaixo de 12,5 mm. .............................. 75

Tabela 26 - Fases mineralógicas para as diversas faixas granulométricas da sucata de tubos





metálico na Usina presidente Vargas............................................................................................. 83

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................................ 12

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................................. 16

2.1 Legislação ambiental ...................................................................................................... 18 2.2 Considerações gerais sobre refratários .......................................................................... 19

2.3 Reciclagem de refratários ............................................................................................... 20

2.4 Reciclagem de refratários de MgO-C ............................................................................. 25

2.5 Reciclagem de refratários de sílico-aluminoso ............................................................... 32

2.6 Reciclagem de refratários dolomíticos............................................................................ 39

2.7 Reciclagem de refratários de alumina ............................................................................. 43

3 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ................................................................................ 46

3.1 Carro torpedo .................................................................................................................. 48

3.1.1 Geração de sucata refratária de carro torpedo........................................................ 48

3.1.2 Desmonte ............................................................................................................... 50

3.1.3 Caracterização laboratorial .................................................................................... 52

3.2 Canal de corrida .............................................................................................................. 55

3.2.1 Geração de sucata refratária dos canais de corrida dos altos fornos #2 e #3 ......... 57

3.2.2 Caracterização laboratorial .................................................................................... 62

3.3 Placas de válvulas de panela de aço e distribuidores ...................................................... 65

3.3.1 Segmentos metálicos de placas e válvulas de panela de aço e distribuidores ....... 65

3.3.2 Amostragem e caracterização laboratorial ............................................................. 68

3.4 Tubo longo e tubo submerso ........................................................................................... 70

3.4.1 Geração e beneficiamento de sucata refratária de válvulas longas e submersas ... 70

3.4.2 Amostragem e caracterização laboratorial ............................................................. 73

4 CONCLUSÕES ........................................................................................................................ 84

5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................... 85

ANEXO A – Fluxograma de usina siderúrgica integrada ............................................................. 87

12

1 INTRODUÇÃO

Refratários são materiais cerâmicos utilizados em diferentes aplicações sob condições

operacionais severas, tais como: altas temperaturas, presença de sólidos, líquidos e gases

corrosivos, solicitações de elevada abrasão e geração de tensões termomecânicas.

Os refratários são fabricados a partir de matérias-primas naturais e sintéticas sendo

aplicados em revestimentos de equipamentos com campanhas definidas. Tipicamente, ao final

da campanha os revestimentos remanescentes, cerca de 25% do revestimento original, são

removidos e substituídos por novos revestimentos refratários.

As sucatas refratárias (resíduos) geradas são dispostas em aterros industriais gerando

despesas às empresas consumidoras de refratários decorrentes de manuseio, transporte e

disposição final, o que também leva a geração de passivos ambientais.

Aliado ao continuo crescimento mundial é inevitável que ocorra a limitação de

matérias primas para a indústria de transformação e de aterros para a disposição dos resíduos

gerados. Estas tendências tornam a reciclagem à opção mais viável e oferece oportunidades

para as empresas criar vantagens competitivas por meio de atividades de reciclagem

adequadas.

Embora algumas indústrias viessem desenvolvendo grandes e eficazes sistemas de

reciclagem, de modo geral, apenas uma pequena percentagem de resíduos industriais são

reciclados. Existem muitas barreiras para uma maior aplicação de reciclagem. Um motivo

citado por Fang é o alto custo da reciclagem em comparação com os benefícios tangíveis que

gera. Um levantamento realizado no inicio da década passada (Fang et al., 1999) constatou

que quase metade dos fabricantes da indústria de refratários nos EUA não acreditava que os

gastos na reciclagem de material seria de custo eficaz.

O cenário da época em que a combinação de baixos custos de deposição em aterros

matéria-prima barata e da pequena eficiência na reciclagem tornava difícil que a reciclagem

13

fosse proveitosa para muitas empresas.

Além disso, as ferramentas analíticas adequadas para justificar o processo não estavam

disponíveis. Finalmente, muitas oportunidades, muitas vezes não foram seriamente

consideradas devido à falta de conscientização por parte dos indivíduos envolvidos. Muitas

agências governamentais se conscientizaram destes problemas e têm desenvolvido programas

para estimular o crescimento da reciclagem.

Em torno de 70% dos materiais refratários produzidos são utilizados pelas indústrias

siderúrgicas como revestimento interno de fornos e vasos de transferência e a deposição em

aterro é a forma mais comum de eliminação da sucata dos refratários usados.

Estudos realizados por Bennett and Kwong estimaram que dos mais de 3,0 milhões de

toneladas de sucata refratária gerada anualmente menos de 10% desta geração são reciclados.

Em Missouri nos EUA, o nível de reciclagem de refratários foram rigorosamente

vistoriados por Smith e colaboradores e suas estimativas são ainda menores,

aproximadamente 1% da geração de sucata (SMITH).

No entanto, os aterros sanitários estão se tornando sujeitos a regulamentações

ambientais mais severas tanto estaduais como federais e considerando que se tornará cada vez

mais difícil e caro para dispor resíduos em aterros, alternativas devem ser investigadas. A fim

de concentrar esta análise para situações em que a melhor tomada de decisão pode ter um

impacto, é importante diferenciar as condições de reciclagens diversas.

Das oportunidades de reciclagem poucas são claramente justificadas devido ao valor

agregado do material a ser reciclado, os volumes envolvidos e a experiência tecnológica

adquirida nessa área, ou outras condições específicas que claramente justifica o esforço.

Nessas situações em que o valor agregado do material é facilmente recuperado na reciclagem.

Por outro lado, muitas das oportunidades não são viáveis nas condições atuais quer por

causa do baixo volume que é gerado pelo usuário, ou as dificuldades que seriam encontradas

14

na segregação e reciclagem desses materiais refratários.

No entanto se o fabricante de insumos refratários e o usuário tiverem a iniciativa de

concentrar esforços para coletar e desenvolver técnicas de reciclagem destes materiais, novos

materiais alternativos poderão ser desenvolvidos em parcerias estabelecidas entre a iniciativa

privada e universidades/instituições de pesquisa.

Como resultado, gerando divisas para o país tanto no que tange a redução de

disposição destes materiais em aterros, como na redução da dependência brasileira em

matérias-primas importadas. Se considerarmos somente a indústria siderúrgica instalada no

Brasil, no ano de 2010 foram produzidos em torno de 35 milhões de toneladas de aço. Se

ainda fizermos as seguintes considerações conservadoras de que o consumo específico de

material refratário é de aproximadamente 7 kg/ton de aço produzido, teremos um consumo

anual de aproximadamente 245.000 ton de material refratário. Conservadoramente podemos

assumir que 25% do refratário utilizado é convertido em sucata (resíduo), portanto somente a

indústria siderúrgica brasileira, a qual consome 70% do material refratário produzido, gera em

torno de 61.250 ton/ano de sucata refratária e considerando os índices de recuperação de 10%

desta sucata, conclui-se que restam em torno de 55.125 ton/ano que são depositadas em

aterros.

Em média o custo para disposição de sucata refratária (resíduo classe II) em aterros

gira em torno de R$ 150,00 a tonelada, portanto um custo anual de R$ 8,3 milhões somente

para a disposição em aterros para a indústria de base brasileira.

Este projeto apresenta o beneficiamento e caracterização físico-química de sucata

refratária gerada na UPV (Usina Presidente Vargas). A CSN (Companhia de siderurgia

nacional), junto com empresas parceiras e manufatoras de refratários, propõem alguns

caminhos para a reciclagem de sucata refratária com o objetivo de:

Agregar valor a sucata refratária;

15

Diminuir o impacto do passivo ambiental;

Minimizar os estoques de resíduos sólidos a fim de promover a disponibilidade de

áreas livres na UPV;

Aumento da sustentabilidade ambiental e empresarial da CSN;

Promover a redução no volume de extração de matérias-primas na indústria de

refratários;

Reduzir a dependência do fornecedor brasileiro de refratários em matérias primas

importadas;

Conservar matérias-primas não renováveis;

Reduzir o consumo de energia;

Diminuir emissões de gases poluentes (CO, CO2).

16

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

O crescimento da população e o rápido processo de urbanização, ocorridos no Brasil

se deparou com uma falta de preparo e estrutura, gerando um excedente de subprodutos de

suas atividades que superam a capacidade de adaptação do meio ambiente [ANDRADE,

2002; FRITZEN et al, 2006]. O potencial de reaproveitamento que os resíduos representam,

somado a um fator de interesse mundial que é a preservação ambiental e promoção do

desenvolvimento ecologicamente sustentável, impulsiona a necessidade de reverter essa

situação. [ANDRADE, 2002].

As poucas experiências realizadas até o momento relacionadas ao aproveitamento

energético e outras formas de processamento e destinação final são iniciativas restritas a

algumas regiões e de abrangência limitada, o que reforça a ausência de incentivos materiais e

fiscalização no cumprimento da legislação ambiental do país [ANDRADE, 2002; BORSOI,

2002]. Podemos avaliar essa situação a partir da dificuldade de obtenção de informações

confiáveis e com maiores detalhes sobre o tema [SILVA, et al, 2007]. Ao consultar diversas

fontes, percebemos que os dados existentes são escassos, falhos e conflitantes, a começar

pelas estimativas acerca da quantidade de resíduos gerados. [HENRIQUES, 2004].

As indústrias de produção e transformação de materiais geram, em maior ou menor

grau, resíduos, os quais nem sempre têm uma disposição ecologicamente adequada ou uma

destinação de utilização. Em alguns casos, entretanto, esses produtos secundários podem ser

diretamente reutilizados como matérias-primas em outros processos industriais. Como tais,

eles perdem seus rótulos de poluentes e encontram novas aplicações com elevados valores

agregados e consequente benefício para a sociedade e proteção do ambiente [MORAES, et al.

2011]

No contexto de equilíbrio entre o consumo e a conservação de recursos minerais,

energéticos e ambientais, a reciclagem de materiais exerce um papel importante na economia

17

de jazidas escassas de matéria-prima bruta, na diminuição da poluição indiscriminada e no

racionamento de energia, gerando um ritmo de produção de matéria-prima básico mais

adequado ao ritmo de consumo de bens e de serviço pela sociedade [FRITZEN, et al. 2006].

Desenvolvimento sustentável, especificações legais, adequação ambiental, melhoria

contínua, entre outras, são palavras que começam a entrar no cotidiano do mundo empresarial,

mas que para muitos, ainda são de difícil compreensão e, principalmente, aplicação. No

entanto, estas ações, mais que uma exigência legal ou de mercado, são ferramentas de gestão.

Com o aumento das restrições impostas pela legislação ambiental, bem como pelas exigências

do mercado, para processos e produtos ambientalmente corretos, muitos estudos vêm sendo

desenvolvidos para, entre outros, promover a redução de geração, o tratamento, a reutilização

e a disposição correta de resíduos [FERRARI et al. 2002].

Para o contexto empresarial são denominados resíduos sólidos industriais, os resíduos

em estado sólido e semissólido (pastoso) que resultam de atividades industriais, incluindo-se

os lodos provenientes da estação de tratamento de águas municipais, aqueles gerados em

equipamentos de controle de poluição bem como determinados líquidos [ROCHA, 2005;

SEBRAE, 2007].

A crescente produção de resíduos em conjunto com o risco de extinção das matérias-

primas levou a necessidade de pesquisas na área de reaproveitamento de resíduos. No entanto

novas linhas de pesquisa surgem com o objetivo de valorizar esses resíduos sólidos, buscando

desenvolver suas eventuais potencialidades como matéria-prima e assim criar materiais

compostos exclusivamente por resíduos.

A elevação de um resíduo industrial a categoria de fonte alternativa de recurso mineral

requer a adoção de uma metologia de qualificação baseada nas políticas ambientais de

classificação, na caracterização, e no estudo de viabilidade e aplicabilidade técnica e

econômica para estes resíduos [ROCHA, 2005].

18

Kruger (1995) e Modesto, et al. (2003) argumentam de maneira semelhante que para

solucionar o problema de geração de resíduos e sair do puro contexto teórico dos grupos

ambientalistas sobre a preocupação ambiental para entrar definitivamente na pauta da gestão

estratégica das empresas. A consequência deste fato é o crescimento do número de pesquisas

em instituições de ensino e pesquisa envolvendo a gestão ambiental principalmente no que diz

respeito ao tratamento de resíduos industriais, buscando a redução dos mesmos em seus

processos produtivos e a melhor maneira de reaproveitá-los, evitando assim o armazenamento

inadequado. Na área de materiais cerâmicos inúmeros trabalhos têm relatado experiências de

reutilização de resíduos, enfatizando principalmente ganhos econômicos e ambientais

[MONFORT, 1996; FERRARI, 2002; MODESTO, 2003; FERNANDES, 2003 e MARTINS,

2005].

2.1 Legislação ambiental

2.1.1 Resolução CONAMA nº 313 de 2002

De acordo com o CONSELHO NACIONAL DO MEIO AMBIENTE - CONAMA,

pela Lei nº 6.938, de 31 de agosto de 1981, a qual foi regulamentada pelo Decreto nº 99.274,

de 6 de junho de 1990, estabeleceu que os resíduos existentes ou gerados pelas atividades

industriais serão objeto de controle específico, como parte integrante do processo de

licenciamento ambiental. Estabeleceu ainda que entende-se por Inventário Nacional de

Resíduos Sólidos Industriais como o conjunto de informações sobre a geração, características,

armazenamento, transporte, tratamento, reutilização, reciclagem, recuperação e disposição

final dos resíduos sólidos gerados pelas indústrias do país. [CONAMA nº 313 de 2002].

2.1.2 Agenda 21

A Conferência das Nações Unidas sobre o Meio Ambiente e Desenvolvimento

(CNUCED), realizada em 1992 e conhecida como Rio-92, assumiu compromisso com o

19

desenvolvimento sustentável. Durante essa conferência foi estabelecida a Agenda 21, um

programa de ação que viabiliza um novo padrão de desenvolvimento ambientalmente

racional, incluindo com grande abrangência temas como mudanças nos padrões de consumo,

redução, reutilização e reciclagem de resíduos sólidos. [MMA, 2011].

2.2 Considerações gerais sobre refratários

Os problemas ambientais causados pelos refratários têm se tornado uma questão cada

vez mais importante nos últimos anos. Os principais problemas são o ambiente de trabalho

durante a instalação e uso de refratários, energia e conservação dos recursos naturais e o meio

ambiente. Na fabricação de ferro e aço em uma siderurgia, vários tipos de refratários são

usados para os revestimentos de fornos de fundição, refino e transporte. Quando materiais

refratários chegam ao fim de sua vida útil, eles são substituídos por refratários novos que têm

de ser fabricados a partir de matérias-primas naturais e os refratários após o uso normalmente

são eliminados em aterros, desperdiçando-se valiosos recursos naturais (FANG 1999; SMITH

1999;. BENNET 1997). Nos últimos anos, tem havido uma crescente pressão para reduzir o

volume de resíduos de refratários na indústria siderúrgica [HANAGIRI et al, 2008], a qual

consome por volta de 70% do material refratário produzido.

Além disso, esta deposição acarreta um problema adicional, pois os órgãos e

regulamentos ambientais levam as empresas a destinar seus resíduos em aterros cada vez mais

distantes do local gerado, aumentando consideravelmente os custos envolvidos [FRITZEN, et

al. 2006].

Entende-se como reciclagem a manipulação de um material descartado de forma a

reabilitá-lo para a aplicação semelhante à original. Em contraste um material residual é

tipicamente definido como aquele que é utilizado de forma diferente do produto original

(BENNETT 2001;. CONEJO 2006).

20

2.3 Reciclagem de refratários

A fim de reduzir o volume de resíduos refratários, é necessário diminuir seu consumo,

prolongando a vida do revestimento interior de fornos, panelas, carros torpedos, canais de

corrida, distribuidores de aço e outros. Nos últimos anos, empresas siderurgicas propuseram

investimentos nos estudos de reciclagem de sucata refratária, tornando-se cada vez mais

importante a utilização eficaz destes resíduos. Hanagiri et al. (2008) estudaram melhorias na

tecnologia de reciclagem de refratários, além de atividades realizadas pelas empresas com o

objetivo de reduzir os resíduos refratários gerados.

Hanagiri et al. (2008) consideraram como exemplo relativo ao tratamento de

refratários após o fim de vida útil a empresa Oita Nippon Steel Works em 2001. Do consumo

médio mensal de 4.100 toneladas refratário, 24% (1.003 toneladas) eram resíduos refratários.

A maioria desses resíduos refratários, cerca de 750 toneladas era descartada em aterros. Nos

últimos anos, a Nippon Steel tem promovido o conceito "Zero Emissões". Este conceito tem

como objetivo eliminar completamente os resíduos de dentro do ciclo de produção no mundo

industrial e, assim, estabelecer um sistema de reciclagem industrial. Neste contexto, a

empresa formulou um plano de reciclagem refratária, em que os resíduos refratários

acumulados diariamente em sua aciaria, possam efetivamente ser reutilizados como recursos

dentro da própria aciaria, ao invés de simplesmente enviá-los para os aterros.

No entanto, quando se trata de reciclagem de resíduos refratários dentro da siderurgia,

existe a possibilidade de que as impurezas (escórias, metais, etc.), que são misturados com os

resíduos refratários possam causar desgastes inadequados aos revestimentos refratários feitos

com material reciclado. Assim, o sucesso ou fracasso de reciclagem de resíduos refratários

dependem da separação destas impurezas.

Outra barreira citada pelos outores Fang et al. (1999) é o alto custo da reciclagem em

comparação com os benefícios tangíveis gerados. O autor cita que pesquisa realizada em 1998

21

revelou que quase metade dos fabricantes na indústria de refratários não acreditavam na

reciclagem deste tipo de materiais.

Sendo que os usuários de refratários viam uma modesta redução no custo com a

reciclagem de refratários, devido baixo custo de descartá-los em aterros por causa da sua

estabilidade química. Portanto, tornava-se difícil para muitas empresas a obtênção de uma

reciclagem lucrativa. Além disso, adequadas ferramentas analíticas para justificar o processo

não eram disponíveis somada à falta de conscientização por parte dos indivíduos envolvidos

[FANG et al. 1999].

2.3.1 Tecnologias necessárias para a reciclagem de resíduos refratários

A Figura 1 apresenta o fluxograma típico do processo de reciclagem de refratário

introduzida pela instalação da siderúrgica, a Nippon Steel [HANAGIRI 2008].

Figura 1 - Fluxograma do processo de beneficiamento e reciclagem de resíduos refratários,

adaptado de Hanagiri et al. (2008).

Do ponto de vista de controle de qualidade, quando os refratários usados são

demolidos, eles devem ser classificados e categorizados em materiais refratários a base de

MgO, MgO-C, Al2O3, silico-aluminoso e outros. Mesmo assim podem estar misturados aos

materiais diferentes tipos de refratários, metal e escória.

22

Para remover as impurezas dos refratários usados e obter frações com tamanhos

uniformes, os refratários devem ser britados e moidos de acordo com o tamanho e o tipo de

refratários. A Figura 2 ilustra o equipamento instalado em Oita Works para britagem e

moagem dos resíduos refratários. Com este equipamento, é possível diminuir a granulometria

de 200 a 400 mm para frações com tamanhos 20 mm ou menos, e recuperá-los de acordo com

seu tamanho de partícula. A Figura 3 ilustra as condições de armazenamento temporário em

baias para sucata refratária de placas de panela de aço e residuos refratários que foram

britados.

Figura 2 - Documentação fotográfica do equipamento de britagem e moagem instalado na oita

Works [HANAGIRI 2008].

Figura 3 - Local temporário de acondicionamento de sucata refratário após a britagem e

moagem [HANAGIRI 2008].

23

Quando refratários reciclados particulados são adicionados a refratários monolíticos,

não importa muito se eles possuem umidade e se o seu armazenamento ocorreu ao ar livre. No

entanto, quando refratários reciclados na forma de pó seco são pré-misturado com refratário

monolítico, eles precisam ser armazenados em sacos para impedir a absorção de umidade, a

Figura 4 ilustra a documentação fotográfica de baias de armazenamento para este fim.

Figura 4 - Resíduo refratário acondicionado em sacos após o britagem e moagem [HANAGIRI

2008].

Dentre os vários métodos de remoção magnéticos de ferro de resíduos refratários a

Nippon Steel adotou um sistema de separação do tipo suspensão magnética, que tem um

desempenho comprovado em remover peças de ferro a partir de matérias-primas para

cimento, vidro, e coque, Figura 5. Do tipo mostrado na Figura 5 (a) é adequado quando a

quantia de ferro a ser removido é relativamente pequena, enquanto o tipo mostrado na Figura

5 (b) é adequado para peças maiores de ferro.

Figura 5 - Esquemática de peneiramennto e separação magnética de ferro aderido aos resíduos

refratários [Adaptado de HANAGIRI 2008].

24

Os materiais refratários utilizados nos processos siderúrgicos variam muito em

qualidade de acordo com os locais de aplicação. Por isso, Hanagiri et al. (2008) planejaram o

que eles chamaram de "uma posição para baixo", método em que os materiais reciclados são

adicionados a um material de alta qualidade, inferior a sua origem, Figura 6 ilustra este

conceito.

Figura 6 - Representação ilustrativa do conceito “uma posição para baixo” proposto por

Hanagiri et al. (2008).

A Figura 7 ilustra a mudança na taxa de reciclagem em Nippon Steel a partir de 2001,

quando a empresa iniciou suas atividades de reciclagem, até 2005, após completar as

melhorias em tecnologia de reciclagem. Com a melhoria continua na tecnologia de

reciclagem, tornou-se possível obter alta qualidade de materiais reciclados, como resultado, a

taxa de reciclagem aumentou. Além disso, como parte das atividades para reduzir as

“emissões zero”, a utilização de resíduos como material para leito rodoviário foi reduzido

25

significativamente, além do problema ambiental de descarte de resíduos refratários nos aterros

serem reduzido à zero.

Figura 7 - Evolução da reciclagem de material refratário na nippon steel em 2001 e 2005,

adaptado de [HANAGIRI 2008].

2.4. Reciclagem de refratários de MgO-C

Durante muitos anos, refratários de magnésia carbono têm sido intensamente usados

em aciarias, principalmente devido a sua alta refratariedade, excelente resistência à corrosão e

choque térmico. Estas propriedades estão associadas à elevada condutividade térmica, baixa

expansão térmica e elevada resistência a penetração da escória dada pela baixa molhabilidade

do grafite, Trommer et al. (2007).

No trabalho realizado por Arianpour et al. (2010) teve como objetivo pesquisar a

reutilização dos tijolos refratários a base de magnésia carbono produzida por meio da

reciclagem de agregados refratários e caracterização da microestrutura para analisar o

comportamento de corrosão, estabelecendo uma nova forma de minimização e aplicação

destes tijolos gastos em refratários monolíticos.

As análises químicas dos tijolos usados foram feitas através da Fluorescência de Raios

X (FRX), sendo as amostras tiradas da linha de metal a cinco cm de profundidade a partir de

26

sua face em contato com o metal. Somente amostras com uma granulométrica entre 1-4 mm

foram usadas, devido ao fato que geralmente as maiores concentrações de impurezas são

encontradas nas granulométricas mais finas. Foi também analisado pelos autores a densidade

aparente, porosidade aparente e ensaio de compressão.

Os resultados mostram que a resistência mecânica aumenta com o aumento da

temperatura de calcinação, e que as amostras com agregados reciclados possuem, geralmente,

menores resistência mecânica e densidade, conforme mostra a Tabela 1. Isso se deve pelo fato

que ocorre uma expansão da rede cristalina devido aos agregados reciclados e a presença de

micro trincas nos mesmos, porem essas diferenças não são significativa em amostras até 30

%p de agregados reciclados. Sendo assim, Arianpour et al. (2010) concluiu que agregado

reciclado não teve nenhum efeito negativo nos refratários de magnésia carbono quando

utilizados nestas proporções.

Outro estudo realizado para reciclagem de refratários a base de MgO foi o de asbestos

inertizado através de micro-ondas. Uma vez que o amianto (asbestos) é um perigo para a

saúde e sua remoção se torna uma prioridade para a prevenção da poluição segundo

Boccaccini (2007). Estudos realizados por esses autores mostrou que esse tratamento de

reciclagem de asbestos inertizado pode ser transformado em fases inertes de silicato por meio

da irradiação de micro-ondas, modificando a estrutura fibrosa dos asbestos que são tóxicas,

transformando-os em um óxido de magnésio inerte. Com o objetivo de reciclar esses asbestos

inertizados no sistema mulita-cordierita em materiais refratários. Uma vez que a cordierita

tem boa resistência ao choque térmico enquanto a mulita tem boa resistência mecânica. Sendo

assim, aplicado como placas refratárias em técnicas de disparo rápido de produtos cerâmicos,

Boccaccini et al. (2005).

27

Tabela 1 - Propriedades mecânicas e físicas de amostras queimadas a diferentes temperaturas,

Adaptado de Arianpour (2010).

Temperatura MBM MBR10 MBR20 MBR30

Tijolo

CCS (MPa) 110 12,5 12,2 12,4 12,1

1050 22 22,1 21,8 21,5

1550 45,2 38,5 38,2 36

Porosidade aparente (%) 1550 16,2 18,5 18,5 20

Densidade (g/cm3) 1550 2,95 2,85 2,85 2,43

Monolítico

CCS (Mpa) 110 37 36 34,5 34,5

1050 29 28,5 28,5 27,5

1550 39 34 30,5 37

Porosidade aparente (%) 1550 25 27 31 31,5

Densidade (g/cm3) 1550 2,85 2,8 2,78 2,6

O talco rico em Magnésia que era usada como matéria prima foi substituída por

asbestos inertizados na proporção de 16 e 20 %p. A matéria prima e suas porcentagens foram

variadas, de forma que as concentrações de todos os óxidos ficassem próxima a da

composição original do material.

Assim sendo, foram realizadas as seguintes técnicas de caracterização amostral para

identificar a composição e as fases das amostras: retração linear, absorção de água, difração

de raios X (DRX) e determinação do modulo de Young.

A baixa variação na absorção de água com o aumento da concentração do asbesto

inertizado indica uma pequena mudança na porosidade aberta do material apresentado na

Figura 8. Maiores concentrações de porosidades aberta deve aumentar sua capacidade termo

isolante e diminuir o modulo de Young, significando assim, aumento da resistência ao choque

térmico. Entretanto, alta porosidade diminui a resistência ao ataque químico e a resistência à

fratura.

28

Figura 8 - Curva de absorção de água da composição mulita – cordierita do refratário com

adição de 16 e 20 %p de asbestos inertizado, Arianpour (2010).

A contração permanente foi determinada pela medida relativa da variação do diâmetro

do cilindro antes e depois do tratamento térmico. O decaimento da contração linear foi

significativo com o aumento da %p de asbesto inertizado, devendo assim, ter uma melhor

resistência ao choque térmico como mostrado na Figura 9.

Figura 9 - Curvas de contração da composição mulita – cordierita do refratário com o aumento

de asbesto. Adaptado de Arianpour (2010).

As fases mulita e cordierita são as principais fases cristalinas e foi observado que não

teve variação significativa dessa fase com a troca de matéria prima. Os resultados mostram

que a adição de asbesto inertizado ao invés de talco como fonte de MgO não afeta a estrutura

29

cristalina mulita-cordierita e também não teve variação significativa no modulo de Young

indicado na Figura 10. Sendo que quando usado o asbesto inertizado como matéria prima à

concentração de corderita é maior do que quando usado o talco rico em magnésia, Figura 11.

Isso pode ser considerado um importante resultado devido a fatores econômicos, pois como os

asbestos inertizado representam uma fonte de cordierita mais eficiente e barata do que a atual

matéria prima usada nas indústrias de refratário.

Figura 10 - Variação do módulo de Young com o aumento da concentração de asbestos.

Adaptado de Arianpour et al. (2010).

Figura 11 - Difratograma da composição mulita – cordierita do refratário para as composições

16 e 20 %p de asbestos, mostrando (M) mulita e (C) cordierita. Adaptado de Arianpour et al.

(2010).

30

Tratando-se de forno elétrico a arco (EAF), ele tem provado ser um excelente reator

como uma forma de reciclar diversos materiais em sucata de aço especial. Quase 400 milhões

de toneladas de sucata de aço foram recicladas em 2003. Posteriormente foram discutido a

reciclagem de escória de panelas e pneus de carro para o EAF, respectivamente [CONEJO

2006].

No estudo realizado por Conejo et al. (2006) sobre reciclagem de refratários de MgO

no forno elétrico a arco mostram que os refratários de MgO são severamente atacados por

escória não saturada de MgO. Este limite de saturação está relacionado com a concentração de

outros óxidos, temperatura de processo e é dependente do tipo de escória envolvida. As

descrições abaixo mostram como ocorre essa variação em função da composição da escória e

da temperatura:

Diminui com a o aumento da basicidade da escória

Diminui com a o aumento da concentração de FeO na escória

Aumenta com o aumento da concentração de Al2O3 na escória

Aumenta com o aumento de SiO2 na escória

Aumenta com o aumento da temperatura da escória

Conejo (2006) em seus estudos adicionando refratário usado de MgO-C para

aumentar a concentração de MgO dissolvida na escória, semelhante com os estudos realizados

por Kwong e Bennett (2002) sobre práticas de reciclagem de refratários de MgO-C após uso.

Como consequência deste aumento de concentração o limite de saturação é diminuído ou até

mesmo eliminado e o ataque corrosivo da escória no refratário será reduzido também, com

isso, aumenta-se a expectativa de vida do refratário.

31

Conejo (2006) cita que a britagem é uma importante operação para alcançar a

eficiência do processo de reciclagem. Além disso, o tamanho de partícula depois da britagem

deve ser menor que 3 mm, para que possa ocorrer a dissolução total.

A economia calculada através do custo de britagem do refratário foi de U$ 26

toneladas-1

de refratário ou U$ 0,12 toneladas-1

de aço, e considerando que a quantidade de

material aquecido é de 210 toneladas mais 1 tonelada de refratário/aquecido. Sendo assim,

uma média de 400 aquecimentos/mês, resultando uma economia de U$ 105.000,00 mês-1

por

forno, o equivalente a U$ 1,25 milhões ano-1

por forno.

A reciclagem de mais de 1 tonelada/aquecimento é possível mas o consumo de energia

seria maior devido a maior energia gasta para fundir o excesso de refratário, a menos que a

qualidade das cargas metálicas permitam o aumento do volume do oxigênio adicionado, isso

iria suprir a necessidade da energia química adicional para fundir o refratário usado. Em

alguns casos a qualidade da redução direta do ferro (direct reduced iron – DRI) não permite a

fusão de 1 tonelada/aquecimento, mas em geral isso não é o caso.

Conejo (2006) conclui que refratários reciclados em FEA são recomendados em

práticas metalúrgicas. Com isso os resíduos descartados têm sido transformados em uma

atividade de negocio rentável. Contudo, para se tirar vantagem deste beneficio é necessário o

controle do tamanho da partícula, da taxa de alimentação, da quantidade adicionada e o

momento dessa adição. Os benefícios dessa prática são: alta concentração de MgO dissolvida

na escória, pelo menos 0,8 % a mais do que na prática padrão, baixo consumo do fluxo em

uma taxa de 1,3 toneladas/aquecimento, melhora na condição de formação de espuma

permitindo a total transformação no começo do aquecimento, economia de energia elétrica

numa escala de 15 – 20 KWh/toneladas, tempo de fusão menores na ordem de 3

min/aquecimento e maior vida útil do refratário em média de 40 – 60 ciclos de aquecimento

por campanha.

32

2.5 Reciclagem de refratários sílico – aluminoso

Reciclagem de refratários sílico-aluminoso após fim de vida útil, provenientes de

fornos de cozimento anodo de carbono são usados para a fabricação de anodos para produção

de alumínio primário [FANG et al., 1999]. Estes fornos são geralmente produzidos com

tijolos refratários de silicato de alumínio que podem reagir com o coque e outros

contaminantes durante o uso.

Um estudo realizado na Holanda caracterizou estes tijolos provenientes dos fornos de

cozimento de ânodo e descobriram que os resíduos tiveram um nível médio de contaminação

de 0,6 %p Na2O e 4,0 %p C. Os tijolos usados foram triturados sem qualquer separação ou

tratamento e fabricados para produzir tijolos novos que foram rejeitados devido à alta

porosidade e tricas na superfície [FANG et al., 1999]. No entanto, para o mesmo agregado

reciclado quando usado para a produção de concretos observou-se a mesma aplicabilidade dos

materias originais. Contudo, os concretos gerados foram de qualidade ligeiramente menor,

mas eram adequadas para aplicações de baixa temperatura (até 1400 ° C).

Smith et al. (1999) paralelamente a este estudo citam a viabilidade de reutilizar o

silicato de alumínio como matéria prima para a produção de cimento Portland.

Para este caso o silicato de alumínio foi coletado de uma câmera de cozimento de

anodo em diferentes temperaturas e condições, incluindo áreas com infiltração de metal,

corrosão de escória e corrosão mecânica por atrito e abrasão, com o objetivo de analisem os

estados mais críticos desse refratário após o uso. Foram coletadas duas amostras, e estas

foram seccionadas em 10 partes, sendo que o primeiro se encontra na parte interna do forno,

ou seja, tendo um contato direto com o carbono acumulado no anodo, já o décimo se encontra

na parte externa, estando sujeito a altas temperaturas e gases proveniente do queimador. Com

isso representamos as possíveis mudanças das regiões de alta temperatura (secção 10) para a

região de mais baixa temperatura (secção 1). Como podemos ver na Figura 12.

33

Figura 12 – Representação esquemática dos locais de amostra no poço de revestimento do

anodo. Adaptado de Smith et al. (1999).

A superfície do tijolo em contato com o carbono (secção 1) foi severamente

deteriorada com algumas áreas desgastadas de até 10 mm de profundidade. Já na região em

contato com o queimador (secção 10) estava mais escura observando-se uma estrutura

diferente. Foi realizada análise química nas amostras, onde se revelou que na região 1 ocorreu

uma mudança significativa com uma grande concentração de contaminantes (Sódio, Carbono,

Enxofre) provavelmente proveniente da matéria prima do anodo.

Essas contaminações são encontradas até na região 3, porém em concentrações bem

menores, tendo apenas uma pequena diferença quando comparado com a amostra da região 5.

Já as regiões de não contato (regiões 8 a 10) mantiveram sua composição inicial, indicando

que o grau de contaminação durante o uso foi insignificante. Como podemos ver na Tabela 2.

Tabela 2 - Análise química das regiões de contato e não contato do revestimento do anodo,

adaptado de Smith et al. (1999).

Região SiO2 Al2O3 Na2O K2O C S

1 51.38 40.79 1.88 1.03 0.54 0.07

3 54.06 39.77 0.29 0.94 0.05 0.00

5 53.65 40.44 0.25 0.97 0.05 0.00

6 52.89 41.52 0.19 0.88 0.05 0.02

8 54.35 39.97 0.13 0.92 0.04 0.01

10 53.94 40.43 0.13 1.00 0.05 0.01

34

Análise de MEV/EDS revelou que apenas as regiões próximas ao anodo contêm

grandes concentrações de sódio em adição com o carbono. No entanto o restante o tijolo foi

avaliado e determinado que a fase predominante fosse a mulita, Figura 13.

Figura 13 - Microestrutura obtida por MEV de um tijolo silico-aluminoso em contato com o

carbono (amostra 1) [SMITH 1999].

Baseados nesses resultados podem afirmar que a contaminação ocorreu isoladamente

na região próxima a superfície de contato, sendo que pelo menos três quartos do tijolo não foi

contaminado. Já na região de tijolos que não teve contato com o anodo (região 10), foi

possível observar uma fase vítrea que não foi observada em nenhuma amostra. A

concentração dessa fase vítrea diminuiu conforme nos afastamos da região 10, Figura 14. Já

na região 8 a microestrutura predominante é a mulita, indicando assim que este não foi

contaminado, ou seja, sua estrutura é similar ao do tijolo novo.

Figura 14 - Microestrutura da face quente (amostra 10) de um tijolo silico-aluminoso sem

contato com o carbono, mostrando uma fase vítrea e porosidade [SMITH 1999].

35

Silicatos têm sido reciclados como substituinte da areia em cimentos Portland.

Baseado nisso, foi considerado a reciclagem do silicato de alumínio. Uma pequena quantidade

de contaminante é diluída, porque menos de 10 %p do refratário pode ser incorporado a

formula do cimento, sendo assim, não terá influência significativa às impurezas.

Também as altas temperaturas usadas para produzir o cimento Portland tenderiam

incorporar as impurezas para dentro da fase vítrea, evitando potencialmente os efeitos

adversos. Atualmente a produção de cimentos Portland compra um material argiloso que é

adicionado ao cimento como fonte de alumina para reduzir a temperatura de queima do

cimento e controlar o tempo de hidratação do produto final. Sendo que o silicato e alumínio

têm uma composição química similar e oferece as mesmas vantagens que este material

argiloso.

A composição típica do cimento Portland é constituída por 8 %p tri cálcio aluminato

(C3A), 11 %p brownmillerite (C4AF), 14 %p dicalcio silicato (C2S) e 67 %p tri cálcio silicato

(C3S). A formula final usada do cimento foi 12 %p de refratário reciclado (silicato de

alumínio com granulometria de 325 mesh) 68 %p CaO, 16 %p SiO2 e 4 %p Fe2O3. Foi

realizado um tratamento térmico em aproximadamente 50g de amostra num forno de

resistência a 1550 oC, como ilustra a Tabela 3. O material resultante possui a mesma estrutura

típica do cimento Portland (grãos hexagonais de C3S e grãos arredondados de C2S), Figura 15.

Tabela 3 - Tratamento térmico para produção de cimento Portland a partir da reciclagem do

refratário de silicato de alumínio, adaptado de Smith et al. (1999).

Temperatura (oC) Tempo (h)

25 – 550 2

550 2.5

550 – 1550 4

1550 2

1550 – 1400 0.165

1400 – 25 Resfriamento ao ar

36

Figura 15 - Microestrutura de cimento produzido a partir de refratário silico-aluminoso usado

ilustrando grãos hexagonais C3S e grãos arredondados C2S típico de cimento Portland [SMITH

1999].

Esse é um método eficiente para reciclagem dos refratários de silicato de alumínio em

qualquer composição. Baseado nessa pesquisa, um produtor de cimento Portland em Missouri

foi assessorado por um corretor com o intuito de conduzir esta reciclagem do silicato de

alumínio em larga escala. Este corretor tomou a iniciativa de encontrar uma relação

sustentável entre estas duas empresas que forneceram benefícios para todas as três partes.

Mesmo que esta relação não forneça grandes reduções de custos necessárias para justificar a

iniciativa por ambas das empresas.

Uma das principais ações tomadas pelo corretor foi contatar o dono da empresa de

cimento Portland, o corretor foi capaz de convencê-lo do potencial de redução nos custos e

nos benefícios gerados por essa reciclagem. Consequentemente, ele foi capaz de ganhar o

apoio do executivo para o projeto, e com este apoio tático do gerente da empresa, foi

estimulado a encontrar um relacionamento mutuamente benéfico com o fabricante do

alumínio. Sem este suporte executivo, teria sido pouco provável que eles teriam chego a um

acordo. Neste acordo, o corretor obteve o refratário usado do produtor de alumínio, enviando-

o a empresa de cimento Portland.

A economia total por tonelada para as três partes envolvidas foi menos de US$ 30 por

tonelada métrica. No entanto, uma vez que há 3.500 toneladas de refratários por ano

37

disponível para a reciclagem, gera assim, uma economia de aproximadamente US$ 100 000

por ano distribuído entre as três partes.

O fabricante do alumínio economizou custos diretos, assim como ganhou benefício

intangível. As taxas de depósitos e os custos de transporte associado à deposição de refratários

usados foram eliminados. Além disso, as necessidades de usar aterros sanitários foram muito

reduzidas. Além de reduzir a responsabilidade e o custo futuro de limpeza destes aterros.

O produtor do cimento Portland também se beneficiou. Ele reduziu sua demanda em

um determinado tipo de argila, e assim, reduziu o custo associado com a compra e transporte

deste. Além disso, essa operação de reciclagem diminuiu o uso dessa argila que é única e

limitada. Isto também reduziu o consumo de energia, uma vez que não tem a necessidade de

consumir energia para eliminar a água que antes era proveniente da argila.

Para Bó, et al. 2007 a crescente competitividade nos setores cerâmicos e refratários

brasileiros tem impulsionado não só a melhoria dos revestimentos refratários existentes, como

também o desenvolvimento de materiais que sejam adequados às mais diversas aplicações. A

maioria dos materiais refratários tem um elevado custo devido às suas condições de queima,

as quais utilizam elevadas temperaturas.

O intuito deste trabalho foi de analisar a possibilidade de fabricação de placas

refratárias a partir de resíduos da indústria cerâmica convencional, reduzindo os custos com

material refratário na empresa. Sendo assim, objetivo deste trabalho, portanto, foi escolher

uma formulação ideal para a fabricação de placas refratárias na empresa, com base na retração

linear e módulo de resistência à flexão das peças queimadas, usando a técnica de

delineamento de misturas, Figura 16.

38

Figura 16 - Delineamento simplex aumentado mostrando a região de composições analisadas

dentro do diagrama triaxial, Bó, et al. (2007).

A Tabela 4 apresenta a comparação de produtos relacionada com as características do

refratário atual e o refratário fabricado a partir de resíduos da indústria cerâmica, de acordo

com a formulação 12. Nota-se que o produto com composição alternativa apresenta valores de

retração menores e de MRF maiores que o refratário atual. Neste último caso, ainda, a

dispersão dos resultados foi menor. Para se comparar as vantagens econômicas da formulação

alternativa, foram feitos cálculos de custo, incorporando-se custos de matérias-primas,

moagem, ato atomização, prensagem e queima em forno túnel, Tabela 5.


formulação 12, adaptado de Bó, et al. (2007).

39


formulação 12, adaptado de Bó, et al. (2007).

O método de delineamento de misturas ajuda a visualizar as regiões ótimas de

trabalho, facilitando a definição e escolha das características desejáveis pela variação dos

percentuais dos componentes originais. O intuito do trabalho de Bó, et al. (2007) foi definir

uma composição alternativa de produto refratário que atendesse as características mínimas do

refratário atual da empresa; utilizando para sua formulação os resíduos gerados por esta.

Assim, para as variáveis estudas (retração linear e módulo de resistência a flexão pós-

queima), a peça refratária da formulação 12, por exemplo, está dentro dos padrões que

atendem as necessidades atuais do processo de biqueima da empresa. Neste caso, reduziu-se o

custo da placa refratária utilizada em 97%, além de utilizar resíduos descartados até então.

2.6 Reciclagem de refratários dolomíticos

Nos estudos de Fang, et al. (1999) de caracterização dos tijolos de dolomita e

magnésia – carbono da panela de produção de aço, foram coletadas amostras da linha de

escória (amostra A, MgO-C) e da linha de metal (amostra B, dolomita), de um forno elétrico

usado para produção de aço em Missouri, como podemos ver na Figura 17. Amostras

adicionais (amostra C, dolomita; amostra D, MgO-C) foram retiradas de pilhas de descarte

estocadas na parte de fora da aciaria.

40

Figura 17 - Localização das amostras na panela de aço. Adaptado de Fang, et al. (1999).

As amostras A e D apresentam estruturas bem similares a do material original.

Entretanto a análise química (Tabela 6) nos mostrou que apenas a amostra A-2 teve sua

composição próxima a do tijolo original com aproximadamente 85 %p de magnésia e 10 %p

de grafite. As outras regiões apresentam considerável perda de Carbono devido à oxidação

pela escória e o ar (amostras A-1 e A-3). Já na amostra A-M que representa a face de trabalho,

apresentou uma descoloração e a análise química nos mostrou que nessa região apresenta

baixíssimas concentração de carbono e altas concentrações de alumina e cálcia, nesta área

provavelmente ocorreu uma corrosão acelerada.

As amostras B foram secionadas em função da distância da face de trabalho, sendo a

amostra B-1 a de contato com a face quente e a amostra B-4 a mais afastada desta. A

composição da dolomita é de aproximadamente 60 %p cálcia, 35 %p magnésia com uma

pequena quantidade de carbono. A análise química mostrou alta concentração de SiO2 nas

amostras próximas à face de trabalho (amostras B-1 e B-2), significando assim que ocorreu a

infiltração de escória. A presença de óxido de ferro é devido à infiltração de metal e escória

durante o uso.

41

Tabela 6 - Análise química em %p de tijolos de MgO-C e Doloma. Adaptado de Fang (1999).

O pó hidratado de dolomita foi considerado para o uso de controlador de pH do solo

para neutralizar a acidez. A eficiência desse material como neutralizante do solo é dependente

de dois fatores característicos: a concentração de íons básicos, o que controla a quantidade de

ácido que pode ser neutralizado e a granulometria desse material que influência na cinética de

neutralização. O método padrão desenvolvido para avaliar o grau de neutralização é calculado

pelo peso efetivo de material neutralizante (effectives pounds of neutralizing material - ENM),

como podemos ver na Equação 2.1.

ENM = CCE x FF x 800 ……..…………………………. (2.1)

Em que CCE é equivalente em carbonato de cálcio (calcium carbonate equivalent), FF

é o fator de finura (fineness fator) desenvolvido pelo controlador de pH do solo e 800 que é a

constante baseada no teor em massa de cálcio por tonelada de calcário (pound of effective

calcium) por tonelada de calcário .

O pó de dolomita é produzido através dos tijolos usados e hidratados de dolomita e foi

comparado com dois controladores de pH comercial, com granulação fina de calcário e solo

dolomítico. Como podemos analisar na Tabela 7, os resultados de ENM foi 823 para a

dolomita reciclada, o que significa 10 – 20% maior que os produtos comerciais. Baseado

42

nesses resultados a dolomita reciclada deve ser mais rápida e eficiente como neutralizador de

solo.

Tabela 7 - CCF, FF e ENM de doloma reciclado, condicionador de solo dolomítico, calcário com

granulação fina. Adaptado de Fang (1999).

Material Fatores de neutralização

CCE (%) FF ENM (lbs.)

Doloma reciclada 147 0,7 823

Condicionador de solo dolomítico 106 0,8 678

Calcário fino 95 1 760

Uma serie de experimentos foram realizados para analisar a eficiência destes três

produtos. O resultado dos finos de calcário foi quase instantânea que a reação foi para o pH

5,5 dentro dos 5 primeiros minutos, porém isso ocorreu devido sua granulomtria ser muito

fina. Entretanto o condicionador de solo dolomítico reagiu mais lentamente, mas atingiu

aproximadamente o mesmo pH final que os finos de calcário. Já a dolomita reciclada foi

quase tão rápida quanto os finos de calcário e elevou o pH para aproximadamente de 10 para

20 minutos. Os resultados podem ser analisados na Figura 18.

Figura 18 - Eficácia de doloma reciclados, finos de calcário, e condicionador de solo dolomítico

como neutralizadores durante os primeiros 60min (gráfico da esquerda) e para o tempo seguinte

(gráfico da direita). Adaptado de Fang (1999).

43

2.7 - Reciclagem de refratários de alumina

Fang, et al. (1999) estudaram também a caracterização do revestimento de alumina na

fundição de aço em fornos de indução que são usados para produzir aço inoxidável são

tipicamente revestidos com refratários com alto teor de alumina. Fornos de indução

geralmente permitem mais 50 ciclos antes da necessidade da troca do revestimento refratário.

Amostras com 92 %p Al2O3 foram coletadas de um forno de indução de aço inoxidável. A

amostra A foi retirada do fundo do forno, a amostra B do meio da parede do forno e a amostra

C da parte superior da parede do forno, logo abaixo da válvula de vazamento do aço, onde é

esperada a maior probabilidade de ocorrer danos e infiltrações nos refratários, mostrado na

Figura 19.

Figura 19 – Representação esquemática dos locais de amostragem refratário queimado do forno

de indução. Adaptado de FANG (1999).

São mostradas três regiões distintas de onde as amostras foram coletadas: região

escura, sem cor coberta de escoria (região 1), região com penetração de escória e metal,

contendo assim uma ligeira cor (região 2) e a região da base do refratário que aparentemente

não foi afetada (região 3).

Análises químicas das amostras revelam que as regiões A-2, B-3 e C-3 eram de

aproximadamente 92 %p de alumina, o que consiste na composição do refratário original. As

44

regiões em contato com a face de trabalho (A-1, B-1 e C-1) indicam que teve penetração do

metal, e o refratário também tinha altas concentrações de óxido de silício quando comparado

com o tijolo original.

O aumento do teor de sílica provavelmente foi causado por infiltração de escória, o

que também é coerente com a extensa da matriz vítrea observada. A amostra C teve a maior

quantidade de penetração como poderia ser esperado, devido à região onde vaza o aço. As

amostras A e B foram tiradas da região abaixo da linha de escoria, sendo assim teve um

contato predominantemente com a linha de metal, o que e explica a baixa penetração de

escória.

Através de testes laboratoriais pode-se afirmar que as amostras eram aproximadamente

5 %p de metal, com a maior concentração de metal próximo a superfície. Isso faz com que a

reciclagem do material seja mais difícil. Baseado nisso foi feito uma separação da parte

metálica do refratário para gerar dois coprodutos: agregados dos refratários e sucata de ferro.

Inicialmente tentaram-se usar a diferença de moabilidade para separar esse dois

coprodutos, já que os materiais refratários são mais frágeis que os metais, com isso devem

reduzir de tamanho durante a britagem e moagem. Já os metais por serem dúcteis devem

deformar ao invés de cominuirem, com isso as frações maiores provavelmente contém as

maiores concentrações de metais e as frações menores contem maiores concentrações de

refratários. Porém a análise química nos mostra a mesma concentração de ferro e cromo em

todas as granulometrias.

Com isso o estudo revelou ser ineficiente a separação do metal no refratário através do

processo de cominuição. Entretanto, assumindo que a maior concentração de metal foi

retirada no processo de cominuição, com isso o refratário contém menos de 4 %p oxido de

cromo, como mostrado na análise química, esse resultado é importante, pois essa baixa

concentração de óxido de cromo possibilitaria a incorporação deste em concretos refratários.

45

Inicialmente foi construído dois cadinhos, um que consiste em um material virgem e

outro contendo 10 %p agregados reciclados. O procedimento foi misturar a matéria prima do

refratário com quantidade suficiente de água. O concreto foi então colocado no cadinho e

vibrado até o material consolidar. O refratário foi removido do molde depois da cura e

aquecido até 1500 oC por 12hs e foi resfriado lentamente até a temperatura ambiente.

O concreto produzido do material virgem apresentou uma cor branca depois do

aquecimento, isto é típico de materiais com mais de 90 %p alumina. Já o outro concreto com

10 %p agregados reciclados apresenta uma coloração mais ou menos marrom com algumas

manchas pretas, e também apresentam algumas trincas nas regiões dessas manchas, o que

significa a oxidação do cromo metálico que esta associada à expansão do volume do mesmo.

Com isso, foi tentado fazer uma pré-calcinação do agregado refratário usado, com o

intuito de diminuir a frequência e o tamanho das manchas pretas. No entanto em algumas

regiões permanecem grandes manchas pretas e também com a presença de trincas. No entanto

a coloração em geral ficou ligeiramente rosa o que é característico da presença de óxido de

cromo e óxido de alumínio no material.

A pré-calcinação melhora os resultados do concreto pela oxidação do cromo metálico.

Porém, o processo de calcinação tem que ser aprimorado para o material poder ser usado

como agregado refratário. Isto é, que provavelmente aumentando a temperatura de pré-

calcinação, o tempo de imersão, ou a disponibilidade de oxigênio pode resultar em uma

oxidação do cromo metálico para óxido de cromo em uma maior eficiência.

46

3 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS

Foi executado neste trabalho o levantamento da geração de sucata refratária em

toneladas por mês, referente aos principais equipamentos da Usina Presidente Vargas (UPV),

em conjunto com as gerências da Companhia Siderúrgica Nacional (CSN), à base de alumina

(Al2O3), carbeto de silício (SiC), carbono (C), alumina carbono (Al2O3/C) e Zircônia (ZrO2);

classificação e definição de grupos de sucata; acompanhamento dos reparos gerais (RG) nos

Carros Torpedos, Canais de Corrida dos Altos Fornos; beneficiamento de Tubos Longos e

Tubos Submersos; amostragem e caracterização laboratorial das sucatas refratárias

selecionadas provenientes dos Carros Torpedo, Canais de Corrida dos Altos Fornos, Tubos

Longos e Submersos, Placas e Válvulas de Panelas Aço e Distribuidores. Um fluxograma dos

procedimentos experimentais dos respectivos equipamentos é mostrado Figura 20.

A seleção de segmentos metálicos e sua geração em toneladas por mês de Tubos

Longos, Placas e Válvulas superiores, inferiores e intermediárias de Panela de Aço e

Distribuidores foram determinados por amostragem em laboratório com trabalhos de

demolição manual.

A preparação das amostras para os ensaios laboratoriais de caracterização das

principais propriedades físico-químicas foi realizada no Centro de Pesquisa da CSN, os

procedimentos foram de pesagem, cortes, britagem, quarteamento, peneiramento e

pulverização. As amostras foram separadas em duas faixas granulométricas – maiores que

1,0mm (Amostra global) e menores que 1,0 mm (Finos). Exceto para as sucatas de Tubos

Longos e Submersos, as quais passaram por um processo de beneficiamento na planta de

Resíduos de Construção Civil e Demolição (RCD), sendo classificadas em outras faixas

granulométricas.

47

As principais técnicas de análises laboratoriais empregadas foram:

Documentação fotográfica dos acompanhamentos, desmontes, seleção manual,

segmentos metálicos, beneficiamentos e amostragem;

Análise química elementar por Fluorescência de Raios X (FRX);

Análise de fases por Difratometria de Raios X (DRX);

Determinação da massa específica real (MER) por Picnometria de Hélio;

Determinação da Porosidade Aparente (PA) e da Massa Específica Aparente

(MEA) pelo princípio de Archimedes;

Análise micro estrutural por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV);

Análise elementar por Energia Dispersiva de Raios X (EDS).

Figura 20 – Fluxograma dos procedimentos experimentais das sucatas refratárias provenientes

de diversos equipamentos.

48

3.1 CARRO TORPEDO

3.1.1 Geração de sucata refratária de carro torpedo

A geração de sucata refratária dos Carros Torpedos (CTs) foi determinada a partir dos

relatórios técnicos dos perfis de desgaste gerados nos reparos do revestimento refratários

realizados durante a campanha dos CTs, a saber: 1° reparo localizado, reparo parcial, 2°

reparo localizado e 3° reparo localizado.

Quanto ao reparo geral, na época da determinação da geração de sucata refratária no

Carros Torpedos, à terceirizada da CSN responsável pelo serviço de demolição e

perfilhamento do revestimento refratário do carro torpedo não mensurava o desgaste antes das

demolições para o Reparo Geral (RG), sendo que este serviço somente começou a ser

realizado recentemente, ou seja, após detectarmos esta deficiência. Desta forma, a geração de

sucata refratária no Reparo Geral foi estimada com base no valor médio histórico de final de

campanha, aproximadamente de 120 mm.

Conforme ilustrado esquematicamente na Figura 3.1 os principais materiais refratários

aplicados em carro torpedo são:

A) Concreto de Nivelamento (A1) – Concreto refratário de alta Alumina e baixo teor

de cimento, de pega hidráulica e Revestimento de segurança (A2) - refratário sílico-

aluminoso;

B) Abóbada - Refratário à base de Alumina, Carbono e Carbeto de Silício;

C) Linha de Escória - Refratário à base de Alumina, Carbono, Carbeto de Silício e

Espinélio de alumínio e magnésio;

D) Zona de Impacto - Refratário à base de Alumina, Carbono, Carbeto de Silício e

Espinélio de alumínio e magnésio;

E) Linha de Metal - Refratário à base de Alumina, Carbono e Carbeto de Silício;

49

Figura 21 - Desenho esquemático em corte transversal e longitudinal do revestimento refratários

de Carro Torpedo, os detalhes estão descritos no texto.

É esperado que cada Carro Torpedo com capacidade de transportar 280 toneladas de

gusa por viagem realize pelo menos 1820 viagens durante a campanha, perfazendo um total

de 509.600 toneladas de gusa transportado por campanha.

A Tabela 8 apresenta a geração total por campanha de sucata refratária de Carro

Torpedo, a qual mostra um total de sucata refratária gerada durante a campanha do Carro

Torpedo é de aproximadamente 61,5 toneladas.

Tabela 8 - Total de sucata refratária gerada durante a campanha dos CTs por reparos

localizados.

REPAROS CLASSE DE MATERIAIS

Figura 3.1

TOTAL

[kg]

1º Localizado C 637

Parcial C 6.717

2º Localizado C 2.103

3º Localizado C 807

Geral

C

E

A1

18.150

20.220

12.828

TOTAL 61.455

50

3.1.2 Desmonte

Foi realizado o acompanhamento da demolição do Carro Torpedo #8 (CT #8) em

set/2010, no qual se utilizou marteletes pneumáticos e 40 horas/homem de serviço.

Antes da demolição propriamente dita, ocorre a limpeza de cascão aderido ao

revestimento refratário, na pilha de cascão pôde-se observar a presença de material refratário

aderido, A Figura 22 ilustra a documentação fotográfica da pilha de cascão gerado na limpeza

do CT #8.

Figura 22 - Documentação fotográfica da pilha de cascão gerada na limpeza do revestimento

refratário do CT #8 antes da demolição.

Foi constatado que não há nenhum procedimento a fim de facilitar a separação da

sucata refratária por classe de materiais, ou seja, durante a demolição o operador não esta

treinado para demolir o revestimento refratário por camadas. A Figura 23 ilustra a

documentação fotográfica da demolição utilizando martelete pneumático e as imagens da

Figura 24 ilustra a documentação fotográfica da pilha de sucata refratária gerada na demolição

do revestimento refratário, nas quais pode-se observar a presença de tijolo inteiros, de blocos

compostos de vários tijolos refratários e de material fragmentado.

51

Figura 23 - Documentação fotográfica da demolição do revestimento refratário do Carro

torpedo utilizando martelete pneumático.

Figura 24 - Documentação fotográfica da pilha de sucata refratária gerada na demolição do

revestimento refratário do CT #8.

Após o desmonte ocorre uma seleção para reciclagem, tendo em vista que está no

contrato da fornecedora a recuperação da sucata refratária, no entanto foi realizada apenas a

seleção do revestimento de trabalho, apesar da pilha de sucata ser composta também de sucata

do revestimento permanente (sílico-aluminoso). De acordo com as normas de segurança

operacional da CSN a terceirizada só pode retirar tijolos individuais e que estejam na periferia

da pilha de sucata, Figura 25, acarretando uma eficiência extremamente baixa. Todo o

material selecionado é acondicionado em pallets, no entanto há restrição de espaço para

acondicionamento, limitando desta forma a volume de material separado para reciclagem, a

Figura 26.

52

Figura 25 - Documentação fotográfica do processo de seleção dos tijolos de trabalho na pilha de

sucata refratária.

Figura 26 - Documentação fotográfica do processo de acomodação dos tijolos selecionados em

pallets e espaço reservado para a acomodação dos pallets.

3.1.3 Caracterização laboratorial

3.1.3.1 Plano de amostragem

O plano de amostragem consistiu de coletar amostras diretamente nas pilhas de sucata

gerada durante o reparo geral do revestimento refratário do carro torpedo, antes da remoção

das pilhas do pátio ao lado da oficina de manutenção do respectivo equipamento.

3.1.3.2 Metodologia e amostragem de sucata refratária

A Figura 27 apresenta a documentação fotográfica da amostragem manual realizada no

revestimento de trabalho à base de Al2O3/SiC/C/MgAl2O4, a qual foi realizada somente na

periferia da pilha por questões de segurança estabelecida pela CSN. Sendo que para a

53

amostragem no topo e no interior da pilha de sucata foi necessário utilizar uma pá mecânica,

Figura 28. Sucata do revestimento permanente a base de sílico-aluminoso não foi amostrada

para os ensaios de caracterizações laboratoriais.

Figura 27 - Documentação fotográfica da amostragem manual de tijolos de revestimento de

trabalho na periferia da pilha do pátio de demolição.

Figura 28 - Documentação fotográfica da utilização de pá mecânica para amostragem no

interior e no topo da pilha da sucata refratária de CT.

3.1.3.4 Resultados dos ensaios laboratoriais

A Tabela 9 apresenta os valores obtidos para massa específica aparente e porosidade

aparente, determinadas pelo princípio de Archimedes e comparados com as especificações

fornecidas pelo fabricante na FDT do material e massa específica real determinada pelo

54

método de picnometria de hélio. Pode-se observar que os valores encontrados para MEA, PA

estão dentro da faixa de especificação das FDT’s do material.

As análises químicas e de fases mineralógicas foram realizadas na fração grosseira

(global) - maior que 1,0 mm - e na fração fina - menor do que 1,0 mm (finos). As Tabelas 10

e 11 apresentam a composição química e as fases mineralógicas da sucata refratária de Carro

Torpedo, respectivamente. Evidencia-se similaridade nos resultados das concentrações entre

alumina e sílica tanto da amostra global quanto da fração fina e também a diminuição em

torno de 2% da quantidade de óxido de ferro nas frações com ø < 1,0 mm. O maior valor de

perda ao fogo para a fração fina deve-se a uma quantidade maior de compostos de grafite e

carbetos. Com a análise de fases mineralógicas foi observado predominantemente às fases

cristalinas corundum, mulita, carbeto de silício, grafite, espinélio, óxido de ferro, hematita

quartzo e cristobalita em concordância com a quantidade das concentrações químicas

mostradas na Tabela 3.3. Vale ressaltar que o espinélio observado nas duas frações é resultado

da composição química dos revestimentos de trabalho de Carro Torpedo.

Tabela 9 - Massa específica aparente, porosidade aparente e massa específica real da sucata do

revestimento refratário de trabalho do Carro torpedo.

Análise realizada FDTs Resultados

obtidos Mínimo Máximo

Massa Específica Aparente [g/cm3] 2,35 3,04 3,08 ± 0,07

Porosidade Aparente [%] 4,2 15 11,30 ± 1,64

Massa Específica Real [g/cm3] - - 3,28

55

Tabela 10 - Análise química da sucata refratária de Carro Torpedo.

Composto Concentração [%]

Amostra global (> 1 mm) Finos(< 1 mm)

Al2O

3 60,18 59,76

SiO2 18,18 18,66

CaO 1,79 1,44

Fe2O

3 8,49 6,87

MgO 1,01 0,87

ZrO2 0,50 0,50

HfO2 0,05 0,04

PF 6,36 8,94

Tabela 11 - Análise das fases mineralógicas da sucata refratária de CT.

Fases Mineralógicas [%]

Amostra global (> 1 mm) Finos (< 1 mm)

Corundum (Al2O

3), Mulita (3Al

2O

3.2SiO

2),

Carbeto de Silício(SiC),Grafite(C), Espinélio

(MgAl2O

4), Óxido de ferro (FeO), Hematita

(Fe2O

3), Quartzo e cristobalita (SiO

2)

Corundum (Al2O

3), Mulita (3Al

2O

3.2SiO

2),

Carbeto de Silício(SiC),Grafite(C), Espinélio

(MgAl2O

4), Óxido de ferro (FeO), Hematita

(Fe2O

3), Quartzo (SiO

2)

3.2 CANAL DE CORRIDA

Os canais de corrida dos Altos fornos da CSN são revestidos por materiais refratários

obedecendo ao conceito balanceado de revestimento. A Figura 29 mostra uma ilustração da

distribuição de materiais refratários neste tipo de revestimento. Sendo que a área de trabalho é

revestida por concretos, tanto a linha de escória como a linha de metal.

56

Figura 29 - Ilustração esquemática do revestimento refratário dos Canais de Corrida dos Altos

Fornos da CSN.

A Figura 30 apresenta a documentação fotográfica do Canal de Corrida após o reparo

geral antes de entrar em operação e após drenagem para inspeção antes do reparo geral,

ilustrando o desgaste na Linha de escória e na Linha de Gusa.

Figura 30 - Documentação fotográfica do Canal de Corrida –Ilustrando o revestimento: (a) após

o reparo geral e (b) após drenagem antes do reparo geral.

A Tabela 12 apresenta a quantidade de concreto refratário à base de Alumina, Carbono

e Carbeto de Silício, baixo e ultra baixo cimento, para aplicação em canal de corrida do Alto

Forno #2 e Alto Forno #3. As quantidades de materiais aplicados foram fornecidas pela

empresa contratada (Reframon), e pela Gerência de refratários (GEF). A soma total por mês

do concreto refratário aplicado nos canais de corrida dos dois Altos Fornos é de 266

toneladas.

57

Tabela 12 - Material refratário aplicado mensalmente nos canais de corrida dos Altos Fornos #2

e #3.

Equipamento Material Aplicado [ton/mês]

Canal Principal Canal Secundário

Alto Forno #2 56 40

Alto Forno #3 108 62

Subtotal 164 102

Total 266

3.2.1 Geração de sucata refratária dos canais de corrida dos altos fornos #2 e #3

A geração de sucata refratária dos canais de corrida dos Altos Fornos #2 e #3 foi

determinada de duas maneiras a primeira foi a partir da quantidade de caçambas utilizadas nos

reparos para transportar a sucata gerada e a segunda foi a partir das cartas de controle do perfil

de desgaste que são geradas pela empresa contratada para os reparos (Reframon).

3.2.1.1 Geração de sucata refratária estimada pela quantidade de caçambas.

Foi realizado acompanhamento do desmonte durante o reparo geral do canal de corrida

#2 do Alto Forno #3, a fim de determinar a quantidade de sucata gerada durante o reparo geral

e em que condições esta sucata é acondicionada e depois comparar com as cartas de controle

de perfil. O desmonte do canal de corrida é realizado por uma máquina de ponteiro (Grant

Matic) e/ou por uma pá mecânica e manualmente com ponteiros pneumáticos, sendo que este

serviço de desmonte tem uma duração média de 60 horas e o de limpeza e corte mais 42

horas. As Figuras 31 e 32 mostram a documentação fotográfica desta operação.

58

Figura 31 - Documentação fotográfica do desmonte do revestimento refratário do canal

principal utilizando máquina com ponteiro (Grantmatic).

Figura 32 - Ilustração da operação de demolição manual do canal de Corrida do Alto Forno #3.

Após o desmonte o material é retirado e acondicionado em caçambas, foi constatado

que todo o material resultante do desmonte é colocada na mesma caçamba, ou seja não há

nenhum cuidado em separar os materiais refratários do material gerado durante a limpeza dos

canais. A Figura 33 mostra a sucata refratária gerada no desmonte, mas ainda dentro do canal

de corrida e a Figura 34 mostra a sucata refratária gerada junto com os demais detritos

acondicionados na caçamba. As caçambas de sucata refratária são então transportadas para o

pátio de descarte de material da UPV e então depositadas em pilhas.

59

Figura 33 - Documentação fotográfica de material refratário demolido após ação da máquina

com ponteiro (Grantmatic).

Figura 34 - Ilustração da caçamba com sucata refratária e demais detritos gerados no reparo

geral do Canal de corrida do Alto Forno #3.

Foi observado que durante o desmonte do canal principal #2 do Alto Forno #3 foram

geradas aproximadamente 3,5 caçambas de sucata refratária, sendo que cada caçamba foi

ocupada em 70% de seu volume útil (10 m3), Figura 34, o que equivale a aproximadamente

25 m3 de sucata por reparo de canal principal do AF #3.

60

3.2.1.2 Geração de sucata refratária estimada pela pelo perfil de desgaste

Foram utilizadas informações do perfil de desgaste dos Reparos Gerais (RG)

realizados em 2010 nos quatro Canais Principais de corridas do Alto Forno #3 e do primeiro

Reparo Parcial (1°RP), segundo Reparo Parcial (2°RP) e Reparo Geral (RG) dos dois Canais

Principais de corridas (CP1 e CP2) do Alto Forno #2.

A quantidade de sucata refratária gerada foi determinada a partir da comparação entre

os perfis de cada um dos canais de corridas supramencionados antes do início da campanha e

ao final da campanha após a limpeza para inspeção e posterior desmonte.

As Figuras de 35 e 36 ilustram os desenhos esquemáticos do perfil de desgaste da

Linha de escória e Linha de gusa antes do corte para inspeção de Reparos Gerais e após o

corte do Canal Principal 1 (CP1) do Alto Forno #3 da campanha de 2010.

Figura 35 - Perfil de desgaste da Linha de Escória antes do corte do Canal Principal 1 (CP1), do

Alto Forno #3. Campanha de set/2011.

61

Figura 36 - Perfil de desgaste da Linha de Escória após o corte do Canal Principal 1 (CP1), do

Alto Forno #3. Campanha de set2010.

As Tabelas 13 e 14 apresentam a média total de sucata refratária de Canal de Corrida

calculada em toneladas por mês, por perfil de desgaste nos Reparos Gerais de 2010 do canal

principal 1, 2, 3 e 4 do Alto Forno #3 e do 1º Reparo Parcial, 2º Reparo Parcial e Reparo

Geral do canal principal 1 e 2 do Alto Forno #2, respectivamente. Pode-se notar que em

média são geradas aproximadamente 9 ton para o AF #2 e 13 ton para o AF #3 de sucata

refratária por canal principal de corrida, o que equivale a uma geração de sucata entre 20 a

30% do material aplicado.


do Alto Forno #3.

Canal Principal Geração de Sucata [ton/reparo]

CP1 10,75

CP2 11,83

CP3 12,97

CP4 13,78

62


do Alto Forno #2.

Canal

Principal

Geração de Sucata [ton/reparo] Total

[ton] 1º RP 2º RP RG

CP1 3,36 2,60 3,15 9,11

CP2 2,92 2,43 3,67 9,02

3.2.2 Caracterização laboratorial

3.2.2.1 Plano de amostragem

O plano de amostragem foi conduzido de modo a coletar amostras diretamente nas

pilhas de sucatas refratárias geradas nos reparos dos canais de corrida no pátio de descartes,

não foram retiradas amostras das caçambas em função de interferências por questões de

logística.

A Figura 37 apresenta a documentação fotográfica da amostragem manual realizada

em 2010 do material refratário de Canal de Corrida na base e ao redor da pilha para ensaios e

caracterização laboratoriais. A preparação das amostras, bem como as caracterizações

laboratoriais foram realizadas de acordo com o item 3.3.3.

Figura 37 - Documentação fotográfica da amostragem manual de material refratário de Canal

de Corrida na periferia da pilha para ensaios e caracterização.

63

3.2.2.2 Resultados dos ensaios laboratoriais

3.2.2.2.1 Massa específica aparente (MEA), Porosidade aparente (PA) e Massa

específica real (MER)

A Tabela 15 apresenta os resultados obtidos para massa específica aparente e

porosidade aparente determinadas pelo princípio de Archimedes, os quais estão dentro da

faixa de especificação das FDT’s, e os resultados de massa específica real determinada pelo

método de picnometria de hélio.

Tabela 15 - Principais propriedades físicas de amostras de desmonte de Canal de Corrida de

Altos Fornos.

Análise realizada FDTs Resultados

obtidos Mínimo Máximo

Massa Específica Aparente (g/cm3

) 2,74 3,22 3,10 ± 0,08

Porosidade Aparente (%) 9,7 19,0 18,77 ± 1,99

Massa Específica Real (g/cm3

) - - 3,55

3.2.2.2.2 Fases mineralógicas por difratometria de raios X (DRX) e composição

química por fluorescência de raios X (FRX)

A Tabela 16 mostra a composição química e perda ao fogo da sucata refratária de

Canal de Corrida na fração global e finos. Pode-se observar um aumento da concentração de

óxido de silício e uma diminuição de alumina nas frações finas, bem como um aumento na

perda ao fogo. Este aumento da concentração da sílica nos finos pode estar associado à

presença de SiC nesta fração e sua posterior oxidação, ou ainda pela oxidação do SiC durante

a campanha, a qual gera pequenas partículas de SiO2, esta maior presença de SiO2 não pode

estar associado a presença de escória, pois o CaO permanece em ambas as frações em teores

próximos, por outro lado a maior perda ao fogo pode estar associada a presença dos

64

compostos de carbono, os quais estão presentes em maior quantidade na matriz do concreto

para canal.

A Tabela 17 mostra a composição de fases mineralógicas para as amostras de sucata

de canal de corrida, na qual é possível observar que as fases corundum, carbeto de silício,

grafite, óxido de ferro, hematita quartzo e cristobalita estão presentes nas duas frações

granulométricas estudadas, sendo que foi detectada a presença da fase espinélio na fração

grosseira, no entanto não podemos afirmar que esta fase não esta presente na fração fina haja

visto, que o teor de MgO determinado pela analise química esta abaixo de 1% na fração final,

Tabela 16, ou seja abaixo do limite de detecção da técnica de DRX.

Tabela 16 - Análise química da sucata refratária de Canal de Corrida.

Composto Concentração [%]


Al2O

3 52,83 37,29

SiO2 27,06 42,93

CaO 5,64 4,70

Fe2O

3 9,09 5,35

MgO 1,97 0,82

ZrO2 0,69 0,38

HfO2 0,05 0,03

PF 0,21 7,44

65

Tabela 17 - Análise das fases mineralógicas da sucata refratária de Canal de Corrida.

Fases Mineralógicas


Corundum (Al2O

3),

Carbeto de Silício (SiC),

Grafite (C),

Óxido de ferro II (FeO),

Hematita (Fe2O

3),

Quartzo e Cristobalita (SiO2),

Espinélio (MgAl2O

4),

Corundum (Al2O

3),

Carbeto de Silício (SiC),

Grafite (C),

Óxido de ferro II (FeO),

Hematita (Fe2O

3),

Quartzo e Cristobalita (SiO2),

3.3 PLACAS E VÁLVULAS DE PANELA DE AÇO E DISTRIBUIDORES.

3.3.1. Segmentos metálicos de placas e válvulas de panela de aço e distribuidores.

As placas e válvulas de panela de aço e de distribuidor possuem uma cinta de proteção

metálica, desta forma a fim de determinar a geração de sucata metálica oriunda do descarte

destes dispositivos foi realizado um desmonte em laboratório. O desmonte foi realizado

manualmente com auxílio de uma marreta. A Figuras 38 mostra a documentação fotográfica

da placa de panela antes do desmonte e após o desmonte, evidenciando a cinta metálica. As

Figuras 39 e 40 mostram a documentação fotográfica das Válvulas superiores e inferiores de

Panela e Distribuidores antes e após demolição manual.

Figura 38 - Documentação fotográfica da Placa de Panela de Aço comum e (API) antes e após

desmonte manual.

66

Figura 39 - Documentação fotográfica da demolição manual e pesagem do segmento metálico da

Válvula superior de Panela de Aço.

Figura 40 - Documentação fotográfica da pesagem dos segmentos metálicos de aço das Válvulas

superiores e inferiores de Distribuidores e pesagem dos segmentos metálicos dos tubos de cobre

da Válvula superior de Distribuidores.

A Figura 41 apresenta a documentação fotográfica da pesagem do segmento metálico

monobloco e cintas de Placas de Distribuidores de aço, após separação manual.

A Tabela 18 Apresenta o total do levantamento e classificação da geração de sucata

refratária e segmentos metálicos oriundos dos dispositivos pra panela de aço e distribuidor.

Vale ressaltar para cada tonelada de material refratário de placa de panela com inserto de

zircônia é gerada 0,12 toneladas de zircônia, além disso, para cada 0,7 toneladas por mês de

67

material metálico de Válvula superior de Distribuidor é gerado 0,05 toneladas por mês de

cobre metálico.

Figura 41 - Documentação fotográfica da pesagem do segmento metálico monobloco e cintas de

Placas de Distribuidores de aço, após separação manual.


metálico oriundos dos dispositivos para panela de aço e distribuidor.

Dispositivo

Geração [ton/mês]

Cerâmico

[Al2O3, ZrO2] Metálico Observações

Placa de distribuidor 4,9 0,6 -

Placa de panela 9,5 0,9 0,12 ton ZrO

2 por ton de

placa (API)

Válvula de distribuidor 4,5 0,7 0,05 ton/mês de Cu

(válvula superior)

Válvula de panela 15 0,5 -

TOTAL 33,9 2.7

68

3.3.2 Amostragem e caracterização laboratorial

A amostragem de Placas e Válvulas de Distribuidor de aço foi realizada diretamente

das caçambas de descarte, Figura 42, sendo que durante a amostragem foi observado que as

placas comuns e as placas com inserto de ZrO2 são acondicionadas nas mesmas caçambas.

A preparação das amostras, bem como as caracterizações laboratoriais foi realizada de

acordo com os procedimentos experimentais das páginas 41 e 42.

Figura 42 - Documentação fotográfica de Placas e Válvulas de Distribuidores amostradas para

ensaios de caracterizações laboratoriais.

3.3.2.1 Massa específica aparente (MEA), porosidade aparente (PA) e massa


A Tabela 19 mostra os resultados obtidos para MEA e PA determinadas pelo princípio

de Archimedes e os resultados de MER determinadas pelo método de picnometria de hélio

para as amostras globais, os quais não apresentaram distorções em relação as especificações

das FDT’s,.

69

Tabela 19 - Massa específica aparente (MEA), porosidade aparente (PA) e massa específica real

(MER) de sucata refratária de Placas e Válvulas de Panela e Distribuidor.

Dispositivo

FDTs SUCATA

MEA

[g/cm³]

PA

[%]

MEA

[g/cm³]

PA

[%]

MER

[g/cm³]

Placa de Panela 3,27 - 5,10 6,0 - 11,0 3,33

(± 0,03)

6,58

(± 0,02) 4,38

Placa de distribuidor 2,81 - 4,83 6,0 - 23,6 2,97

(± 0,07)

12,94

(± 0,04) 3,65

Válvula de distribuidor e

panela 3,08 - 3,10 9,0 - 11,1

2,99

(± 0,25)

12,66

(± 2,02) 3,59

3.3.2.2 Fases mineralógicas por DRX e composição química por FRX

A Tabela 20 apresenta resultados da composição química da sucata refratária de Placas

e Válvulas de Panelas de aço e Distribuidores, amostradas de maneira global para cada

equipamento. Observou-se majoritariamente concentrações de alumina em torno de 70%

aproximadamente em todas as análises realizadas. Por outro lado, é importante destacar que

tanto para Placas de Distribuidor, quanto para Válvulas de Panela e Distribuidores a

concentração de óxido de ferro está em torno de 6,0 %.

A Tabela 21 mostra as fases mineralógicas dos dispositivos evidenciando a

predominância das fases corundum e badaleita. A fase contaminante de óxido de ferro para

Placa de Panela com inserto de zircônia não foi detectada provavelmente devido a sua baixa

concentração. Por fim, para sucata refratária de Válvula de Panela de aço e Distribuidor foi

identificado que o ferro determinado na analise química esta na forma de Hematita (Fe2O3) e

o silício esta na forma de Quartzo (SiO2) e de Mulita (Al6Si2O13).

70

Tabela 20 - Análise química da sucata refratária de Placa de Panela de aço com inserto de

zircônia, Placa de Distribuidor e Válvula de distribuidor e Panela.

Composto

Teor [%]

Placa de

Panela

Placa de

Distribuidor

Válvula de Panela e

de Distribuidor

Al2O

3 73,52 75,16 72,28

SiO2 6,90 3,38 5,54

CaO 0,18 2,74 0,59

Fe2O

3 2,27 6,85 5,91

MgO 0,28 0,89 0,42

ZrO2 13,67 8,54 11,71

HfO2 0,30 0,21 0,62

PF 2,28 1,68 2,20

Tabela 21 - Análise de fases mineralógicas da sucata refratária de Placa de Panela de aço com

inserto de zircônia, Placa de Distribuidor e Válvula de distribuidor e Panela.


Placa de

Panela Placa de Distribuidor

Válvula de Panela e de

Distribuidor

Corundum (Al2O

3),

Mulita (3Al2O

3.2SiO

2),

Badaleita (ZrO2)

Corundum (Al2O

3),

Badaleita (ZrO2),

Hematita (Fe2O

3)

Corundum (Al2O

3),

Mulita (3Al2O

3.2SiO

2),

Badaleita (ZrO2),

Hematita (Fe2O

3),

Quartzo (SiO2)

3.4 TUBO LONGO E TUBO SUBMERSO

3.4.1 Geração e beneficiamento de sucata refratária de válvulas longas e

submersas

71

De acordo com dados fornecidos pela coordenação de refratários da GGMA são

gerados mensalmente em torno de 35 ton de sucata refratária oriunda dos tubos longos e

submersos usados em panelas de aço na aciaria, Tabela 22.

Os Tubos Longos e Submersos após serem usados no lingotamento contínuo eles são

descartados em caçambas, Figura 43. Estes dispositivos quando descartados possuem material

metálico depositado na parede interna dos tubos. Desta forma o processo de beneficiamento

deste material para reciclagem deve consistir de uma demolição, acompanhada de separação e

posterior britagem e classificação granulométrica. Em adição, com o objetivo de minimizar a

deposição metálica na parede interno dos tubos longos, a GGMA vem realizando um sopro de

ar nos tubos ao final da campanha.

A fim de estudar a viabilidade do beneficiamento dos tubos longos e submersos foi

separado um lote de 40 ton de sucata. Este lote de sucata foi espalhado e quebrado com

auxílio de pá mecânica e seguida foi utilizado um eletroímã a fim de remover a sucata

metálica, a Figura 44 mostra a documentação fotográfica da separação magnética. Constatou-

se um bom desempenho na separação de sucata metálica em geral utilizando o eletroímã,

porém pouca eficiência na remoção das cintas metálicas dos Tubos Longos, haja visto que o

processo de demolição utilizando pá mecânica é pouco eficiente para desmonte da cinta

metálica dos tubos longos.

Tabela 22 - Geração de sucata refratária oriunda dos tubos longos e submersos

Dispositivo

Geração de Sucata [ton/mês]

Cerâmica

(Al2O3-C e ZrO2) Metálica

Tubo longo 20 0,7

Tubo Submerso 15 -

TOTAL 35 0,7

72

Figura 43 - Documentação fotográfica da caçamba para descarte de sucata refratária de Tubos

Longos e Submersos após uso nas maquinas de lingotamento.

Figura 44 - Documentação fotográfica: (a) da utilização de eletroímã ferroviário para

separação dos metálicos após demolição e (b) material metálico proveniente da

separação magnética.

A sucata refratária resultante foi então beneficiada na Planta de Reciclagem de

Resíduos de Construção Civil e de Demolição da CSN (RCD), a qual passou por um processo

de britagem, separação magnética e peneiramento em faixas granulométricas nas dimensões

de brita 0, 1, 2 e 3. No entanto em função da indisponibilidade de baias para

acondicionamento todo o material beneficiado foi acondicionado na mesma baia, a Figura 45

mostra a documentação fotográfica da Planta de RCD e da baia com a sucata refratária.

73

Figura 45 - Documentação fotográfica da Planta de RCD e da sucata beneficiada sendo

acondicionada na baia.

3.4.2 Amostragem e caracterização laboratorial

A amostragem para a caracterização laboratorial foi realizada utilizando um

amostrador de grãos de acordo com a Norma da ABNT NBR - 10007 (Amostragem de

resíduos)

A preparação das amostras para os ensaios laboratoriais de caracterização das

principais propriedades físico-químicas foi realizada no Centro de Pesquisa da CSN, a qual

consistiu de: quarteamento, peneiramento. E em função dos ensaios posteriores, as amostras

resultantes também foram pulverizadas. Com o objetivo de investigar a possível

contaminação da sucata, após o quarteamento as amostras foram separadas nas seguintes

faixas granulométricas, onde ø é o tamanho de partícula: a) ø > 20,0 mm; b) 16,0 < ø < 20,0

mm; c) 12,5 < ø < 16,0 mm; d) 5,0 < ø < 12,5 mm; e) 3,6 < ø < 5,0 mm; f) 1,0 < ø < 3,6 mm e

g) ø < 1 mm (Finos).

3.4.2.1 Massa específica aparente (MEA), porosidade aparente (PA) e massa


A Tabela 23 mostra os resultados obtidos para a amostra global para MEA e PA

determinadas pelo princípio de Archimedes e os resultados de MER determinadas pelo

74

método de picnometria de hélio, os quais estão dentro da faixa de valores especificados na

FDT do material novo.

Tabela 23 - Principais propriedades físicas de sucata refratária de Tubos Longos e Tubos

Submersos.

Característica

FDT

SUCATA Mínimo Máximo

Massa Específica Aparente (g/cm3

) 2,24 3,82 3,42 (± 0,21)

Porosidade Aparente (%) 10 16,5 12,69 (± 2,32)

Massa Específica Real (g/cm3

) - - 3,37

3.4.2.2 Composição química por FRX e fases mineralógicas por DRX

A Tabela 24 e 25 mostram os resultados das composições químicas da sucata refratária

de Tubos Longos e Tubos Submersos da amostra global e entre outras sete frações

granulométricas. Pode-se verificar comparando as tabelas que os valores dos compostos não

sofrem grande variação entre as faixas granulométricas, com exceção duas faixas

granulométricas de 1,0 < ø < 3,6 mm e 3,6 < ø < 5,0 mm; ou seja da faixa que compreende

1,0 < ø < 5,0 mm; sendo que nesta faixa granulométrica os teores de Al2O3 caem pela

metade, saindo de 40% para 20%, os teores de SiO2 também reduzem de valores próximos à

10% para valores na ordem de 6%, no entanto é observado aumento nos teores de ZrO2 e

Fe2O3, sendo que ambos composto apresentam teores praticamente em dobro em relação as

demais faixas granulométricas. As Figuras 46 e 47 mostram os resultados das analise

químicas em forma de gráfico, ilustrando a variação dos teores dos compostos mencionados.

75

Tabela 24 - Análise química da amostra global e das faixas granulométricas acima de 12,5 mm.

Composto

Teor [%]

Global Tamanho de partícula equivalente [mm]

>20,0 16,0 - 20,0 16,0 -12,5

Al2O

3 42,07 45,47 39,88 39,51

SiO2 10,46 10,71 9,98 10,05

CaO 2,11 1,37 1,99 3,08

MgO 0,17 0,11 0,09 0,42

Fe2O

3 2,41 2,08 2,64 4,01

ZrO2 21,07 17,18 22,89 23,06

HfO2 0,45 0,38 0,49 0,49

PF 20,34 21,93 20,99 18,34

Tabela 25 - Análise química das faixas granulométricas abaixo de 12,5 mm.

Composto

Teor [%]

Tamanho de partícula equivalente [mm]

5,0 – 12,5 3,6 – 5,0 1,0 – 3,6 <1,0

Al2O

3 41,46 18,66 20,75 43,2

SiO2 10,60 6,11 7,13 10,07

CaO 3,29 2,60 2,8 1,44

MgO 0,39 0,41 0,51 0,1

Fe2O

3 4,83 9,76 6,44 2,56

ZrO2 19,80 41,26 40,73 22,6

HfO2 0,43 0,76 0,74 0,48

PF 18,09 19,19 19,42 18,75

76


longos e submersos.


longos e submersos.

77

As Tabelas 26 e 27 mostram a composição de fases mineralógicas da amostra global e

das diversas faixas granulométricas da sucata de tubos longos e submersos, nas quais pode-se

observar que a composição de fases praticamente não se altera em função do tamanho de

partículas, sendo a fase Hematita foi detectada para faixas granulométricas inferiores a 16,0

mm, quando compara-se com os resultados de análise química pode-se verificar que em faixas

granulométricas acima de 16,0 mm o teor de Fe2O3 foi inferior a 2%, outro aspecto que pode-

se observar é que na faixa granulométrica entre 5,0 e 3,6 mm foi detectada a presença de

Magnetita (Fe3O4).


longos e submersos.


Global Tamanho de partícula equivalente [mm]

>20,0 16,0 - 20,0 16,0 -12,5

Corundum (Al2O

3) Corundum (Al

2O

3) Corundum (Al

2O

3) Corundum (Al

2O

3)

Grafite(C) Grafite(C) Grafite(C) Grafite(C)

Zircônia (ZrO2) Zircônia (Zr O2) Zircônia (Zr O2) Zircônia (Zr O2)

Cristobalita (SiO2) Cristobalita (SiO2) Cristobalita (SiO2) Cristobalita (SiO2)

Hematita (Fe2O

3)

78


longos e submersos.


Tamanho de partícula equivalente [mm]

5,0 – 12,5 3,6 – 5,0 1,0 – 3,6 <1,0

Corundum (Al2O

3) Corundum (Al

2O

3) Corundum (Al

2O

3) Corundum (Al

2O

3)

Grafite (C) Grafite (C) Grafite (C) Grafite (C)

Zircônia (ZrO2) Zircônia (ZrO

2) Zircônia (ZrO

2) Zircônia (ZrO

2)

Hematita (Fe2O

3) Hematita (Fe

2O

3) Hematita (Fe

2O

3) Hematita (Fe

2O

3)

Cristobalita (SiO2) Cristobalita (SiO

2) Cristobalita (SiO

2) Cristobalita (SiO

2)

Magnetita (Fe3O

4)

3.4.2.3 Caracterização microestrutural via MEV/EDS

3.4.2.3.1 Granulometria >20,0mm

A Figura 48 mostra a microestrutura e a composição elementar por energia dispersiva

de raios-X para a fração granulométrica maior que 20,0 mm. Observa-se com a análise de

espectrometria dispersiva de raios X (pontual) a presença dos os elementos químicos Fe, Si,

O, Al, C Zr e Hf, corroborando com os resultados de FRX e DRX.

79

Figura 48 - Microestrutura e analise elementar por energia dispersiva de raios X (EDS) da

sucata refratária de Tubos Longos e Tubos Submersos com tamanho de partícula superior a 20

mm.

3.4.2.3.2 Faixa granulométrica: 12,5 < ø < 16,0 mm

As Figuras de 49, 50 e 51 mostram a microestrutura e espectros de Raios-X da

composição elementar obtida por MEV-EDS para a fração granulométrica maior que 12,5 mm

e menor do que 16,0 mm. Similar a amostra com partículas com tamanho superior a 20 mm,

foi detectada a presença dos elementos Al, O, C, Zr e Fe, sendo que o elemento Fe encontra-

se na porosidade dos agregados, Figura 50.

80

Figura 49 - Microestrutura e analise elementar por MEV-EDS do agregado de sucata refratária

de Tubos Longos e Tubos Submersos com tamanho entre 12,5 e 16,0 mm.



81



3.4.2.3.3 Faixa granulométrica: 3,6 < ø < 5,0 mm

As Figuras de 52 e 53 mostram a microestrutura e os espectros de EDS da fração

granulométrica maior que 3,6 mm e menor do 5,0 mm. Mostrando resultados similar as

demais faixas granulométricas, no entanto é evidenciada uma maior presença de ZrO2 como

mostrado na imagem da Figura 52.

9


Submersos com agregados de tamanhos entre 3,6 e 5,0 mm.

82


Submersos com agregados de tamanhos entre 3,6 e 5,0 mm.

3.4.2.3.4. Faixa granulométrica: < 1,0 mm (finos)

A Figura 54 mostram a microestrutura e espectros de EDS composição elementar

obtida da sucata refratária de Tubos Longos e Tubos Submersos, para a fração granulométrica

menor que 1,0 mm (finos). Evidenciando que a fração é constituída dos mesmo elementos das

demais frações granulométrica.


Submersos com agregados menores que 1,0 mm.

83

A Tabela 28 apresenta o total da geração e classificação de sucata refratária e

segmentos metálicos mensais dos equipamentos e dispositivos da Usina Presidente Vargas

(UPV) analisados neste projeto. Vale ressaltar que para cada tonelada de material refratário de

placa de panela com inserto de zircônia é gerada 0,12 toneladas de zircônia, material

geralmente usado na fabricação de peças refratárias com aplicações nobres e de alto

desempenho. Além disso, para cada 0,7 toneladas por mês de material metálico de válvula

superior de Distribuidor de aço é gerado 0,05 toneladas por mês de cobre metálico.


metálico na Usina presidente Vargas.

Equipamento

ou

Dispositivo

Geração [ton/mês]

Observações Sucata

refratária

Material

metálico

Canal de corrida principal

(Al2O3-SiC-C) 40 -

Concreto baixo e ultra baixo

cimento

Carro torpedo

(Al2O3-SiC-C e MgAl2O4) 62 - 3º RL, 1º RP, RG

Tubo longo

(Al2O3-C e ZrO2) 20 0,7 250 unidades/mês x 80 Kg/un

Tubo Submerso

(Al2O3-C e ZrO2) 15 - 500 unidades/mês x 30 Kg/un

Placa de distribuidor

(Al2O3, ZrO2) 4,9 0,6 -

Placa de panela

(Al2O3, ZrO2) 9,5 0,9

0,12t on de inserto (ZrO2) por

ton de placa (API)

Válvula de distribuidor

(Al2O3, ZrO2) 4,5 0,7

0,05 ton/mês de Cobre

(válvula superior)

Válvula de panela

(Al2O3, ZrO2) 15 0,5 -

TOTAL [ton/mês] 171 3,4

84

4 CONCLUSÕES

Para separar por classe de material refratário a sucata refratária gerada na UPV é

indispensável que se tenha uma área livre ou previamente definida especificamente para a

seleção dos diversos tipos de materiais e acondicionamento em “pallets”, baias ou caçambas.

Em contrapartida para alguns casos, como por exemplo, da sucata de revestimento de

Carro Torpedo, devem-se substituir os “pallets” por caçambas com o objetivo de aumentar a

produtividade e seleção destes materiais. Ainda considerando a sucata gerada no carro torpedo

há a necessidade de alocar um espaço adequado para o processo de seleção sem que gere

interferência no processo produtivo.

Os testes realizados na planta de resíduos de construção civil e demolição (RCD) na

Companhia Siderúrgica Nacional (CSN) mostraram-se de alta eficiência no beneficiamento e

demolição de sucata refratária. Em adição, há a necessidade de um separador magnético

(eletroímã) mais potente para remoção dos materiais metálicos dos mais diversos tamanhos.

De acordo com os testes realizados pode-se concluir que é viável tecnicamente o

beneficiamento da sucata refratária, haja vista que é possível concentrar os elementos

deletérios, tais como Fe2O3, dos agregados de maiores dimensões, sendo de grande interesse

para indústrias manufatoras de refratários.

85

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87

ANEXO A – Fluxograma de usina siderúrgica integrada

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