As indústrias de variados setores estão cada vez mais se conscientizando sobre o comprometimento na manutenção de recursos naturais, minimização de geração e aumento da reciclagem interna dos resíduos a fim de promover redução do impacto ambiental e cumprimento da PNRS, a qual estabelece que o gerenciamento de resíduos sólidos deve seguir a ordem de prioridade: não geração, redução, reutilização, reciclagem, tratamento dos resíduos sólidos e disposição final ambientalmente adequada dos rejeitos.
Com o desenvolvimento econômico e industrial, o uso do aço tem estado cada vez mais presente. Embora exista a concorrência com outros materiais como alumínio, plástico, madeiras e outros metais, o aço é o material imperante em muitas aplicações, tais como: transporte, construção civil, construção naval, máquinas e equipamentos diversos, mineração e indústrias ligadas à produção e transporte de energia, bens de consumo duráveis e objetos de uso cotidiano nas residências e escritórios (CAVALCANTI, 2012; LIAPIS e PAPAYIANNI, 2015).
O aço é uma liga metálica composta de ferro e carbono – até 2,0%, e outros compostos. Sua produção pode ser feita por três grandes processos, os quais se diferenciam pelo tipo de forno empregado na etapa de refino primário: Conversor a Oxigênio (Linz e
Donawits – LD ou Blast Oxigen Furnace - BOF), Siemens Martin (Open Heart - OH) e Forno
década de 1990, devido o tempo necessário para produção de aço; desde então os sistemas mais usuais são o BOF e EAF (WESSELING, 2005; FRONEK, 2012; LOBATO et al., 2015).
No processo BOF, o ferro é fundido em alto forno e combinado com metais de sucata e um composto – cal ou pedra calcaria – é inserido para manter o fluxo do forno. Em seguida, o oxigênio é soprado no forno, reduzindo o teor de carbono do ferro fundido, resultando em uma reação que produz um aço de alta qualidade e escória de forno a oxigênio como subproduto (FRONEK, 2012; LARSSON et al., 2015).
Na produção de aço pelo processo de EAF, a preparação da carga fria – sucata – ocorre em função do tipo de aço desejado. A sucata é levada para o forno elétrico, e em seguida os eletrodos são reduzidos. Elementos químicos, como magnésio, alumínio e silício, são adicionados à mistura para ajudar a remover as impurezas do aço fundido. Forma-se então uma corrente elétrica produzida pelos eletrodos, e um arco é produzido para fundir a sucata de aço – refino primário. Após total fusão e atingida temperatura de aproximadamente 1580ºC, o aço fundido é vertido em outro forno, chamado de forno panela, onde ocorrerá o tratamento do aço líquido; esta etapa é chamada de refino secundário (Figura 3). Este processo gera dois subprodutos: escória de forno elétrico a arco (EFE), também conhecida como escória preta (devido sua cor), decorrente da etapa de refino primário (Figura 3a), e escória de forno panela (EFP) ou cal de panela, produzida no refino secundário (Figura 3b) (ROCHA, 2011).
Apesar da similaridade química (óxidos presentes) e sua apresentação como material pedregoso das escórias BOF e EAF, pode-se ter impressão errônea de que elas são o mesmo material. Porém, estas escórias diferem na quantidade de óxidos de cálcio livre – CaO - também chamada de cal livre, na qual a escória de BOF possui maior quantidade de CaO (ARRIBAS et al., 2015).
Figura 3. Processo de produção EAF de aço
Fonte: Elaborado pelo autor baseado em BROTTI (2014).
Fonte: Autor (2015)
3.2.1 Escória de Forno Elétrico – EFE
Ao fim de uma corrida na produção do aço no forno elétrico, as escórias de refino primário e secundário são encaminhadas para o pátio da usina, onde permanecem por 48 a 72 horas para completo resfriamento. Decorrido este tempo, inicia-se o processo de beneficiamento da escória do refino primário, através da britagem. O sistema é composto por um ciclo fechado de eletroímã, correias transportadoras e britadores. Inicialmente, a escória passa por uma correia que contém eletroímã, com a finalidade de recuperar a maior fração metálica ainda presente; em seguida a escória é britada e levada para a área de armazenamento a céu aberto (FARIA, 2007; SETÍEN et al., 2009).
EFP EFE Matéria Prima Lingotamento Refino Primário Refino Secundário Laminação
Há um consenso de que o principal problema da EFE é sua expansividade volumétrica, devido principalmente à atividade química dos óxidos de cálcio (CaO), e magnésio (MgO). A EFE contem menor quantidade desses óxidos, em comparação às demais escórias siderúrgicas, apresentando uma menor expansividade. Essa característica pode ser controlada e minimizada durante o processo industrial, deixando o material exposto a intempéries, em um período de no mínimo dois meses. (FRÍAS et al., 2010; ARRIBAS et al., 2015).
3.2.1.1 Gerenciamento da EFE
No Brasil, a geração de EFE é aproximadamente de 150 Kg por tonelada de aço produzido, com destinação para a reutilização interna, estoque e/ou disposição em aterros1 (INSTITUTO AÇO BRASIL, 2016). A busca pela sustentabilidade tem disparado a preocupação com a reutilização de subprodutos industriais para reduzir o consumo de recursos naturais, por este fato a transformação de resíduos em produtos mais valiosos é uma questão urgente em todo o mundo (YUE et al., 2014; ARRIBAS et al., 2015).
Diversos estudos apontam para o uso de escória de indústria siderúrgica no campo da construção civil. As escórias de BOF tem sido utilizadas na produção de vidros alumino- silicatos (YUE et al, 2014), esferas de vidros (SALAZAR et al., 2014), vidro-cerâmica (ZHAO et al., 2012; DING et al., 2015), estabilização de solo (MANSO et al., 2013; GOODARZI e SALIMI, 2015; LARSSON et al., 2015), produção de argamassa (ÖZODABAS e YILMAZ, 2013; BINICI et al., 2014), na produção de cimento (CROSSIN, 2015; SAADE et al., 2015) e produção de concreto (DEB e SAKER, 2014; ZHAO et al., 2015).
Da mesma forma, diversos outros estudos apontam para o uso da EFE na produção de concreto asfáltico (WESSELING, 2005; PASSETO e BALDO, 2011; FRONEK, 2011; OLUWASOLA et al., 2015), na produção de cimento (HEKAL et al., 2013; IACOBESCU et al., 2013; KIM et al., 2015), além de diversos estudos direcionados a produção de concreto, foco deste trabalho. Arribas et al. (2015) afirmam que as principais características físicas e químicas da EFE para uso em concreto em substituição ao agregado natural, são a sua alta densidade e o teor de óxido de cálcio livre, as quais afetam o peso e integridade do concreto.
Eishah et al. (2012) investigaram a viabilidade do uso da EFE na produção de cinco tipos de concreto, para os quais foram analisadas a trabalhabilidade, as propriedades mecânicas e a durabilidade dos concretos. Os concretos feitos com EFE apresentaram elevada
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resistência mecânica. Os autores também verificaram que a ductilidade do concreto com EFE pode ser melhorada com a incorporação de fibras de aço; já a durabilidade é melhorada com a adição de cinzas volantes e sílica ativada. Devido sua alta densidade, o concreto produzido com EFE, pode ser aplicado em vários setores da construção civil, tais como em lastro de embarcações, lajes, câmaras de raio –x, entre outros.
Anastasiou et al. (2014) produziram concretos com cinzas volantes (CV), resíduo de construção civil (RCC) e EFE, analisando suas propriedades mecânicas e durabilidade. Foram feitas misturas de argamassa e concreto, com diferentes proporções de resíduos nas misturas. Nas argamassas, avaliou-se a resistência à compressão aos 7 e 28 dias, e absorção por capilaridade. Nos concretos foram feitos ensaios de densidade, resistência a tração na flexão, modulo de ruptura e elasticidade aos 28 dias e durabilidade; a resistência a compressão foi feita aos 7, 14, 28, 90 e 365 dias. Os autores concluíram que o uso de RCC (como agregado miúdo) e EFE (como agregado graúdo) na mesma mistura de concreto aumenta a resistência mecânica (atingiu 30 MPa aos 28 dias) e melhora a microestrutura do concreto, apresentando adequada durabilidade para aplicações de baixo grau.
Arribas et al (2014) avaliaram a durabilidade de três tipos de concreto, utilizando EFE de duas indústrias distintas. Os concretos passaram por ciclos de congelamento/descongelamento, resistência à compressão aos 28 dias, alta temperatura e umidade relativa, ataque ao sulfato, reação álcali-agregado, exposição a ambiente marinho, penetração de cloreto e corrosão. O concreto com EFE, nos ciclos de congelamento/descongelamento, teve resistência mecânica superior que o concreto referência (CR); após submetido a altas temperaturas e umidade relativa permaneceu mais estável que o CR.
Brand e Roesler (2015) estudaram a composição química e mineralógica, expansividade e presença de óxidos livre de escória de BOF, EFE e EFP. Foram produzidos quatro tipos de concreto, os quais tiveram a durabilidade e resistência mecânica avaliadas, com substituição de até 100% do agregado graúdo pela EFE. Verificou-se que a EFE possui características menos expansivas do que as outras escórias. O uso da EFE aumentou a resistência mecânica, melhorou a qualidade do concreto diminuindo as fraturas ocasionadas por forças mecânicas, porém apresentou maior encolhimento nos ciclos de congelamento/descongelamento.