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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REI
FLÁVIA APARECIDA ARAÚJO
JOSÉ LUIZ DE SOUZA
SAMUEL LEONARDO SALES
ESTUDO DO REAPROVEITAMENTO DE ESCÓRIA DE LIGA
DE FERRO SÍLICO MANGANÊS NA PRODUÇÃO DE LÃ DE
VIDRO
Ouro Branco
2011
2
Flávia Aparecida Araújo
José Luiz de Souza
Samuel Leonardo Sales
ESTUDO DO REAPROVEITAMENTO DE ESCÓRIA DE LIGA
DE FERRO SÍLICO MANGANÊS NA PRODUÇÃO DE LÃ DE
VIDRO
Trabalho de contextualização e integralização
de curso apresentado ao Curso de Engenharia
Química da Universidade Federal de São João
Del Rei, para obtenção do titulo de bacharel.
Orientador: Prof. MSc. Juan Canellas Bosch Neto
Ouro Branco
2011
3
DEDICATÓRIA
Dedicamos este trabalho a nossos pais, colegas, professores e a nosso orientador.
4
AGRADECIMENTOS
Agradecemos a Deus por nos dar forcas e persistência para a conclusão de mais essa etapa
de nossa formação.
Agradecemos aos nossos pais por sempre nos apoiarem na caminhada, e acreditar que
somos capazes.
Ao nosso orientador Juan Canellas que sabiamente nos guiou durante nosso trabalho.
A todos os professores do curso de Engenharia Química da Universidade Federal de São
João Del Rei pelo conhecimento transmitido, pelas oportunidades e incentivos.
5
RESUMO
A reciclagem de resíduos sólidos industriais desempenha um importante papel na
economia de matérias-primas brutas e na diminuição da quantidade de resíduos descartados
no meio ambiente. Este trabalho visa apresentar uma revisão bibliográfica da produção de lã
de vidro a partir de escória de ferro silício manganês. Este resíduo em questão possui
características químicas que propiciam a adição destes resíduos em formulações de lãs
minerais. Os resultados encontrados neste trabalho mostram que a reciclagem dos resíduos
para a produção de lãs minerais é bastante promissora, pois o reaproveitamento da escória de
ferro silício manganês, pode permitir a transformação destes resíduos em subprodutos através
da incorporação dos resíduos na produção de lã mineral, que possui amplo mercado como
isolante térmico, acústico e inibidor de propagação de chamas.
6
ABSTRACT
The recycling of industrial solid waste plays an important role in the economy of raw
materials and decreasing the amount of waste disposed in the invironment. This paper
presents a literature review of the production of glass wool from slag from
ferrosilicon manganese. This residue in question has chemical characteristics that allow
the addition of these residues in the formulation of mineral wool. The findings of this
study show that the recycling of waste for the production of mineral wool is very
promising for the reuse of slag from ferrosilicon manganese, may allow the conversion
of waste products through the incorporation of waste in the production of mineral wool, that
has broad market as thermal, acoustic and inhibiting the spread of flames.
7
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Representação de um forno elétrico de redução (FER)
utilizado para fabricação de ligas de manganês 13
Figura 2: Esquema de abertura dos fornos de redução 14
Figura 3: Representação esquemática do estado do FER em função da
temperatura 15
Figura 4: Descrição esquemática do processo e suas interações
térmicas, químicas e elétricas. 16
Figura 5: Fluxograma esquemático da produção de FeSiMn
reutilizando a escória de FeSiMnAC 22
Figura 6: Técnica Melt Spinning de produção de lã de vidro 25
Figura 7: Lã de vidro usada em isolamento de dutos de ar condicionado 27
Figura 8: Lã de vidro usada no isolamento térmico de tubulações. 28
Figura 9: Lã de vidro em formato de painéis usada no isolamento
acústico. 29
8
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Composição química do ferromanganês 12
Tabela 2: Características fisico-quimicas da lã de vidro 28
9
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................................10
2. OBJETIVO ..................................................................................................................................11
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...........................................................................................................12
3.1. Liga de ferro ......................................................................................................................12
3.2. Produção da Liga de Manganês Ferro Sílico........................................................................14
3.3. Escória ...............................................................................................................................21
3.3.1. Escória de Liga de Ferro Sílico Manganês .................................................................22
3.3.2. Reaproveitamento de Escórias ...................................................................................24
3.4. Lã de Vidro ........................................................................................................................25
3.4.1. Produção de Lãs de Vidro .........................................................................................25
3.4.2. Propriedades e Aplicações das Lãs de Vidro ..............................................................27
3.4.3. Performance Térmica.................................................................................................28
3.4.4. Performance Acústica ................................................................................................30
4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................................32
10
1. INTRODUÇÃO
A preocupação com o meio ambiente concomitantemente com a busca por um meio
produtivo cada vez mais eficaz e com o mínimo de perdas possível leva ao desenvolvimento
de novas técnicas de produção que atenda a estas exigências de mercado.
O aproveitamento de resíduos produtivos é visto como uma oportunidade de
otimização de processos de diversas empresas, pois, além do aspecto econômico é uma boa
tática de marketing utilizada por diversos fabricantes de produtos industrializados (ALVES,
2008), além de diminuir a quantidade de resíduos jogados no ambiente bem como a
exploração de recursos naturais (RODRIGUES, 2009).
As escórias de aciaria podem ser utilizadas como matéria prima da produção de
cimento, asfalto (ANDRADE; ALVARENGA; MENDONÇA; FERREIRA, 2010), correção
de solo para agricultura (CARVALHO-PUPATO; BÜLL; SUSCIOL; MAUAD; SILVA,
2003), produção de lã mineral (RODRIGUES, 2009) entre outros.
Quanto a escórias provenientes da produção de ligas de ferro manganês, quando estas
são derivadas da produção de liga de manganês ferro sílico alto carbono (ACFeSiMn),
chamada de escória rica, por conter alto teor de carbono reaproveitável, ela pode ser
reinserida no próprio processo para a produção de liga de manganês ferro sílico com teor de
carbono mais baixo (FeSiMn) (RODRIGUES, 2009).
Geralmente a escória proveniente da FeSiMn é descartada (HOLAPA, XIAO, 2004),
porém, dependendo da composição, que pode variar de acordo com o método de produção
utilizado, ela pode ser reaproveitada para a produção de aços com baixo teor de manganês e
no revestimento de pavimentos (DEMIDOV, 2004).
O presente trabalho pretende fazer um estudo sobre o reaproveitamento da liga de
manganês ferro sílico na produção de lã de vidro, que é um material que possui uma vasta
gama de aplicações como isolante térmico e/ou acústico, proteção contra incêndios entre
outros, dependendo de sua composição (RODRIGUES, 2009).
11
2. OBJETIVO
Este trabalho pretende apresentar um estudo da viabilidade da produção de lã de
vidro a partir do reaproveitamento da escória de liga de manganês ferro sílico.
12
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1. Liga de ferro
O uso de ligas de manganês é uma prática importante e comum na fabricação de
aços. Essas ligas são incorporadas ao aço a fim de melhorar suas propriedades como
desoxidação e dureza. O manganês é utilizado como elemento de liga e desoxidante
moderado (FARIA, REIS, ARAÚJO, VIEIRA, KRÜGER, JÚNIO, 2008). Em aços com baixo
carbono (C), o Mn residual aumenta a sua dureza e resistência. Como elemento de liga, o Mn
permite a fabricação dos chamados aços manganês austeníticos, com elevada dureza
superficial. Em aços para confecção de ferramentas, a presença de Mn melhora a sua
temperabilidade e em associação com o enxofre, o manganês é utilizado nos aços de usinagem
fácil. As ligas são mais eficazes do que metais puros, pois tem menor ponto de fusão,
densidade e custo de produção (Manual RDM, 2005).
A produção de Ferroligas no Brasil iniciou-se em Minas Gerais em 1906, com a
fabricação de ferro-manganês em um forno monofásico, na Escola de Minas de Ouro Preto.
Apos a interrupção da operação desse forno, em 1909, somente a partir de 1935 reiniciou-se a
produção de ferroligas, com a instalação de um forno de 3.500 kVA, para fabricação de ferro-
silício 45% e ferro-manganês, pela Companhia Brasileira de Carbureto de Cálcio. Segue-se a
produção de ferro-níquel, em 1937, na localidade de Liberdade em Minas Gerais, pela Cia.
Nickel do Brasil. Em 1938, a Eletroquímica Brasileira iniciou a elaboração de ferro-manganês
em Ouro Preto, seguida da instalação da Cia. Nacional de Ferroligas, em 1940, no município
de Honório Gurgel no Rio de Janeiro, com potência instalada de 6.500 kVA, para fabricação
de FeSi45, FeMn e FeSi 90%. (CEMIG, 1990).
Tendo sido o ponto de partida da produção brasileira de ferroligas, Minas Gerais
manteve, ao longo dos anos, participação significativa no contexto nacional. A instalação das
indústrias de ferroligas no Estado deveu-se a conjugação de fatores favoráveis que o Estado
oferecia. Ao lado da tradição nos setores de siderurgia e mineração, a Indústria de Ferroligas
encontrou em Minas Gerais reservas florestais de porte e tradição na fabricação de carvão,
13
além do grande potencial hidroelétrico. Assegurava-se, assim, o fornecimento dos principais
insumos necessários para o desenvolvimento desse setor no Estado. (CEMIG, 1990).
É sabido que a produção de FeSiMn ou FeMnAC (Ferro Manganês Alto Carbono) é
feita a partir de redução carbotérmica do minério de manganês em altas temperaturas em
fornos de arco elétrico (EAF). A liga FeMnAC também pode ser produzida em altos-fornos.
No entanto, este alto-forno produzindo liga representa apenas uma pequena parte do FeMnAC
produzido mundial.
Para a produção de FeMnAC, a mistura de minério de manganês deve conter alta em relação
ao teor de ferro (7:1). Além disso, a mistura deve conter sílica suficiente para formar uma
escória com manganês e óxido de alumina suficientes para assegurar que, a partir desta
escória, pode-se produzir FeSiMn.
De acordo com a norma da ABNT para produção de FeMnAC, NBR 5911, a
produção dessa liga segue os parametros descritos na Tabela 1.
Tabela 3: Composição química do ferromanganês
Fonte – (ABRAFE, 2004)
Elemento
Composição Química em função da classe
FeMn-A1 FeMn-A2 FeMn-M1 FeMn-M2 FeMn-4 FeMn-B1 FeMn-B2
Manganês 74 – 78 70 – 74 80 – 85 75 – 80 80 – 85 80 – 85 74 – 78
Carbono 7,5 máx. 7,5 máx. 1,5 máx. 2,0 máx. 1,0 máx. 0,1 máx. 0,1 máx.
Silicio 1,5 máx. 1,5 máx. 1,5 máx. 2,0 máx. 2,0 máx. 2,0 máx. 2,0 máx.
Fósforo 0,4 máx. 0,4 máx. 0,4 máx. 0,4 máx. 0,4 máx. 0,4 máx. 0,4 máx.
Enxofre 0,03 máx. 0,03 máx. 0,03 máx. 0,03 máx. 0,03 máx. 0,03 máx. 0,03 máx.
Segundo ABRAFE ( Associação Brasileira de FerroLigas) o metal mais fabricadoe
comercializado é o FeMn – A1.
Dentre os produtos o mais comercializado é o FeSiMn 12/16, ou seja com teor de Si
entre 12 e 16%. (ABRAFE, 2004).
14
3.2. Produção da Liga de Manganês Ferro Sílico
O Forno Elétrico de Redução, onde são produzidas as ligas, é um reator na forma de
um tronco de cone invertido, revestido internamente de refratários e isolantes térmicos, que
tem como principal característica a geração de energia por efeito Joule. No forno, cuja
representação esquemática é mostrada na Figura 1, as matérias-primas são alimentadas pela
parte superior, os produtos líquidos (escória e ferroliga) são recolhidos na parte inferior,
denominada cadinho e o gás produzido no processo é eliminado através de aberturas
existentes na abobada e direcionados ao sistema de despoeiramento.
Figura 1: Representação de um forno elétrico de redução (FER) utilizado para fabricação de ligas de
manganês.
Fonte - Manual Técnico RDM, 2005.
A energia elétrica, que por efeito Joule gera o calor necessário para o processo, é
introduzida no forno através de três eletrodos que são produzidos, continuamente, durante o
processo, pelo cozimento de pasta carbônica, em altas temperaturas. O triangulo formado
pelos eletrodos esta inscrito em um circulo cujo diâmetro, denominado "diâmetro do circulo
15
primitivo", é preestabelecido, dentre outros fatores, em função da ferroliga que se deseja
produzir e é um elemento importante para o projeto do forno.
O FER pode ser classificado de acordo com os seguintes tipos: aberto, semi-aberto e
fechado. A utilização de um dos tipos depende, em principio, da ferroliga que será produzida
é das restrições relacionadas com a proteção ambiental, uma vez que os gases gerados no
processo normalmente são tóxicos. A Figura 2 mostra o esquema de abertura dos três tipos de
fornos.
Figura 2: Esquema de abertura dos fornos de redução.
Fonte – Manual Técnico RDM, 2005.
O processo de produção consiste na alimentação contínua, através das bocas de
carregamento situadas na parte superior do forno, de uma mistura de minérios de manganês,
fundentes e redutor. A quantidade de cada componente da mistura e calculada previamente,
quando se realiza o balanço de massas do processo. À medida que a carga desce no interior do
forno, ela sofre um aumento gradual de temperatura que favorece as reações químicas
importantes para o processo. Esse aquecimento e realizado, predominantemente, pelos gases
quentes gerados na parte inferior do forno. Ao atingir as temperaturas mais elevadas, que
variam com o tipo de liga, a carga, exceção feita ao carbono, amolece e funde. Os líquido
produzidos, ferroliga e escoria, depositam-se no cadinho, onde ocorre a separação dos dois
por diferença de densidades. Em intervalos de tempo preestabelecidos, a liga e a escória são
16
esgotadas do forno através de um furo, denominado "furo de corrida", situado no cadinho. Um
esquema do estado interno da carga no interior do forno, em função da temperatura, e
apresentado na Figura 3.
Figura 3: Representação esquemática do estado do FER em função da temperatura.
Fonte – Manual Técnico RDM, 2005.
Na descrição apresentada acima, identificam-se dois pontos básicos: reações químicas
e aquecimento da carga desde a temperatura ambiente até a temperatura de fusão. Os dois
pontos são igualmente importantes. As reações químicas, porque transformam as matérias-
primas no produto de interesse. O aquecimento, porque permite acelerar as reações químicas e
colocar o produto numa forma adequada de recuperação. Então, a eficiência do aquecimento
e, em parte, responsável pela eficiência do processo, uma vez que esta diretamente ligada à
velocidade das reações químicas.
Outro ponto importante para compreensão dos fenômenos que ocorrem durante a
produção do ferro-liga e que o FER, idealmente, pode ser dividido em duas regiões distintas,
denominadas zona de preparação e zona de elaboração de carga. Na zona de preparação,
localizada na parte superior do forno, a carga e aquecida, perde água de hidratação e
carbonatos e no contato com o monóxido de carbono aquecido, proveniente das regiões mais
baixas do forno, sofre redução dos óxidos superiores. Na zona de elaboração, situada na parte
inferior do forno, a carga é amolecida e fundida, o carbono reduz os óxidos ainda passiveis de
redução, e o equilíbrio escoria-liga se forma. A distinção entre as duas regiões é que a reação
de regeneração do dióxido de carbono através da gaseificação do carbono, conhecida como
17
reação de Boudouard ou de “solution loss” (C(s) + CO2(g) = 2CO(g)), não ocorre na zona de
preparação e é espontânea na zona de elaboração. Toda redução que ocorre na primeira não
consumira carbono, diferentemente do que ocorre na segunda. Qualquer distúrbio da
"idealidade" pode provocar uma operação irregular, elevando os consumos específicos dos
diversos insumos, afetando também a qualidade da liga produzida.
Assim sendo, fica claro que deve haver, no interior do forno, uma eficiente troca de
calor e massa entre os gases quentes que sobem no forno e a carga que desce. Para que isso
aconteça, os gases devem percolar o leito de matérias-primas de uma maneira regular e
homogênea. Isso só é possível quando as partículas que compõem o leito tem distribuição
granulométrica adequada, são isentas de finos e tem baixa degradação por efeito térmico e
químico. Em outras palavras, a carga deve ter uma permeabilidade adequada. A Figura 4
descreve o interior de forno e as interações térmicas, químicas e elétricas.
Figura 4: Descrição esquemática do processo e suas interações térmicas, químicas e elétricas.
Fonte – Manual Técnico RDM, 2005.
Alem disso, como a maior parte da energia necessária ao processo e gerada por efeito
Joule, obtida pela circulação da corrente elétrica através da carga, essa devera ter também
propriedades elétricas adequadas, de maneira que haja energia suficiente para as reações,
aquecimento e fusão.
O único mecanismo responsável por separar a liga de escória é diferenciação de
densidade. Como o volume de escória varia de lote para lote, existe uma porção superior da
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liga, perto da região de escória pura, que é muitas vezes contaminados por ele. A liga está em
contato constante com a escória, e uma fração da escória solidifica dentro das camadas de liga
de sobreposição de lotes subseqüentes depositados em uma poça de solidificação.
As matérias-primas adequadas e de boa qualidade são necessárias para uma eficiente
produção de FeMnAC e FeSiMn em FER, de acordo com as especificações desejadas pelo
mercado . A composição química da mistura de minérios de manganês ira, em larga extensão,
determinar a qualidade da liga e o volume e composição da escória gerada e sua subsequente
utilização (LÚCIO, 1978).
A granulometria da carga e a quantidade de finos presentes têm um significante efeito
sobre as condições de operação, rendimento elétrico do forno e recuperação de manganês.
Esse aspecto torna-se mais relevante quanto maior for a capacidade do forno. Os finos baixam
marcadamente a permeabilidade da carga, causando uma inadequada distribuição dos gases,
perdas elevadas na poeira e também formação de pontes ou crostas, as quais podem resultar
em erupções e ate mesmo explosões, principalmente na produção de FeMnAC. Nos FER, as
propriedades da carga que afetam o escoamento gasoso, e em particular da carga metálica,
apesar de serem diferentes do ponto de vista conceitual, estão relacionadas à quantidade de
finos gerados no processo. As principais propriedades são mostradas a seguir:
• resistência mecânica: mede a quantidade de finos gerados devido ao manuseio e
transporte (queda, compressão, abrasão, etc.);
• crepitação: mede a quantidade de finos gerada por efeito térmico;
• degradação sob redução: mede a quantidade de finos gerada pela ação química do
gás (reação de redução).
Segundo Lúcio (1978), outra propriedade importante da carga é a resistividade
elétrica, que interfere de uma maneira significativa no controle operacional, no consumo de
energia do processo e consequentemente na produtividade do forno. Idealmente, o calor
gerado por efeito Joule deve ser limitado à região na ponta dos eletrodos, onde estão parte da
escória e parte da região constituída pelo carvão e a carga amolecida.
Acima dessa região não deve haver circulação de corrente. Quanto mais alta a
resistividade elétrica da carga mais se aproxima dessa condição ideal. Quando a resistividade
e pequena, a corrente pode circular por todo o forno e comprometer o controle operacional do
processo, devido à dificuldade de manutenção dos eletrodos na parte inferior do forno.
19
A redutibilidade e uma propriedade importante da carga metálica. Ela esta relacionada
com a facilidade de remoção de oxigênio pela ação de um agente redutor. Na produção de
ligas de manganês, a redução dos óxidos de manganês, na região seca do forno, considerando
a redução pelo CO(g), se dá através da seguinte sequencia de reações:
6MnO2(s) + 3CO(g) → 3Mn2O3(s) + 3CO2(g)
3Mn2O3(s) + CO(g) → 2Mn3O4(s) + CO2(g)
2Mn3O4(s) + 2CO(g) → 6MnO(s) + 2CO2(g)
Nas condições termodinâmicas existentes na cuba do FER, é impossível a redução do
MnO para Mn. Da mesma forma, existe a possibilidade termodinâmica dos 29 óxidos
superiores de manganês acima serem reduzidos pelo CO na zona de preparação do forno,
portanto, sem consumo de carbono (não há reação de “solution loss”).
Isto explica a importância da redutibilidade dos portadores de manganês no consumo
de redutor do forno. Se a redutibilidade e elevada, todo o oxigênio possível de ser extraído o
será na zona de preparação do forno. Caso contrário, se a redutibilidade for baixa, o oxigênio
residual entrará na zona de elaboração, onde toda redução gasosa se dá através de consumo de
carbono, aumentando, pois, o consumo de redutor. (LÚCIO, 1978).
Na etapa de redução, consomem-se redutores (carvão vegetal, coque, carvão mineral
cavacos de madeira, etc.) e energia elétrica para geração de calor. As outras etapas do
processo consomem basicamente energia elétrica para fins motrizes e, eventualmente,
combustíveis líquido para geração de calor.
A energia elétrica para fins de geração de calor nos fornos elétricos representa, com
freqüência, mais de 95% da energia elétrica consumida pela planta de fabricação de ferroligas.
A iluminação e motores elétricos representam o consumo restante. Quando se emprega
depuração de gases, esta operação e responsável por 5 a 10% do consumo.
Quando se utiliza, nos fornos elétricos, eletrodos de carbono pré-cozido (carbono
amorfo ou grafita), emprega-se o óleo combustível em fornos, para cozimento de eletrodos.
Quando se trata de eletrodos de grafita, procede-se a etapa de grafitizacão em fornos elétricos
a resistência.
20
Na operação de redução, é necessário fornecimento de energia para fusão da carga,
suprimento das reações endotérmicas e perdas. Nos casos em que a redução é endotérmica,
como ocorre quando se utiliza o carbono como redutor, ou exotérmica sem suficiente
desprendimento de energia para conduzir a fusão redutora (como no processo sílico térmico),
a energia externa é normalmente introduzida sob a forma de energia elétrica. Quando se
utiliza o carbono como redutor, parte da energia é fornecida pela oxidação do carbono ao se
transformar em CO ou CO2, desprendidos pelo topo do forno. Nos casos dos processos sílico
térmico e alumino térmico, a oxidação do ferro silício ou silício metálico e do pó de alumínio
fornece energia térmica ao processo, liberando boa parte da eletricidade utilizada na
produção.
Em um forno elétrico a arco submerso, as perdas de energia ocorrem normalmente sob
as seguintes formas:
• perdas térmicas através das paredes dos fornos;
• perdas térmicas na superfície superior da carga e eletrodos, tanto em fornos abertos,
como nos semi-fechados;
• perdas de materiais por volatilização;
• perdas elétricas no circuito de alimentação do forno;
• perdas pelo sistema da água de refrigeração das placas, anéis de pressão, abobada e
extremidade de tubos de alimentação;
• perdas pelos gases sob forma de entalpia e energia correspondente ao poder
calorífico.
Cabe ressaltar que o valor da energia necessária ao processo é função de uma serie de
variáveis tais como características construtivas dos fornos, material processado (tipo de
matéria-prima) e práticas operacionais.
21
3.3. Escória
Escórias são resíduos gerados pelas indústrias de ferro e aço que apresentam em suas
composições metais provenientes do processo de redução do ferro para a produção de aço ou
ferro-liga (CARVALHO-PUPATO; BÜLL; CRUSCIOL; MAUAD; SILMA, 2003). Estes
metais se apresentam na escória na forma de óxidos como: MnO, SiO2, CaO, MgO, Al2O3,
P2O5, Na2O, K2O, FeO e enxofre (LIMA, ROCHA, RIBEIRO, 2000); alem de incorporar
todas as impurezas indesejáveis do processo (ANDRADE; ALVARENGA; MENDONÇA;
FERREIRA, 2010) e proteger o metal do contato direto com o ambiente, ela controla as
perdas de temperatura para o meio (SILVA, 1998).
Porém, a escória não é um sub-produto que ocorre de forma descontrolada. Para
garantir a uma maior eficiência do processo a partir da remoção das impurezas e a separação
dos compostos indesejáveis assim como a própria separação da escória do metal, é necessário
controlar cuidadosamente as propriedades da escória, tais como, viscosidade, ponto de fusão,
densidade e tensão superficial (SILVA, 1998). Assim, adições de fundentes e formadores de
escória são utilizados em, essencialmente, todos os processos metalúrgicos.
Outras características da escória como densidade, porosidade e granulometria podem
variar de acordo com a composição química e pelo processo de resfriamento da mesma
(LIMA; ROCHA; RIBEIRO, 2000).
As escórias geradas nos auto-fornos são, em geral, separadas do produto principal
pelo processo Skimmer, onde o único mecanismo de separação entre a escória e a liga é a
diferença de densidade. Neste processo a escória, menos densa, é coletada por um canal
superior e a liga por um canal mais abaixo. O volume de liga obtida durante um processo de
produção siderúrgico varia de acordo com o processo utilizado e o tipo de produto produzido
(FARIA; REIS; ARAÚJO; VIEIRA; KRÜGER; JÚNIOR, 2008).
Moreira (2006) afirma que as propriedades fundamentais das escórias dependem da
hidraulicidade, capacidade de alguns de seus óxidos reagirem em meio saturado, formando
sais insolúveis e estáveis, que por sua vez depende de sua composição química e
principalmente da sua forma de obtenção, seja no estado sólido vítreo resfriado ou no estado
sólido cristalino resfriado. Do ponto de vista mineralógico, pode-se dizer que as escórias são
22
menos inertes geoquimicamente que os agregados naturais. As escórias de Alto-Forno podem
ser vistas geologicamente como sendo rochas metamórficas basálticas e silicíticas
(ANDRADE; ALVARENGA; MENDONÇA; FERREIRA, 2010).
Dois tipos principais de escórias são produzidos em larga escala em todo o mundo:
• Escória de alto-forno: é proveniente da fusão e redução dos minérios para obtenção
do ferro gusa ou liga metálica, obtido diretamente do alto forno, em geral com
elevado teor de carbono e várias impurezas;
• Aciaria: são obtidas em fornos elétricos e conversores a oxigênio, durante a
conversão de sucata em aço. Estas escórias podem ser classificadas como
oxidantes, produzidas pela injeção de oxigênio no aço fundido para oxidar carbono,
silício e enxofre, ou como redutoras, geradas após o vazamento da escória oxidada
através da adição de óxido de cálcio (CaO) e de fluorita (CaF2). Estes dois
compostos são injetados no processo para dessulfurar o aço líquido e adicionar
elementos de liga (ANDRADE; ALVARENGA; MENDONÇA; FERREIRA,
2010).
Diversos estudos apresentam mais detalhadamente as características, geração e uso
das escórias de aciaria, neste trabalho, porém, maior atenção será dada à escória de alto-forno,
especialmente a produzida a partir do processo produtivo da liga de ferro sílico manganês.
3.3.1. Escória de Liga de Ferro Sílico Manganês
Durante o processo produtivo de FeMnAC, dois tipos de escória podem ser
produzidos, a escória rica e escoria pobre.
A diferença entre elas é que a escória rica geralmente serve como matéria prima para
a fabricação de FeSiMn, chegando a proporção de 40-50% da carga do alto-forno dependendo
da qualidade da liga a ser produzida. A Figura 5 mostra, esquematicamente, como a escória
rica entra no processo de produção da FeSiMn.
23
Figura 5: Fluxograma esquemático da produção de FeSiMn reutilizando a escória de FeSiMnAC.
Fonte – (ANDRADE; ALVARENGA; MENDOÇA; FERREIRA, 2009).
O motivo do reaproveitamento da escória rica no processo produtivo de FeSiMn
reside no fato de esta conter em sua composição 38% de MnO, que é reduzido no processo de
reaproveitamento e se tornando componente da nova liga.
Já a escória pobre devido a sua baixa proporção de MnO, em torno de 20-22%, o que
equivale a 16-17% de Mn, não se caracteriza como material de refluxo do sistema e seu
reaproveitamento, geralmente, se dá em pavimentação de estradas rurais e lastros, entre
outros.
Em algumas empresas, uma pequena fração de escória pobre retorna ao sistema de
produção de FeMnAc com a única finalidade de agente formador de escória. O que vai
discernir entre a utilização e a não utilização deste refluxo é a porcentagem de alumina e
fósforo com a qual o alto-forno é alimentado.
Tanto no processo de produção das escórias ricas quanto pobres, é comum encontrar
um percentual de 3-5% de Mn na forma metálica, que pode ser recuperado por operações de
jigagem ou mesmo ser retirado manualmente (LIMA; ROCHA; RIBEIRO, 2000).
24
3.3.2. Reaproveitamento de Escórias
A escória da produção da liga FeMnAC é reaproveitada no processo de produção da
FeSiMn, a escória gerada deste tipo de liga é geralmente descartada ou utilizada na
pavimentação de estradas rurais (RODRIGUES, 2009). No Brasil esta reutilização da escória
de FeSiMn é regulamentada pelo Departamento Nacional de Estrada de Rodagem (DNER) e
deve obedecer os seguintes limites:
• Máximo de 3,0 % de expansão;
• Isentas de impurezas orgânicas, contaminação com escórias de alto forno, solos e
outros materiais;
• Granulometria: 40,0 % até 12,7 mm e 60,0 % entre 12,7 e 50,8 mm de abertura
nominal e atender a granulometria de projeto;
• Absorção de água: 1,0 % a 2,0 % em peso;
• Massa específica: 3,0 a 3,5 g/cm3;
• Massa unitária: 1,5 a 1,7 kg/dm3;
• Desgaste por abrasão Los Angeles: no máximo igual a 25,0 % para sub-base, base e
revestimento;
• Durabilidade ao sulfato de sódio: 0,0 % a 5,0 %, em 5 ciclos. (ANDRADE;
ALVARENGA; MENDONÇA; FERREIRA 2010)
Apesar de a pavimentação ser o destino mais difundido para o reaproveitamento da
escória de FeSiMn, Demidov et al., relatou em seus estudos haver a possibilidade da
utilização deste tipo de escória na produção de aço com baixo teor de manganês (RODRIGES,
2009).
25
3.4. Lã de Vidro
Vidros ou materiais são definidos como sendo sólidos amorfos que exibem transições
vítreas. Os vidros podem ser obtidos a partir da fusão de materiais inorgânicos resfriados sem
cristalização ou orgânicos como o glicerol (ROCHA, 1998).
A lã mineral é um nome usualmente empregado para descrever materiais inorgânicos
de isolamento feito de fibras. Dependendo da matéria-prima a partir da qual foi feito, a lã
mineral se divide em alguns grupos: a lã de rocha, lã de vidro e lã de escória, sendo a
fabricação feita a partir de vidro, rocha ou outro material (ROCHA, 1998).
As lãs de vidro, escória possuem mercado consumidor tanto industrial como
residencial, com destaque para o isolamento termo-acústico. Tais materiais possuem estrutura
vítrea e como tal, suportam quantidades de diferentes elementos em solução, sendo, portanto,
ideais para assimilar escórias complexas em suas composições. Tal fato faz com que estes
materiais possam ser utilizados como uma forma de reaproveitamento de resíduos industriais
(FERREIRA et al., 2002-a)
As escórias metalúrgicas ricas em sílica podem ser refundidas com adição de
calcário, dolomita ou cascalho e areia, e resfriadas rapidamente para obtenção de lã mineral
(MOURA, 2000).
Há diversos tipos de lã mineral (vidro, escória, cerâmica, rocha, amianto). A
aplicação de todas é semelhante, entretanto, as lãs de amianto e cerâmica se encontram em
desuso em virtude da ligação com doenças como o câncer.
3.4.1. Produção de Lãs de Vidro
O processo de produção da lã mineral varia somente em função de qual matéria-
prima está sendo utilizada: vidro, rocha, escória de aciaria. Na produção de lã de vidro,
utiliza-se o vidro fundido, carbonato de sódio e cal. A matéria-prima principal é o vidro
borossilicato (fabricado através da adição de boro aos componentes tradicionais do vidro),
26
além de outros componentes que são utilizados para proporcionar características específicas
(BUCK, 1997; ROCHA, 1998; TRDIC et al., 1999).
A lã de rocha emprega como matéria-prima principal as rochas basálticas. Pode ser
necessário a utilização de calcário ou outros materiais para corrigir possíveis desvios na
composição química do basalto (DNPM, 2001; JURY, 1997; DRDIC et al., 1999).
A lã de escória apresenta como matéria-prima principal a escória de aciaria oriunda
do processo de produção de metais, sendo que é realizado um ajuste da composição química
com outras matérias primas quando necessário. A lã de escória contém em sua composição
pouco sódio (BUCK, 1997).
A produção das lãs inicia-se com a fusão das matérias primas. São usados fornos
especiais para tal objetivo, já que se necessita de temperaturas entre 1400 °C e 1500 °C. Sob
pressão de um gás (argônio ou nitrogênio) o material fundido é ejetado por orifícios sobre um
cilindro de metal resfriado, que gira com determinada velocidade angular. O material
resfriado origina as fibras, que são extraídas dos cilindros através de um jato de ar e lançadas
em uma câmara coletora, na qual são pulverizadas com aglutinante. Esta técnica é
denominada Melt Spinning (LABRINCHA, 2006; ROCHA, 1998; TRDIC et al., 1999;
UEDA et al., 1999).
A Figura 6 ilustra a técnica Melt Spinning.
Figura 6: Técnica Melt Spinning de produção de lã de vidro.
Fonte - University of Birminghan, Magnetic Materials group, 2011.
27
Após o material passar pelo processo de Melt Spinning, a camada de lã é colocada em
uma estufa de cura, sendo exposta a ar quente a temperaturas entre 250°C e 285°C, e
comprimida por cilindros até a espessura desejada.
Por fim, a lã é moldada e embalada de acordo com as especificações dos clientes. Caso
queira dar um melhor acabamento, as lãs podem ser revestidas com um material de PVC (
LABRINCHA, 2006; TERMOLAN, 2005).
Os resíduos gerados na produção das lãs são classificados como Classe II-A, não
perigoso e inerte, de acordo com a NBR 10004:2004 (BORGES, 2007; ISOVER, 2007).
3.4.2. Propriedades e Aplicações das Lãs de Vidro
Por suas propriedades físico-químicas, a lã de vidro é considerada como um dos mais
tradicionais isolantes térmicos da atualidade em todo o mundo. Ela tem papel importante na
construção civil, contribuindo para a obtenção de conforto térmico e acústico de edificações
residenciais e comerciais, além de atender também às indústrias automotivas e
eletroeletrônicas (LABRINCHA, 2006).
Um isolamento térmico nas edificações possibilita o uso racional de energia,
principalmente nos sistemas de ar-condicionado, pois se pode usar um equipamento de menor
porte que mesmo assim terá uma resposta eficaz.
Normalmente a lã de vidro é comercializada em rolos e em painéis. A densidade e
espessura da mesma variam, adequando-se a cada necessidade.
As principais características das lãs de vidro são (DNPM, 2001; ISOVER, 2005;
LABRINCHA, 2006):
• São leves, fáceis de manusear e de cortar;
• São incombustíveis, portanto, evitam a propagação das chamas e o risco de
incêndio;
• Reduzem o consumo de energia do sistema de ar condicionado;
• Não atacam as superfícies com as quais estão em contato;
• Não favorecem a proliferação de fungos ou bactérias;
• Não se deterioram nem apodrece;
28
• Não são atacadas nem destruídas pela ação de roedores;
• Não têm seu desempenho comprometido quando expostas à maresia;
• Suas capacidades isolantes não diminuem com o passar do tempo.
3.4.3. Performance Térmica
A performance térmica do isolante é avaliada de acordo com a resistência térmica que
o mesmo propicia à passagem de calor. Conhecidos a condutividade térmica do isolante e sua
espessura, é possível determinar a resistência térmica que o mesmo propiciará a passagem de
calor (LABRINCHA, 2006).
A Figura 7 é um modelo de lã de vidro muito usado no isolamento de dutos de ar
condicionado. Nesse caso a lã de vidro é revestida de um camada fina de alumínio que
proporciona um maior isolamento, além de garantir a integridade da mesma.
Figura 7: Lã de vidro usada em isolamento de dutos de ar condicionado.
Fonte - ITM Inova, 2011.
Alguns modelos de lã de vidro podem ser fabricados para que possam ser utilizados
como isolantes térmicos em tubulações com diâmetros nominais desde 1/2" até 16", e
temperaturas que variam de 200°C a 450°C. Esse tipo de lã de vidro está descrito na Figura 8.
29
Figura 8: Lã de vidro usada no isolamento térmico de tubulações.
Fonte - Klimasul, 2011.
Graças a seus baixos coeficientes de condutividade térmica, combinados com
espessuras e densidades adequadas a lã de vidro é conhecida mundialmente como excelente
isolante térmico de equipamentos industriais, dutos de ar condicionado, caldeiras, fornos,
tubulações, telhados, suportando temperaturas de até 450ºC (LABRINCHA, 2006).
Os principais fatores que influenciam na condutividade térmica da lã de vidro são:
• Composição química do material, ou seja, materiais diferentes terão condutividade
térmica diferentes;
• Características físicas: materiais porosos (espumas) ou fibrosos (lã de vidro);
• Densidade, onde geralmente os materiais mais densos apresentam uma
condutividade térmica mais baixa.
Na tabela 1 estão ilustrados alguns valores de resistência térmica para a Lã de
vidro:
Tabela 4: Características fisico-quimicas da lã de vidro
Fonte – Elaborada pelo autor
Densidade
(Kg/m3)
Espessura
(mm)
Condutividade
térmica K (W/m ºC )
Temp. méd. = 24ºC
Resistência térmica -
R
(m2 º C/W )
12 50 0,045 1,11
20 50 0,038 1,32
35 50 0,034 1,47
12 75 0,045 1,67
30
3.4.4. Performance Acústica
A lã de vidro é um dos materiais mais usados para o isolamento acústico por ser um
material fibroso, poroso. Ao ser colocada nas paredes, a lã de vidro forma uma barreira que
evita a transferência de uma onda sonora (ruído) de um ambiente para outro. É muito utilizada
principalmente em cinemas, forros, caixas acústicas, estúdios, etc. (LABRINCHA, 2006).
Um modelo de lã de vidro usada para um isolamento acústico está descrito na Figura
9. É muito usual que ela seja fabricada em painéis, facilitando o uso principalmente quando é
colocada em paredes ou tetos.
Figura 9: Lã de vidro em formato de painéis usada no isolamento acústico.
Fonte - FIBRABEN – Soluções em Isolantes Térmicos e Acústicos, 2011.
Quando uma onda sonora entrar em contato com a lã de vidro, essa onda será
absorvida, devido à porosidade da lã. A fricção ocorrida entre a onda e a superfície das fibras
da lã converterá parte da energia sonora em calor, ou seja, a lã de vidro fará com que a energia
sonora perca intensidade, aumentando a isolação sonora (LABRINCHA, 2006).
A lã de vidro não tem nenhuma relação com as fibras de amianto, portanto a Agência
Internacional para a Pesquisa do Câncer, ligada à Organização Mundial de Saúde, a
classificou como material não cancerígeno. Ela também não contribui para a proliferação de
ratos, insetos, fungos ou bactérias (BAAN, 2004; N.T.P, 1994; WILSON et al., 1999).
Os principais usos das lãs de vidro estão relacionados com a indústria e a construção
civil principalmente.
31
Nas construções civis as principais aplicações são (DNPM, 2001; ISOVER, 2005;
LABRINCHA, 2006):
• Isolamento acústico em estúdios de som, gravações, rádios, cinemas, etc...;
• Isolamento térmico de coberturas;
• Fabricação de telhas duplas isolantes;
• Isolamento térmico sobre forros;
• Isolamento acústico em paredes duplas e forros;
• Absorção acústica em ambientes diversos;
• Isolamento de ruídos de impacto em pisos;
• Isolamento acústico de teatros, auditórios, hotéis, salas de reuniões, escritórios,
residências, etc.;
• Isolamento acústico em casas de máquinas de ar condicionado, elevadores, bombas,
compressores e outros equipamentos ruidosos;
• Isolamento térmico em paredes, lajes, fachadas, impermeabilizações, etc...;
Nas indústrias o uso da lã de vidro se direciona para (DNPM, 2001; ISOVER, 2005;
LABRINCHA, 2006):
• Isolamento térmico de equipamentos como caldeiras, fornos, estufas, tanques de
armazenagem, trocadores de calor, câmaras frigoríficas, etc...;
• Isolamento térmico de equipamentos à baixa temperatura;
• Isolamento térmico de tubulações de grande diâmetro;
• Isolamento de aparelhos térmicos como fogões, geladeiras etc...;
• Isolamento termo-acústico em caminhões, vagões, navios etc...;
32
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A partir da pesquisa realizada para a elaboração do presente trabalho constatou-se que
a escória, que é um subproduto da indústria siderúrgica, principalmente a originada durante a
produção da liga SiFeMN ainda tem seu potencial muito pouco explorado sendo esta utilizada
basicamente como pavimentação de estradas rurais.
Frente a este cenário a partir da revisão bibliográfica apresentada pode-se reunir
conhecimentos suficientes para embasar trabalhos práticos dentro do tema proposto, visando
uma melhor destinação da escória, utilizando a mesma como matéria prima para a fabricação
da lã de vidro, que é um produto de maior valor agregado.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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