AVALIAÇÃO DO MÉTODO DE CONTENÇÃO DA EXPANSÃO DA ESCÓRIA DE ACIARIA PARA UTILIZAÇÃO EM PAVIMENTAÇÃO ASFÁLTICA, Teses de Química. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio)
Karolinny
Karolinny

AVALIAÇÃO DO MÉTODO DE CONTENÇÃO DA EXPANSÃO DA ESCÓRIA DE ACIARIA PARA UTILIZAÇÃO EM PAVIMENTAÇÃO ASFÁLTICA, Teses de Química. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio)

DOCX (2 MB)
18 páginas
155Número de visitas
Descrição
AVALIAÇÃO DO MÉTODO DE CONTENÇÃO DA EXPANSÃO DA ESCÓRIA DE ACIARIA PARA UTILIZAÇÃO EM PAVIMENTAÇÃO ASFÁLTICA
20 pontos
Pontos de download necessários para baixar
este documento
Baixar o documento
Pré-visualização3 páginas / 18
Esta é apenas uma pré-visualização
3 mostrados em 18 páginas
Baixar o documento
Esta é apenas uma pré-visualização
3 mostrados em 18 páginas
Baixar o documento
Esta é apenas uma pré-visualização
3 mostrados em 18 páginas
Baixar o documento
Esta é apenas uma pré-visualização
3 mostrados em 18 páginas
Baixar o documento

CENTRO UNIVERSITÁRIO DO LESTE DE MINAS GERAIS CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA

KAROLINNY DE OLIVEIRA MARINHO LARISSA DE SOUZA NETO

THUANY GONÇALVES ROCHA

AVALIAÇÃO DO MÉTODO DE CONTENÇÃO DA EXPANSÃO DA ESCÓRIA DE ACIARIA PARA UTILIZAÇÃO EM PAVIMENTAÇÃO ASFÁLTICA

Coronel Fabriciano

2017

KAROLINNY DE OLIVEIRA MARINHO LARISSA DE SOUZA NETO

THUANY GONÇALVES ROCHA

AVALIAÇÃO DO MÉTODO DE CONTENÇÃO DA EXPANSÃO DA ESCÓRIA DE

ACIARIA PARA UTILIZAÇÃO EM PAVIMENTAÇÃO ASFÁLTICA

Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao Curso de Engenharia

Química do Centro Universitário do Leste

de Minas Gerais como requisito parcial

para obtenção do título de Bacharel em

Engenharia Química

Orientador (a): Francine Duarte Castro

Coronel Fabriciano

2017

KAROLINNY DE OLIVEIRA MARINHO

LARISSA DE SOUZA NETO THUANY GONÇALVES ROCHA

AVALIAÇÃO DO MÉTODO DE CONTENÇÃO DA EXPANSÃO DA ESCÓRIA DE ACIARIA PARA UTILIZAÇÃO EM PAVIMENTAÇÃO ASFÁLTICA

Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao Curso de Engenharia

Química do Centro Universitário do Leste

de Minas Gerais como requisito parcial

para obtenção do título de Bacharel em

Engenharia Química

Orientador (a): Francine Duarte Castro

Aprovada em:__ / ____ / ____. Por:

Francine Duarte Castro – Unileste

Jaqueline Lacerda da Silva- Unileste

- Unileste

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Fluxograma da produção do Aço.................................................................8

Figura 2 - Fluxograma de uma siderurgia..................................................................10

Figura 3 - Laminação a quente.................................................................................. 12

Figura 4 - Exemplos de agregados britados de dois tipos de escória de Aciaria.......17

Figura 5 - Estatísticas de aplicação de escória..........................................................17

Figura 6 - Molde para o ensaio baseado no ASTM D 698......................................... 20

Figura 7 - Molde imerso em água a 70ºC.................................................................. 21

Figura 8 - Equipamento para ensaio de expansão em água..................................... 21

Sumário 1. INTRODUÇÃO......................................................................................................5

1.1. Objetivos................................................................................................................... 6

1.1.1. Objetivos Gerais.......................................................................................................... 6

1.1.2. Objetivos específicos................................................................................................. 6

2. Justificativa......................................................................................................... 7

3. Revisão BIBLIOGRÁFICA................................................................................... 8 3.1. Produção do Aço...................................................................................................... 8

3.1.1. Redução......................................................................................................................... 9

3.1.2. Refino............................................................................................................................10

3.2.3. Laminação................................................................................................................... 12

3.2. Resíduos gerados na produção do Aço....................................................................... 14

3.2.1. Escórias........................................................................................................................14

3.2.2. Lamas............................................................................................................................14

3.2.3. Pós................................................................................................................................. 15

3.2.4. Carepa...........................................................................................................................15

3.3. Características da escória.....................................................................................15

3.4. Utilização da escória de aciaria na pavimentação.................................................. 17

3.5. Legislação da utilização da escória......................................................................... 20

4. Metodologia....................................................................................................... 26 Referências Bibliográficas......................................................................................28

1. INTRODUÇÃO

A maior parte dos impactos causados ao meio ambiente é atribuída ao

desenvolvimento industrial dos últimos séculos, que pressionam os sistemas

naturais. Como consequência, desse crescimento industrial, é imprescindível a

criação de políticas sustentáveispara melhorar o desempenho ambiental, uma vez

que o setor industrial é o maior degradador do meio ambiente.

A indústria siderúrgica produz anualmente enormes quantidades de resíduos/co-

produtos. Sendo assim, é necessário empregar tecnologias limpas para a redução

de sua geração, do seu reaproveitamento e/ou reciclagem de maneira econômica e

ecológica.

As escórias de alto-forno e de aciaria são uma das maiores classes de resíduos

gerados em usinas siderúrgicas. A escória de aciaria tem sua formação nos

processos de oxidação do aço. Ela é composta principalmente por óxido e silicatos.

O uso destes como matéria-prima possibilita a redução do uso de recursos naturais,

contribuindo assim para a preservação dos recursos minerais não renováveis, visto

que o produto substitui agregados naturais.

Uma solução para o grande volume de resíduos gerados na indústria siderúrgica é o

seu aproveitamento como agregados na Construção Civil: na pavimentação de

estradas rodoviárias, como lastro de ferrovia e também nas construções

hidráulicas.Do ponto de vista econômico, o uso do agregado siderúrgico em obras

rodoviárias é vantajoso pelo baixo custo de aquisição da escória. Do ponto de vista

técnico, o uso de escória de aciaria é vantajoso pela alta resistência à abrasão da

escória.

O controle de expansão é necessário devido a reação dos íons com a água, que

formam compostos maiores. O principal aspecto desse estudo é criar métodos para

evitar essa expansão. O método da hidratação da escória, que será realizado no

decorrer do trabalho, é importante porque faz a reação acontecerem um curto

período de tempo, evitando assim que isso ocorra em grandes proporções quando

aplicada na pavimentação asfáltica.

6

1.1. Objetivos

1.1. Objetivos Gerais

Analisar a viabilidade da escória de aciaria para utilização na pavimentação

asfáltica.

1.2. Objetivos específicos

- Analisar propriedades físico-químicas da escória, bem como a diferença de

concentração da matéria prima, durante o processo de expansão do resíduo.

- Analisar o tempo de cura da escória através de parâmetros volumétricos

obtidos durante um processo de expansão.

- Apontar potencialidades do uso da escória de aciaria e analisar seu

aproveitamento na pavimentação asfáltica.

- Avaliar a melhor condição de hidratação da escória a fim de reduzir o grau

de expansão.

- Avaliar a cinética da reação de formação dos hidróxidos estáveis.

- Avaliar o grau de expansão após a realização do tratamento da escória.

7

2. Justificativa

Muitos setores produtivos da sociedade que utilizam qualquer tipo de matériaprima

como insumo para produzir o seu produto, geram um determinado tipo de resíduo,

que é inerente ao processo de produção.

Os gastos com o manejo do resíduo (transporte, bota-fora, sistema de segurança,

cumprimento de legislação ambiental, entre outros) geram para a indústria

significativo desembolso financeiro, bem como desgastes de ordem psicológica dos

profissionais diretamente envolvidos com o problema, além de, em inúmeros casos,

gerarem conflitos desta indústria com populações vizinhas que estão sendo afetadas

diretamente pela poluição do resíduo (contaminação do ar, da água, de lençol

freático dos rios, poluição visual, entre outros).

Nos últimos anos é crescente a tendência do setor produtivo, que gera um

determinado resíduo, ofertar este a outro setor produtivo que poderá utilizá-lo como

insumo minimizando, assim, um de seus problemas no processo de produção.

As siderúrgicas, em nível mundial, vêm enfrentando um problema comum, que

consiste no que fazer para que a totalidade da escória gerada no refino do aço em

aciarias elétricas ou à oxigênio tenha uma solução de aproveitamento melhor do que

vem sendo feito atualmente.

Na fabricação do aço as escorias são geradas em duas etapas: a primeira provém

do chamado refino oxidante (forno elétrico a arco ou convertedor à oxigênio) e a

segunda do refino redutor em processos de metalurgia na panela (forno-panela).

Este trabalho tem como objetivo principal o de apontar potencialidades de uso da

escória de convertedor LD na pavimentação asfáltica.

8

3. Revisão BIBLIOGRÁFICA

A preocupação mundial com o meio ambiente faz com que cada vez mais o

segmento de produção de novos produtos seja certificado quanto ao descarte

correto ou à opção de reaproveitar subprodutos, efluentes líquidos, gasosos e

sólidos gerados durante o processo de fabricação.

A siderurgia, diariamente, produz inúmeras toneladas de aço, e, durante o processo

são formados diversos produtos secundários, como escória de alto forno, escória de

aciaria, carepa, pó de aciaria, lama de alto forno, pó de balão. Estes, por muito

tempo, eram descartados ao ambiente, porém, as fiscalizações ambientais e

principalmente a descoberta do valor econômico destes resíduos como matéria-

prima para outras áreas, fizeram com que fossem desenvolvidos estudos para

melhor serem reaproveitados. De acordo com o Instituto Aço Brasil (2013), em

2013,85 %, desse material já era reaproveitado nos coprodutos.

A escória de aciaria é formada durante o processo de transformação do ferro em

aço, que pode ser feito por meio de sopro de oxigênio ou por arco elétrico. É um dos

resíduos sobre os quais tem sido desenvolvidos vários estudos, pois possui

características que dificulta sua aplicação em alguns segmentos.

1.2. Produção do Aço

Segundo o Instituto Aço Brasil (2015), as usinas de aço podem ser classificadas da

seguinte forma:

Integradas – as que operam em três fases básicas: redução, refino e laminação; participam de todo o processo produtivo e produzem aço.

Semi-integradas – as que operam duas fases: refino e laminação. Estas usinas partem de ferro gusa, ferro esponja ou sucata metálica adquiridas de

terceiros para transformá-los em aço em aciarias elétricas que sofre posterior

laminação.

O fluxograma do processo de produção do aço pode ver visto na figura 1.

9

Figura SEQ Figura \* ARABIC 1 - Fluxograma da produção do Aço.

Fonte: Instituto Aço Brasil, 2015.

1.3. Redução

É a etapa onde ocorre a redução do minério de ferro em um metal líquido, que é

chamado ferro-gusa. Antes que o alto forno seja carregado com a carga, algumas

matérias-primas são preparadas.

Os finos de minério passam por um procedimento de aglomeração, a fim de

melhorar o rendimento no alto forno e diminuir a emissão desses finos para

atmosfera, desses finos durante o processo. Esta etapa é conhecida como

sinterização. O produto formado é denominado como sinter.

O carvão mineral por não possuir resistência suficiente parasuportar as cargas do

alto-forno, necessita de uma etapa decoqueificação formando o coque. Segundo a

Associação Brasileira do Carvão Mineral (ABCM, 2017) o carvão mineral para

siderurgia a coque é denominado carvão coqueificável, que é uma substância

essencial na redução do minério de ferro, pois combina com o oxigênio, na presença

de calcário, gerando dióxido de carbono, ferro e escória. O coque é obtido a partir

10

da destilação do carvão mineral em fornos, na ausência de ar, em um tempo

estabelecido.

O alto forno é carregado com minério de ferro, sinter, o coque e o

calcário.SegundoAraujo (2005), a redução dos óxidos de ferro se processa à medida

que o minério, o agente redutor (coque) e os fundentes (calcário ou dolomito),

descem em contracorrente em relação aos gases, provenientes da queima do

carbono com o oxigênio do ar aquecido soprado pelas ventaneiras.

1.4. Refino

A produção do aço é realizada em convertedores LD ou fornos elétricos. Este

processo de conversão do gusa líquido em aço tem como objetivo:

• A diminuição dos teores de carbono, silício, fósforo, enxofre e nitrogênio a níveis bastante baixos.

• A adição de sucata ou minério de ferro para ajustar a temperatura do aço bruto. • O ajuste dos teores de carbono, manganês, elementos de liga e da temperatura no forno ou

na panela de vazamento. (ARAUJO, 2005, p. 195).

Nas aciarias em que se utilizam o convertedor LD (Linz-Donawitz), ele é carregado

inicialmente com o ferro gusa líquido e uma parte de sucata, e em alguns casos com

aço retornado do processo, uma condição atípica. Depois de carregado, uma lança

é inserida a uma altura determinada para realizar o sopro de oxigênio. Esta etapa

tem como meta diminuir a quantidade percentual de carbono de acordo com o tipo

de aço que está sendo fabricado.Neste processo, o oxigênio entra em contato direto

com o gusa.

Devido à reação instantânea e turbulenta com o ferro e pela combinação do óxido de

ferro com o carbono, para a formação do CO, o banho é submetido a uma agitação

vigorosa na zona de temperatura elevada, perto da lança (ARAUJO, 2005, p. 304).

A escória, resíduo formado, transparece como foi realizado o refino primário, com

relação à quantidade de O2 injetado e de materiais refrigerantes.

Nas aciarias elétricas, o forno elétrico a arco é utilizado para realizar o refino

primário. Neste tipo de processo a carga que é adicionada é composta por sucata e

gusa sólido.Segundo Gorni (2008), no forno elétrico, são empregados três eletrodos,

11

os quais são responsáveis pela formação de arcos elétricos entre suas superfícies e

a carga metálica sólida, gerando calor para a fusão do material. A escória formada

pelos fundentes, óxido de ferro e impurezas dos aços sobrenada na superfíciedo

banho metálico.

Ao final do refino primário, há o vazamento do aço para a panela, para ser

direcionado para próxima etapa. O aço então segue para o refino secundário

dependendo do tipo de meterial que está sendo produzido e do que precisa ser

corrigido. Exemplos de metalurgia secundária empregados são: forno panela, RH –

deseigaficadorà vácuo e o CAS-OB

(CompositionAdjustmentbySealedArgonBubblingProcessandOxygenBlowing).

Figura SEQ Figura \* ARABIC 2 - Fluxograma de uma siderurgia.

Fonte: SAMPAIO, 2006.

Segundo Sampaio (2006) o refino secundário do aço, realizado através do forno

panela, tem como princípio de funcionamento a utilização de energia elétrica para o

aquecimento do aço. Este forno possui vantagens como produtividade, qualidade de

produção e redução de custo. Para essa etapa, o tempo gasto para aquecer o aço

depende da temperatura que foi determinada para liberá-lo para o lingotamento. As

ligas adicionadas têm o objetivo de se atingir a faixa de análise química requerida.

O RH-desgaseificador a vácuo é destinado para a retirada de gases e limpidez dos

aços. Ele consiste na circulação de aço líquido no interior de um vaso onde se faz

vácuo e então são retirados: H2, CO E CO2.

12

Segundo Neves (2008), durante o processo, o carbono no aço combina-se com o

oxigênio dissolvido para formar monóxido de carbono, sendo a reação acelerada sob

condições de vácuo. A taxa de descarburação aumenta quando a pressão é reduzida

e quando a área de reação e taxa de circulação são aumentados.

Nele também são adicionadas ligas metálicas e é feita injeção de O2 também caso

seja necessário para permitir a maior descarburação e o aquecimento do aço.Neves

(2008) ainda diz que, considerando o desgaseificador RH como um reator de mistura

perfeita, se espera que ocorra uma homogeneização tanto térmica quanto química,

e a flotação de inclusões não metálicas devido à recirculação do aço líquido.

CAS-OB é o ajuste da composição pelo borbulhamento com argônio e sopro de

oxigênio. Ele permite a adição de maior número de ferro-liga, dessulfuração e

limpidez dos aços. Este processo oferece adicionalmente a possibilidade de aquecer

o banho por meio da reação química do alumínio em grãos, adicionado

continuamente, pelo sopro com uma lança de oxigênio. A principal diferença é

recuperar a temperatura da corrida, quando ela cair abaixo da recomendada para o

lingotamento, por meio da oxidação do alumínio (ARAUJO, 2005).

Após terminado o refino o aço, este é direcionado para a etapa de lingotamento

contínuo. Segundo Coelho (2013), é o processo pelo qual o metal líquido é

solidificado em um produto semi-acabado no formato de tarugo, bloco, beamblankou

placa.

3.2.3. Laminação

Por fim, a chapa de aço produzido é laminada, a fim de reduzir sua espessura e

conformidade de acordo com o que foi solicitado pelo cliente. São empregados dois

tipos de laminação: a quente e a frio.

Na laminação a quente Borges (2017) diz que o material é aquecido a uma

temperatura elevada (no caso de aços inicia entre 1100 e 1300 ºC e termina entre

700 e 900 ºC), para que seja realizado o chamado desbaste dos lingotes ou placas

fundidas.As chapas aquecidas passam pelos laminadores e trem acabador (série de

laminadores em alturas diferentes), que promovem a redução da sua espessura, e,

13

logo após passar pelo último laminador, ela passa por um resfriamento. Após este

processo o aço pode ser encaminhado para embalagem e ser despachado ou

passar para o processo de laminação a frio, se for necessário.

Figura SEQ Figura \* ARABIC 3 - Laminação a quente.

Fonte: USIMINAS, 2012.

Na laminação a frio,oaço é recebido da laminação a quentecomo chapa grossa e

tem sua espessura reduzida.SegundoBorges (2007),este processo permite produzir

um produto com um acabamento superficial e com tolerâncias dimensionais

superiores quando comparadas com as tiras produzidas por laminação a quente. E

ainda diz que o encruamento pode ser aproveitado para dar maior resistência ao

material. Após o término da laminação o produto é embalado e destinado ao cliente.

14

1.3. Resíduos gerados na produção do Aço.

1.5. Escórias

As escórias produzidas na siderurgia são a escória de alto-forno, de aciaria LD e do

forno-panela. Elas são essenciais para o refino do aço, pois essas são responsáveis

pela absorção dos elementos indesejáveis à formulação do aço, além também de

isolar o banho da atmosfera evitando, assim, a perda da temperatura e a reoxidação

do ferro (LOBATO,2014).

Durante o processo de refino ocorrem as reações de oxidação com as impurezas do

aço como Cálcio, Silício, Fósforo, Manganês, Magnésio formando os sais que

compõe a escória, como pode ser visto na tabela 1.

Tabela 1 – Composição Química (referência).

ELEMENTO ESCÓRIA DE ACIARIA LD Óxido de Cálcio 23-46 Óxido de Magnésio 5-13 Dióxido de Silício 11-15 Óxido de Alumínio 0,8-4 Ferro total 14-22

Fonte:ArcelorMittal, 2015

A composição química da escória revela a quantidade de material refrigerante que foi

utilizado durante o processo de refino, alerta para o desgaste do revestimento

refratário do alto-forno, conversor e a perda de material durante o processo.

1.6. Lamas

As lamas são obtidas no sistema para limpar e tratar os gases que são produzidos e

liberados durante o processo industrial, o que pode ser feito com jatos de água nas

tubulações antes da saída dos gases. Lobato (2014) diz que “devido à quantidade de

particulados contidos nos gases dos processos siderúrgicos, a limpeza das correntes

gasosas acarreta na geração de um resíduo sólido, que neste caso se trata de uma

lama”. As principais lamas geradas são a de alto-forno e a de aciaria LD.

1.7. Pós

15

Os pós são resíduos gerados no tratamento dos gases, via seca, oriundos do alto-

forno e da aciaria elétrica. O pó da etapa de redução é constituído basicamente

segundo Lobato (2014), por óxidos metálicos e materiais carbonosos, e, o pó gerado

durante o processo refino, utilizando fornos elétricos, é rico em zinco, cromo, cádmio

e chumbo, que dificultam o gerenciamento deste resíduo por esses metais

conferirem a ele um teor tóxico. O gerenciamento deste resíduo é importante relativo

tanto ao aspecto ambiental e quanto a produtividade e consumo de matéria-prima.

O pó de alto-forno, também conhecido como pó do balão coletor, segundo Lobato

(2014), consiste no material particulado seco, carregado do alto-forno pelos efluentes

gasosos e retido em um sistema de limpeza à seco de gases.

Já o pó de aciaria elétrica é um resíduo sólido coletado pelos filtros, presente junto

às emissões gasosas liberadas durante o processo de refino primário. É complicado

quantificar os componentes químicos presentes nos pós gerados em fornos elétricos

a arco ou em conversores, pois é altamente variável. Segundo Silva (2006) esta

variação não está ligada somente no dia a dia, de forno para forno, mas também

durante o próprio ciclo operacional de produção de aço. Esta alteração ocorre

principalmente de acordo com o tipo de aço a ser produzido, natureza e a

quantidade de sucata e outros materiais que são adicionados com parte da carga

equipamentos produtores do aço. Na tabela 1 é possível verificar a faixa de

composição que pode ser encontrado nos pós:

Tabela SEQ Tabela \* ARABIC 1 - Composição do pó de aciaria.

16

Fonte:SILVA et al. 2010.

1.8. Carepa

Segundo Pereira et al. (2008) a carepa de aço é um “resíduo sólido gerado na

fabricação do aço, produzido na oxidação da superfície do aço quando este se

encontra a elevada temperatura”. O metal a alta temperatura reage com o oxigênio

formando um óxido com baixa aderência.É um resíduo muito comum na etapa de

laminação a quente.

17

1.4. Características da escória

As propriedades físicas características da escória – granulometria, densidade e

propriedades estruturais – variam de acordo com o processo de resfriamento deste

resíduo. Então pode haver grande variação da composição das escórias, mesmo

sendo produzidas em uma mesma indústria (Rubio e Carretero, 1991).

A expansibilidade é uma característica que dificulta o seu uso na pavimentação

asfáltica, por exemplo, pois forma um asfalto de baixa qualidade. Como há uma

expansão da escória ela provoca trechos de vias estufados, que podem causar

acidentes e manutenção corretiva em curto prazo.

Esta particularidade é causada pelos íons livres que em presença de umidade

reagem e formam os óxidos correspondentes, este composto ocupa um volume

maior, gerando então trincas no pavimento e até possível ruptura devido a essa

expansão. Como exemplo podemos analisar a transformação do CaO e do MgO.

O Óxido de Cálcio, que compõe a escória, se apresenta na forma livre e com isso

ele desenvolve a expansão no material. Segundo Raposo (2005) o CaO livre se

expande durante sua transformação em hidróxido de cálcio, conforme equação (1)

causando desagregação e um aumento de volume de 99,4% em relação ao CaO.

18

Até o momento nenhum comentário
Esta é apenas uma pré-visualização
3 mostrados em 18 páginas
Baixar o documento