MESTRADO PROFISSIONAL EM TECNOLOGIAS SUSTENTÁVEIS
MARIANA VILELA GALUPPO
ESTUDO DO EMPREGO DA ESCÓRIA GRANULADA DE ALTO-FORNO NA MASSA DE CERÂMICA DE REVESTIMENTO
Vitória 2020
ESTUDO DO EMPREGO DA ESCÓRIA GRANULADA DE ALTO-FORNO NA MASSA DE CERÂMICA DE REVESTIMENTO
Trabalho Final de Curso de mestrado apresentado ao Programa de Pós-Graduação em Tecnologias Sustentáveis do Instituto Federal do Espírito Santo, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Tecnologias Sustentáveis. Área de concentração: Desenvolvimento de Produtos e Processos Sustentáveis
Linha de pesquisa: Tecnologias Sustentáveis em Materiais e Processos
Orientadora: Prof.ª Dra. Rosana Vilarim da Silva
Coorientadora: Prof.ª Drª. Alessandra Savazzini dos Reis
Vitória 2020
Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação (CIP) (Biblioteca Nilo Peçanha do Instituto Federal do Espírito Santo) G181e Galuppo, Mariana Vilela
Estudo do emprego da escória granulada de alto-forno na massa cerâmica de revestimento / Mariana Vilela Galuppo. – 2020.
113 f. : il. ; 30 cm.
Orientadora: Rosana Vilarim da Silva. Coorientadora: Alessandra Savazzini dos Reis.
Dissertação (mestrado) – Instituto Federal do Espírito Santo, Programa de Pós-graduação em Tecnologias Sustentáveis,
Vitória, 2020.
1. Engenharia de materiais. 2. Resíduos sólidos – Reaproveitamento. 3. Resíduos industriais. 4. Escória (Metalurgia). 5. Altos-fornos.
6. Reaproveitamento (Sobras, refugos, etc.). I. Silva, Rosana Vilarim da. II. Reis, Alessandra Savazzini dos. III. Instituto
Federal do Espírito Santo. IV. Título.
CDD 21 – 620.11 Elaborada por Marcileia Seibert de Barcellos – CRB-6/ES - 656
Aos meus pais, Elke Lopes Vilela Galuppo e Carlo Guadagnin Galuppo, por participarem de todo o processo com o amor de sempre.
À Deus, por guiar e abençoar o caminho.
À minha família, pela presença, confiança e suporte.
Às orientadoras Prof.ª Dra. Rosana Vilarim da Silva e Prof.ª Dra. Alessandra Savazzini dos Reis pelo apoio e pelos conhecimentos compartilhados durante esse período.
À aluna de IC, Raíssa Carla do Nascimento do Sacramento, por contribuir com as atividades da pesquisa.
Aos professores do IFES: André Galdino, Georgia Serafim Araújo, Viviana Possamai Della Sagrillo e Kinglston Soares, pelo pronto apoio em diversas etapas do projeto. Aos profissionais Diego Magalhães e Leandro Teixeira e suas respectivas empresas pela abertura e fornecimento dos materiais para a pesquisa, assim como à ArcelorMittal Tubarão pelo apoio.
Aos técnicos Ricardo Boldrini e Cláudio Patrocínio pelos ensaios de DRX e de ruptura.
Ao GeoLab, da UFES, em especial à Flávia Garonce, pelo auxílio com o ensaio de granulometria à laser.
À técnica Flaviane do Laboratório de Engenharia Química da UFES Campus Alegre, por realizar as queimas dos corpos de prova da pesquisa.
A todos que, direta ou indiretamente, contribuíram para o desenvolvimento deste trabalho.
sustentabilidade pela sua capacidade de absorver uma grande quantidade de resíduos oriundos de outras indústrias. Este aproveitamento pode trazer benefícios para a indústria cerâmica, tais como redução de custos e da quantidade de matéria-prima natural utilizada, diminuição do tempo de queima dos produtos cerâmicos, além de evitar que certos resíduos tenham destinação ambientalmente incorreta. Por outro lado, a geração de resíduos e coprodutos siderúrgicos chega, atualmente, a cerca de 20 milhões de toneladas por ano no Brasil, sendo 40% correspondente à escória de alto-forno, que tem sua aplicação principal na produção de cimento Portland. Como alternativa a essa aplicação, a proposta deste trabalho é avaliar a influência da escória granulada de alto-forno como matéria-prima alternativa em cerâmica de revestimento, mais especificamente, o porcelanato. Para tal, as matérias-primas empregadas na formulação de porcelanato em uma indústria de revestimentos cerâmicos do estado do Espírito Santo e a escória granulada de alto-forno foram caracterizadas pelas técnicas de fluorescência de raios-X, difração de raios-X e análise granulométrica. Após a caracterização, a pesquisa foi dividida em duas etapas. Na Etapa 1 foi avaliada a influência da substituição de 5% em massa de três matérias-primas distintas pela escória. Com base na análise dos resultados obtidos na Etapa 1, foram determinadas quais matérias-primas seriam utilizadas para a realização da Etapa 2, cujo objetivo foi avaliar o efeito do incremento de escória em 5%, 7% e 10% de substituição em massa das matérias-primas usuais. Na Etapa 01, as quatro misturas formadas foram analisadas quanto à plasticidade e termogravimetria. Em ambas as etapas foram produzidos corpos de prova via prensagem e sinterização com temperatura de patamar a 1170°C, os quais foram testados quanto às seguintes propriedades: retração de secagem e de queima; absorção de água; porosidade aparente; massa específica aparente e módulo de ruptura à flexão. Os materiais cerâmicos desenvolvidos apresentaram propriedades que atendem às normas vigentes para porcelanatos, mostrando que o coproduto siderúrgico escória granulada de alto-forno pode ser utilizado como substituto de algumas matérias-primas na indústria de revestimentos cerâmicos.
absorb a large amount of waste produced by other industries. The usage of waste on the ceramics industry may provide benefits, such as reducing costs and the amount of natural raw material used, lowering the burning time of ceramic products and preventing certain residues from having an environmentally incorrect destination. On the other hand, around 20 million tons of waste and steel co-products is generated per year in Brazil, 40% of which corresponds to blast furnace slag. Blast furnace slag is mainly used in the production of Portland cement. Thus, looking for an alternative usage of this slag, this work focus on evaluating the influence of granulated blast furnace slag as an alternative raw material in ceramic tiles, more specifically, porcelain tiles. For this, the raw materials used in the elaboration of porcelain tiles in a ceramic tile industry in the state of Espírito Santo and granulated blast furnace slag were characterized by the techniques of X-ray fluorescence, X-ray diffraction and granulometric analysis. After characterization, the research was split in two steps. At Step 1, the influence of substituting 5% of the weight of three different raw materials with slag was evaluated. Based upon the analysis of the results obtained at Step 1, it was determined which raw materials would be used to carry out Step 2, whose objective was to evaluate the effect of the slag increase in 5%, 7% and 10% on weight substitution. In Step 01, the four mixtures formed were analyzed for plasticity and thermogravimetry. In both steps, test specimens were produced by pressing and sintering at a plateau temperature of 1170°C, which were tested for the following properties: drying and firing shrinkage; water absorption; apparent porosity; apparent specific mass and flexural strength. The developed ceramic materials showed properties that meet the current standards for porcelain tiles, showing that the granulated blast furnace slag steel co-product can be used as a substitute for some raw materials in the ceramic tile industry.
Figura 1 - Geração de coprodutos e resíduos por tipo em 2018. ... 17
Figura 2 - 17 Objetivos de Desenvolvimento Sustentável definidos na sede das Nações Unidas. ... 22
Figura 3 - Representação do funcionamento de um alto-forno na produção do ferro gusa. ... 25
Figura 4 - Fluxo simplificado das etapas do processo produtivo do aço. ... 26
Figura 5 - Escória Granulada de Alto-Forno (EGAF). ... 29
Figura 6 - Aplicações de porcelanatos em residências. ... 40
Figura 7 - Tendência no decorrer dos anos sobre a publicação de patentes e outras publicações na área de pesquisa da escória do aço. ... 46
Figura 8 - Fluxograma da pesquisa. ... 52
Figura 9 - Moinho de bolas utilizado para cominuição das massas cerâmicas. ... 59
Figura 10 - Molde utilizado para conformação dos corpos de prova: (1) partes componentes, (2) montado para prensagem e (3) montado para retirada do cp. ... 61
Figura 11 - Balança hidrostática utilizada na determinação da massa do cp imerso.64 Figura 12 - Suporte e cutelo utilizados no ensaio de flexão em três pontos, medidas em mm. ... 66
Figura 13 - Resultado do DRX da MP "A". ... 70
Figura 14 - Resultado do DRX da MP "B". ... 71
Figura 15 - Resultado do DRX da MP "C". ... 72
Figura 16 - Resultado do DRX da MP "D". ... 73
Figura 17 - Resultado do DRX da MP "E". ... 74
Figura 18 - Resultado do DRX da MP "F". ... 75
Figura 23 - Resultado do TG da MP "C". ... 79 Figura 24 - Resultado do TG da EGAF. ... 79 Figura 25 - Distribuições granulométricas das matérias-primas cerâmicas e da EGAF
por meio de peneiramento. ... 81 Figura 26 - Distribuições granulométricas das matérias-primas cerâmicas via difração
a laser... 83 Figura 27 - Termogravimetria das Misturas 01, 02, 03 e Referência. ... 89 Figura 28 - Corpos de prova após ensaio de flexão em três pontos. ... 94
Tabela 1 - Aplicações da escória de alto-forno de acordo com o volume utilizado. .. 31 Tabela 2 - Descrição das funções das matérias-primas que compõem a massa
cerâmica. ... 53 Tabela 3 - Equipamentos utilizados na análise química da Escória Granulada de
Alto-Forno. ... 54 Tabela 4 - Análise química pela técnica de FRX da Escória Granulada de Alto-Forno. ... 54 Tabela 5 - Análise química pela técnica de FRX das matérias-primas. ... 55 Tabela 6 - Porcentagens em massa das matérias-primas utilizadas na massa
cerâmica pela indústria de revestimento. ... 57 Tabela 7 - Massas (g) e percentuais das matérias-primas cerâmicas e EGAF em
cada mistura da Etapa 1. ... 58 Tabela 8 - Massas (g) e teores (%) das matérias-primas cerâmicas e EGAF em cada
massa da Etapa 2. ... 68 Tabela 9 - D0,1, D0,5 e D0,9 da análise granulométrica por difração a laser das
matérias-primas cerâmicas. ... 84 Tabela 10 - Composição química das massas preparadas, valores em porcentagem. ... 86 Tabela 11 - Teores de óxidos alcalinos e alcalinos terrosos nas misturas da Etapa 1,
em porcentagem. ... 87 Tabela 12 - Resultados do ensaio de determinação da plasticidade das massas (LP,
LL e IP). ... 90 Tabela 13 - Valores obtidos para RS e RQ para as misturas da Etapa 1. ... 91
Tabela 14 – Valores em porcentagem obtidos nos ensaios de AA, PA e MEA – Etapa 01. ... 92
Tabela 17 - Valores em porcentagem obtidos nos ensaios de AA, PA e MEA - Etapa 02. ... 98 Tabela 18 - Valores de média e desvio padrão resultantes do ensaio de flexão em
três pontos - Etapa 02. ... 99 Tabela 19 - Comparativo dos valores de média obtidos nos ensaios das misturas
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
AA – Absorção de Água
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas ATD – Análise térmica diferencial
CONAMA – Conselho Nacional do Meio Ambiente cp – Corpo de Prova
Cu – Coeficiente de uniformidade DRX – Difração de Raios-X
EGAF – Escória Granulada de Alto-Forno FRX – Fluorescência de Raios-X
IFES – Instituto Federal do Espírito Santo IP – Índice de Plasticidade
LC – Comprimento do corpo de prova cru
LL – Limite de Liquidez LP – Limite de Plasticidade
LQ – Comprimento do corpo de prova após a queima
LS – Comprimento do corpo de prova após secagem
MEA – Massa Específica Aparente MP – Matéria-Prima
NBR – Norma Brasileira Registrada PA – Porosidade Aparente
PAE – Pó de Aciaria Elétrica
Pi – Massa do corpo de prova imerso
PNRS – Política Nacional de Resíduos Sólidos PS – Massa do corpo de prova seco
PU – Massa do corpo de prova úmido (saturado de água)
RQ – Variação linear após queima
RS – Variação linear após secagem
TG – Análise termogravimétrica MRF – Módulo de resistência à flexão
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO……….. ... 16 2 OBJETIVOS ... 19 2.1 OBJETIVO GERAL ... 19 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 19 3 REVISÃO DA LITERATURA ... 20
3.1 SUSTENTABILIDADE E RESÍDUOS SÓLIDOS ... 20
3.1.1. Sustentabilidade no contexto da pesquisa ... 22
3.2 INDÚSTRIA DO AÇO ...23
3.2.1 Escória de alto-forno ... 29
3.3 MATERIAIS CERÂMICOS ... 32
3.3.1. Matérias-primas ... 33
3.3.2. Processamento de cerâmicos ... 33
3.3.3. Cerâmicas para revestimento e porcelanatos ... 38
3.4 RESÍDUOS INCORPORADOS EM CERÂMICAS ... 40
3.5 PATENTES ... 45
4 METODOLOGIA... 51
4.1 CARACTERIZAÇÃO DA EGAF E DAS MATÉRIAS-PRIMAS DA INDÚSTRIA CERÂMICA ... 53
4.1.1. Análise química pela técnica de Fluorescência de Raios X (FRX) ... 54
4.1.2. Análise da composição mineralógica por Difração de Raios X (DRX) ...56
4.1.4. Distribuição granulométrica em sequência de peneiras e difratômetro a
laser ... 56
4.2 METODOLOGIA DA ETAPA 1 ... 56
4.2.1 Preparação das misturas ... 57
4.2.2 Termogravimetria das misturas ... 59
4.2.3 Plasticidade das misturas ... 60
4.2.4 Preparação dos corpos de prova (cps) ... 60
4.2.5 Análises e ensaios ... 62
4.2.5.1 Variação linear após secagem e após queima ... 62
4.2.5.2 Absorção de água... 62
4.2.5.3 Porosidade aparente ... 63
4.2.5.4 Massa específica aparente ... 65
4.2.5.5 Ensaio de flexão em três pontos ... 65
4.3 METODOLOGIA DA ETAPA 2 ... 67
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 69
5.1 CARACTERIZAÇÃO DAS MATÉRIAS-PRIMAS ... 69
5.1.1 Ensaio de Difração de Raios-X (DRX) ... 69
5.1.2 Análise térmica (TG) ... 77
5.1.3 Distribuição Granulométrica ... 80
5.2 ETAPA 1 ... 84
5.2.1 Formulação das misturas ... 85
5.2.2 Termogravimetria das misturas ... 87
5.2.4 Variação linear após a secagem e após a queima ... 91
5.2.5 Absorção de água, porosidade aparente e massa específica aparente 92 5.2.6 Ensaio de flexão em três pontos ... 94
5.3 ETAPA 2 ... 95
5.3.1 Formulação das misturas ... 95
5.3.2 Variação linear após a secagem e após a queima ... 96
5.3.3 Absorção de água, porosidade aparente e massa específica aparente 97 5.3.4 Ensaio de flexão em três pontos ... 98
5.4 COMPARAÇÃO DAS MISTURAS “REFERÊNCIA” NAS DUAS ETAPAS ... 99
1 INTRODUÇÃO
De acordo com a Lei nº 12305/2010 que instituiu a Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS) no Brasil, os resíduos sólidos podem ser entendidos, basicamente, como materiais que resultam de atividades humanas em sociedade. Esses resíduos são gerados em instalações industriais de inúmeras maneiras. O que é considerado rejeito pela indústria, ou seja, que não será reutilizado no processo, pode ser tratado como resíduo sólido, podendo assumir uma variedade de formas (BRASIL, 2010; WOODARD, 2006).
A Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) NBR 10004:2004 assim definiu resíduos sólidos:
Resíduos nos estados sólido e semissólido, que resultam de atividades de origem industrial, doméstica, hospitalar, comercial, agrícola, de serviços e de varrição. Ficam incluídos nesta definição os lodos provenientes de sistemas de tratamento de água, aqueles gerados em equipamentos e instalações de controle de poluição, bem como determinados líquidos cujas particularidades tornem inviável o seu lançamento na rede pública de esgotos ou corpos de água, ou exijam para isso soluções técnica e economicamente inviáveis em face à melhor tecnologia disponível.
Dentre as possibilidades mais desejáveis de minimização de resíduos está a produção de materiais vendáveis, ou seja, de coprodutos, seja pela modificação do próprio resíduo ou pela combinação desse com outros materiais (WOODARD, 2006). Para exemplificar a importância de se investir em tecnologias capazes de transformar resíduos em coprodutos, em 2016, os segmentos de aços longos e planos das unidades da empresa siderúrgica ArcelorMittal Brasil obtiveram receita de R$ 146 milhões com a venda de coprodutos (ARCELORMITTAL, 2016).
Em 2018, o Brasil contava com 32 usinas de produção de aço em operação, atuando como o 9º produtor no ranking mundial, com faturamento líquido de US$ 27,3 bilhões e com uma produção de aço bruto de 35,4 milhões de toneladas, além de um efetivo de 108412 colaboradores, dentre terceirizados e próprios, o que demonstra sua importância para os setores econômico e social do país (INSTITUTO AÇO BRASIL, 2019).
Paralelamente à produção do aço, ocorre a geração de resíduos sólidos proveniente do beneficiamento das matérias primas. Em 2018, para cada tonelada de aço produzido, gerou-se aproximadamente 628 kg de resíduos e coprodutos diretos. Os principais coprodutos e resíduos gerados pela indústria siderúrgica são as escórias de alto-forno (40%) e de aciaria (27%) e pós e lamas oriundos de sistemas de tratamento existentes, como apresentado na Figura 1 (INSTITUTO AÇO BRASIL, 2019).
Figura 1 - Geração de coprodutos e resíduos por tipo em 2018.
Fonte: Instituto Aço Brasil, 2019.
Segundo o Instituto Aço Brasil, o total de coprodutos e resíduos gerados no processo produtivo foi cerca de 22 milhões de toneladas em 2018, que são reaproveitados principalmente na produção de cimento, para uso agrônomo e no nivelamento de terrenos e aterros. Para que resíduos se tornem coprodutos, devem ser desenvolvidas tecnologias que permitam sua utilização como matéria-prima ou fonte de energia do mesmo processo ou de outro. Atualmente, a escória de alto forno é vista como coproduto e tem sua aplicação principal na produção de cimento
Portland especialmente do tipo CP III (INSTITUTO AÇO BRASIL, 2016; INSTITUTO AÇO BRASIL, 2019).
A indústria de cerâmica é importante do ponto de vista ambiental, pois consegue absorver uma grande quantidade de resíduos oriundos de outras indústrias. Portanto, como alternativa a essa principal aplicação da escória granulada de alto-forno, estudou-se, neste trabalho, a incorporação da escória granulada de alto-forno na indústria de revestimentos cerâmicos, para produção de porcelanato. Este aproveitamento pode trazer benefícios para a indústria de cerâmica, tais como redução do custo e da quantidade de matéria-prima natural utilizada, redução em custos com transporte e combustíveis, diminuição do tempo de queima dos produtos cerâmicos, além de evitar que estes resíduos tenham destinação ambientalmente incorreta (FEAM, FIEMG, 2013).
A ArcelorMittal Tubarão, indústria siderúrgica doadora da escória granulada de alto-forno para este estudo está localizada no estado do Espírito Santo, assim como a indústria de revestimentos cerâmicos doadora das matérias-primas. Na literatura foram encontrados alguns trabalhos que tratam do uso da escória siderúrgica em massas cerâmicas, no entanto, o presente estudo possui o potencial de contribuir de forma mais específica com tecnologia para o setor industrial do estado.
Somado a isso, as contribuições podem levar à processos mais limpos, economicamente viáveis e garantir a redução de área necessária para disposição da escória.
2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
Avaliar a influência da escória granulada de alto-forno como matéria-prima alternativa na massa de cerâmica de revestimento (porcelanato).
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
a) Identificar e caracterizar as matérias-primas que são comumente utilizadas pela indústria de cerâmica de revestimento, assim como o coproduto escória granulada de alto-forno, para verificar se é possível a utilização do coproduto na formulação da massa cerâmica;
b) Formular traços substituindo um percentual em massa de determinadas matérias primas pelo equivalente em escória granulada de alto-forno;
c) Avaliar, por meio de ensaios tecnológicos, a influência da escória nas propriedades das formulações de massa cerâmica propostas;
d) Definir possíveis alterações nas formulações propostas, realizar ensaios e a escolha da formulação de melhor desempenho de acordo com os requisitos das normas técnicas.
3 REVISÃO DA LITERATURA
3.1 SUSTENTABILIDADE E RESÍDUOS SÓLIDOS
Em meados de 1800, praticamente todos os resíduos, industriais, comerciais e domésticos, eram provenientes de substâncias naturais e, consequentemente, eram biodegradáveis. Com a Revolução Industrial, resíduos que nunca seriam removidos por processos naturais passaram a ser gerados. Nesse contexto, a aceleração do desenvolvimento de materiais sintéticos ocasionou a poluição de solos e lençóis freáticos (WOODARD, 2006).
Sancionada em 2010, a Lei nº 12.305 da Política Nacional de Resíduos Sólidos representou um marco para a gestão de resíduos no Brasil. A Lei reflete o tema atual que integra questões ambientais e sociais inerentes à busca pelo desenvolvimento econômico, ou seja, a sustentabilidade.
Desde esse marco, empresas de diferentes portes e setores expandiram ações para a melhoria do cenário de resíduos no Brasil, visto que a legislação estabeleceu princípios, conceitos, prioridades e mecanismos. Esse fator tem ocasionado maior conscientização popular, planos de governo, investimentos em negócios inovadores e inúmeras iniciativas com potencial de transformações na realidade brasileira dos resíduos, com viabilidade econômica e inclusão social (CEMPRE, 2015).
Os planos de gestão sustentável de resíduos, quando elaborados, são capazes de sanar uma série de problemas imediatos e futuros, trazendo benefícios, tais como: custos menores da gestão global de resíduos; menor poluição ambiental (do solo, água e ar); conservação de matérias primas e conservação de recursos (ABRELPE, 201-).
Na busca pelo desenvolvimento sustentável, as organizações procuram manter a competitividade pela lucratividade e produtividade, minimizando os impactos ambientais e, dessa forma, garante-se a boa reputação da instituição e conquista-se o consumidor exigente. Para isso, são utilizadas práticas sustentáveis e lucrativas,
como redução de consumo energético, uso de recursos renováveis, reutilização de materiais e desenvolvimento de coprodutos (ADISSI; PINHEIRO; CARDOSO, 2013; RUSCHEINSKY, 2004).
Em setembro de 2015, os chefes de Estado e de Governo e altos representantes se reuniram na sede das Nações Unidas em Nova York e definiram os 17 objetivos globais de Desenvolvimento Sustentável e 169 metas, os quais entraram em vigor no ano de 2016 para a implementação desta Agenda em 2030 (NAÇÕES UNIDAS, 2015).
Os 17 objetivos de Desenvolvimento Sustentável definidos pela ONU estão apresentados na Figura 2. Dentre eles, podem ser destacados 2 objetivos que se enquadram mais fortemente no contexto desta pesquisa.
Objetivo 9: Construir infraestruturas resilientes, promover a industrialização inclusiva e sustentável e fomentar a inovação.
Nesse objetivo, as Nações Unidas pretendem fortalecer a pesquisa científica, de modo a melhorar a capacidade tecnológica com incentivo a inovação, tornando as indústrias mais sustentáveis, com eficiência aumentada no uso de recursos e maior adoção de tecnologias e processos industriais limpos e ambientalmente corretos. Objetivo 12: Assegurar padrões de produção e de consumo sustentáveis.
No objetivo 12, pretende-se, até 2020, alcançar o manejo ambientalmente saudável de todos os resíduos, ao longo do ciclo de vida destes, e reduzir significativamente a liberação para o ar, água e solo, minimizando impactos sobre a saúde humana e meio ambiente. Ainda, até 2030, deve-se reduzir substancialmente a geração de resíduos por meio da prevenção, redução, reciclagem e reuso.
Quanto às empresas, esse objetivo pretende incentivar, especialmente as empresas grandes e transnacionais, a adotar práticas sustentáveis, além de apoiar países em desenvolvimento a fortalecer suas capacidades científicas e tecnológicas para mudar para padrões mais sustentáveis de produção e consumo.
Figura 2 - 17 Objetivos de Desenvolvimento Sustentável definidos na sede das Nações Unidas.
Fonte: NAÇÕES UNIDAS (2015).
Portanto, pode-se verificar a grande associação que há entre este estudo e os objetivos das Nações Unidas para o desenvolvimento sustentável. Isso, porque por meio do fomento a inovação e tecnologia, busca-se o manejo adequado de um resíduo gerado industrialmente em grande quantidade, minimizando seu impacto negativo sobre o meio ambiente pelo reuso em outro processo produtivo. Ainda, com isso, será possível atingir um processo mais limpo e ambientalmente correto.
3.1.1. Sustentabilidade no contexto da pesquisa
Diante deste quadro do mundo atual perante a sustentabilidade, a indústria siderúrgica, vista como geradora de grandes volumes de resíduos sólidos, também volta sua atenção aos materiais que são gerados internamente e suas destinações.
Assim como outras indústrias, essa deve atender às exigências da Lei nº 12.305/2010 que institui a Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS).
Dessa forma, buscam-se aplicações para os resíduos gerados no processo produtivo como alternativa à disposição de materiais em aterros industriais. No intuito de descobrir novas aplicações e garantir a valorização dos resíduos, podem ser desenvolvidos coprodutos na usina capazes de reduzir o consumo de recursos não renováveis, ou ainda, reduzir o consumo interno de energia, por exemplo.
Nessa pesquisa, o resíduo gerado em maior volume na indústria siderúrgica, a escória granulada de alto-forno, será testada como matéria-prima para produção de porcelanato. Caso comprovada tal aplicação, observar-se-á uma nova alternativa sustentável para o material, visto que, sua destinação implicará em redução de áreas necessárias para estoque de escória; redução de gastos com envio para aterros industriais; redução do uso de matérias-primas não renováveis no processo produtivo da cerâmica; além de possível redução no custo de fabricação da cerâmica pela substituição de matérias-primas por um material menos dispendioso.
3.2 INDÚSTRIA DO AÇO
Em 1808, a família real portuguesa desembarcou no Rio de Janeiro e indústrias siderúrgicas foram construídas a partir desse período. Em 1815, foi inaugurada a usina do Morro do Pilar, em Minas Gerais. Em 1818, a fábrica de Ipanema, próxima à Sorocaba, deu início à produção de ferro forjado. Outras indústrias foram abertas em Minas Gerais. Antes disso, o ferro era exclusivamente importado da Europa. Após esse início de século XIX, ocorreu uma queda na produção de ferro, devido à escassez de mão de obra (concentrada no açúcar e no café) e à competição com produtos importados (INSTITUTO AÇO BRASIL, 2015c).
Segundo a ArcelorMittal Tubarão (201-?), desde 1960 estudava-se a implantação de uma indústria siderúrgica no estado do Espírito Santo, visando o aproveitamento das vantagens logísticas de Vitória, que é conectada por ferrovias à Minas Gerais, permitindo o transporte ferroviário de minério de ferro; e que possui acesso ao mar,
facilitando o recebimento do carvão mineral e o escoamento da produção. Em 1974 a ideia foi concretizada e deram-se início às obras. Em 1983 ocorreu o acendimento oficial do alto-forno, o qual deu início à operação da usina.
O aço é uma liga metálica amplamente utilizada que está sempre presente na vida dos seres humanos, visto que é utilizado na fabricação de produtos diversos, tais como utensílios domésticos; bens de consumo; eletrodomésticos; meios de transporte (carros, ônibus, navios, trens, bicicletas e outros); máquinas e equipamentos; embalagens e recipientes; além de ser utilizado em construções, como edifícios e pontes (INSTITUTO AÇO BRASIL, 2015a).
O processo siderúrgico possui cerca de 3000 anos e tem como matérias-primas básicas o minério de ferro, carvão mineral e calcário. O carvão é utilizado como combustível, atingindo elevadas temperaturas para fundir o minério, e redutor, se associando ao oxigênio do minério, liberando o ferro. O calcário, por sua vez, atua como fundente reduzindo o ponto de fusão do minério (MOURÃO, 2007; INSTITUTO AÇO BRASIL, 2016).
O aço possui como matéria prima mais importante o minério de ferro, o qual passa por uma série de etapas até a formação da liga. Primeiramente, na etapa de preparação da carga, ocorrem os processos de aglomeração do minério denominados sinterização e pelotização, enquanto que o carvão passa pelo processo de coqueificação para elevar seu teor de carbono. Nessa última etapa, o carvão é enviado à coqueria, onde é destilado e se transforma no coque. Na sinterização faz-se a homogeneização do minério de ferro, seguida da adição de fundentes e aglomeração dos pós (formação do sínter), o que aumenta a eficiência do processo e a resistência mecânica das partículas e, ainda, reduz a geração de poeira no processo. As pelotas obtidas e o coque são levados ao alto-forno, onde, na etapa de redução, o minério de ferro será quimicamente reduzido a ferro metálico (CHEREMISINOFF, 2003; MOURÃO, 2007; RIBEIRO, 2010; SILVA; MEI, 2010). Os altos-fornos, representados na Figura 3, são reatores utilizados para produção do gusa. São carregados com o minério de ferro (ou sínter), coque (combustível e redutor) e fundente (calcário e/ou dolomita), enquanto o oxigênio é injetado pela
parte inferior do forno. Ocorre a combustão e a redução do minério e, então, o metal líquido (ferro gusa) é gotejado e coletado no fundo do forno para ser encaminhado às etapas da aciaria, enquanto a escória sobe à superfície e é retirada em intervalos regulares. Para a obtenção de uma tonelada de ferro gusa, gera-se entre 200 e 400 kg de escória de alto-forno, coproduto proveniente da etapa de redução (SHI; QIAN, 2000; SILVA; MEI, 2010).
Figura 3 - Representação do funcionamento de um alto-forno na produção do ferro gusa.
Fonte: USIMINAS (2018).
Posteriormente, na etapa de refino, a qual ocorre na aciaria, o carbono contido no ferro gusa é reduzido e são removidas as impurezas. As aciarias podem ser a oxigênio ou elétricas, sendo que as aciarias a oxigênio (ou processo LD) recebem prioritariamente o ferro gusa, enquanto as elétricas recebem, além do ferro gusa, sucata de ferro e aço. A maior parte do aço líquido, após o refino, é solidificada em equipamentos de lingotamento contínuo para produzir os semi-acabados, lingotes e
blocos. Por fim, os semi-acabados passam pela etapa de laminação, em que são processados por equipamentos chamados laminadores e transformados em uma grande variedade de produtos siderúrgicos (INSTITUTO AÇO BRASIL, 2015b). Todas as etapas descritas do processo de produção do aço estão simplificadas na Figura 4.
Figura 4 - Fluxo simplificado das etapas do processo produtivo do aço.
Fonte: Instituto Aço Brasil (2015).
Consideram-se resíduos como todos os materiais gerados no processo produtivo além do produto em si. Esses podem ter ou não valor agregado para venda. Quando há, esse resíduo pode ser denominado coproduto do processo.
Nas etapas mencionadas do processo produtivo do aço são gerados diferentes resíduos que devem ser geridos para ser reaproveitados e vendidos como coprodutos a outros processos industriais ou reutilizados no mesmo processo. Caso não seja possível, o resíduo é estocado ou vai para disposição final em aterros. Em
2018, das 22 milhões de toneladas de resíduos gerados pelas empresas associadas ao Instituto Aço Brasil, 85% foram reaproveitados (INSTITUTO AÇO BRASIL, 2019). Na coqueria, por exemplo, é gerado o coproduto Alcatrão de Hulha. Nessa etapa, durante o processo de coqueificação do carvão, gera-se um gás contendo alcatrão a partir do aquecimento das partes voláteis do carvão que, quando decantado, forma o Alcatrão de Hulha, líquido preto e viscoso. Esse coproduto de composição variável inclui, principalmente, hidrocarbonetos aromáticos, podendo gerar substâncias como óleos leves, naftaleno e piches. O alcatrão tem grande valor na indústria química por ter vários produtos que são derivados dele. Portanto, é vendido a empresas que realizam o seu fracionamento. Outro resíduo da coqueria é a borra de alcatrão que, misturada a pedaços de carvão, retorna ao processo (ARCELORMITTAL, 2019). Além do sínter, da etapa de sinterização resultam os gases de queima que sofrem tratamento para filtragem do material particulado em algum sistema de despoeiramento, como por exemplo filtros de mangas e precipitadores eletrostáticos. De acordo com estudo realizado por Ribeiro (2010), é viável o uso do pó da sinterização na indústria de cerâmica vermelha.
A Lama de Alto-Forno é o resíduo siderúrgico que, além da Escória de Alto-Forno, é gerado na etapa de redução. Da mesma forma que o gás gerado na sinterização deve sofrer um tratamento, o gás do alto-forno passa por uma lavagem seguida da separação das partículas sólidas da água, na forma de lama (aproximadamente 25% de umidade). Já é comprovada a aplicação desse coproduto na indústria cerâmica, em fabricação de tijolos e telhas, com participação de até 10% da mistura. A inserção desse material na cerâmica diminui o tempo de cozimento e eleva a resistência mecânica das peças, segundo ceramistas. Outra possível aplicação está na indústria cimenteira (ARCELORMITTAL, 2019).
A etapa de refino, quando realizada na aciaria elétrica, gera um subproduto denominado Pó de Aciaria Elétrica (PAE). Com o derretimento da sucata, algumas substâncias se volatizam e, após resfriamento, são captadas em sistemas de despoeiramento. Esse resíduo é gerado em grande quantidade, cerca de 15-20 kg/t de aço produzido, possui alta densidade e baixa granulometria. Por possuir altos
teores de zinco e outros metais, pode-se fazer a recuperação para venda, o que só é viável em alguns casos. Também devido aos altos índices de metais pesados, o PAE deve ser estabilizado antes da disposição em aterros industriais. Estudo realizado por Machado et al. (2011) confirmou que o PAE pode ser utilizado na fabricação de cerâmicas (tijolos e telhas), em condições adequadas (MACHADO et al., 2011; MURAKAMI, 2012; PELINO et al., 2002).
Quando realizado em aciaria LD, o refino do ferro gusa produz a Escória de Aciaria. O processo LD utiliza oxigênio gasoso para refinar o ferro gusa líquido por meio da oxidação de certos elementos, sendo assim, a formação da escória é responsável pela remoção das impurezas presentes no ferro gusa. Esse resíduo é o segundo mais gerado na indústria siderúrgica, correspondendo a 27% do total de resíduos e coprodutos gerados em 2018. Tendo em vista sua importância, aplicações já foram estudadas para o material (INSTITUTO AÇO BRASIL, 2019; SOUZA, 2007).
As características da escória de aciaria dependerão de certos parâmetros de processamento como a taxa de resfriamento e a granulometria. No beneficiamento também é realizada uma separação magnética a fim de recuperar a sucata ferrosa que volta ao processo. Ainda, são realizados a britagem e o peneiramento da escória. Como aplicações da escória de aciaria LD, têm-se: agregados para a construção de estradas; misturas asfálticas; lastro de ferrovia; fertilizante na agricultura; uso como corretivo de solo no controle da acidez (agricultura); produção de cimento, entre outros (DE ARAÚJO et al., 2018; SOUZA, 2007).
A carepa de aço é um resíduo sólido gerado quando o metal em alta temperatura reage com o oxigênio formando óxidos de ferro com baixa aderência, os quais constituem a carepa. A carepa deve ser removida para evitar inclusões que diminuem a qualidade do aço durante sua conformação mecânica por laminação ou outro processo de deformação plástica. Estudos já foram realizados constatando a possibilidade de aplicação de carepas na indústria do concreto, do cimento e como retorno ao processo na etapa de sinterização (MURAKAMI, 2014; PEREIRA; VERNEY; LENZ, 2011).
3.2.1 Escória de alto-forno
As escórias de alto-forno podem ser resfriadas de duas formas. Quando resfriadas lentamente, os seus componentes formam distintas fases cristalinas, e a escória recebe o nome de “Escória Bruta de Alto-Forno”. A outra forma é o resfriamento rápido, que ocorre quando a escória líquida é transportada para os granuladores e é resfriada de maneira brusca por jatos de água de alta pressão. Não havendo tempo de formação de cristais, a escória vitrifica e recebe o nome de “Escória Granulada de Alto-Forno” (ARCELORMITTAL TUBARÃO, 2015).
Para esse trabalho, utilizou-se a escória granulada de alto-forno, por ser gerada em maior quantidade na indústria siderúrgica local. A Figura 5 exibe a escória granulada de alto-forno.
A escória granulada de alto-forno (EGAF) possui um aspecto de uma areia grossa, porosa, de fratura vítrea observada com lupa, com um tamanho máximo do grão, de 5 mm, cor branca amarelada e marrom. A escória bem granulada é essencialmente amorfa (ARCELORMITTAL TUBARÃO, 2015).
Fonte: Autora, 2018.
Segundo NBR 10004:2004, a escória granulada de alto-forno é classificada como resíduo não perigoso de Classe II A – Não Inerte; quanto à origem, de acordo com a PNRS (2010), é classificada como resíduo industrial. A composição química da escória de alto-forno varia conforme as composições das matérias-primas da produção do aço. Basicamente, a escória é formada de óxidos de cálcio (CaO), silício (SiO2), alumínio (Al2O3) e magnésio (MgO), e em menores quantidades FeO,
Fe2O3, MnO, TiO2, P2O5, SO3 e outros (ARCELORMITTAL TUBARÃO, 2015;
DHOBLE; AHMED, 2018; DIEGUEZ et al., 2019).
Com o passar dos anos, o aumento da capacidade produtiva mundial também aumentou a geração de escória, que corresponde a aproximadamente 20% em massa da produção de aço bruto. A escória de alto-forno, por ser gerada em grande quantidade e, consequentemente, requerer grandes áreas para despejo, é uma das maiores questões das siderúrgicas. Com isso, diversos estudos têm sido realizados para definir possíveis aplicações ao resíduo industrial. Observa-se, por meio de análises de publicações, que a China, seguida do Japão, são os países mais ativos em pesquisas sobre os possíveis usos da escória do aço (DHOBLE; AHMED, 2018).
As características físicas da escória de alto-forno desempenham um papel importante na sua utilização. Com uma estrutura porosa, densidade aparente de 3,3 g/cm³, alta resistência mecânica, alto ponto de fusão e textura superficial áspera, suas propriedades a tornam um material com grande potencial tecnológico para aplicações na engenharia (DHOBLE; AHMED, 2018).
Atualmente, é ampla a aceitação da escória incorporada a materiais de construção. Estudos indicam a possibilidade de utilização da escória na construção de estradas e de aterros estruturais para projetos de construção; como agregado na produção de blocos de concreto (mesmo se submetido a meio agressivo) e como substituinte parcial da matéria prima na fabricação do cimento Portland (COLLINGS; MILLER, 1979; RIBEIRO ET AL., 2014; SHI; QIAN, 2000).
Outras aplicações incluem o setor da agronomia. A EGAF pode atuar como fonte de nutrientes (Ca e Mg) para as plantas e como corretivo de acidez do solo, melhorando as características do plantio (CARVALHO-PUPATTO; BÜLL; CRUSCIOL, 2004; PRADO ET AL., 2003; PRADO; FERNANDES; NATALE, 2003). Também pode ser aplicada como adsorvente para remoção de diversos íons metálicos de soluções aquosas, fosfato e amônio da água do mar e corantes de águas residuais (BHATNAGAR; SILLANPÄÄ, 2010; KHELIFI ET AL., 2002; GUPTA ET AL., 2003).
O estudo de Dhoble e Ahmed (2018) reuniu uma diversidade de aplicações para a escória de alto-forno, as quais estão apresentadas na Tabela 1.
Tabela 1 - Aplicações da escória de alto-forno de acordo com o volume utilizado.
Volume de escória
utilizada Aplicações da escória de alto-forno Alto Lastro para ferrovia
Agregado de concreto Agregado em betume
Produção de cimento Portland
Agregado de antiderrapantes para pavimentação Material de construção (argamassa/reboco) Médio Nivelamento de aterros
Fonte de ferro para algas marinhas Fertilizantes
Mistura asfáltica
Produção de isolantes térmicos Matéria-prima para cerâmica Baixo Remoção de dióxido de carbono
Carbonato de cálcio
Tratamento de águas residuais (remoção de fósforo, metais pesados e outros)
Catalisador
Recuperação de metais pesados
Fonte: Adaptado de Dhobler; Ahmed, 2018.
3.3 MATERIAIS CERÂMICOS
Os materiais cerâmicos são materiais inorgânicos e não metálicos. Estes podem apresentar diversos arranjos estruturais, o que permite a obtenção de produtos com diferentes aplicações tecnológicas e propriedades. Adicionalmente, propriedades desejáveis das cerâmicas são obtidas normalmente por meio de um processo de tratamento térmico e alta temperatura, a queima. Os cerâmicos são materiais que suportam altas temperaturas, possuem boa resistência química, mecânica e ao desgaste. São geralmente duros e isolantes (ACERAM, 2016; CALLISTER 2016; REIS, 2007).
Segundo a Associação Brasileira de Cerâmica (ABCERAM, 2016), os materiais cerâmicos podem ser subdivididos em função de fatores como matérias-primas,
propriedades e áreas de utilização. Dessa forma, as classificações de materiais cerâmicos são:
• Cerâmica vermelha (ex.: tijolos e telhas);
• Materiais de revestimento (placas cerâmicas, ex.: azulejo, piso e porcelanato); • Cerâmica branca (ex.: louça de mesa ou artística);
• Materiais refratários, os quais têm como finalidade suportar altas temperaturas;
• Isolantes térmicos;
• Fritas e corantes (matérias-primas para acabamentos de diversos segmentos cerâmicos);
• Abrasivos (ex.: carbeto de silício); • Vidro, cimento Portland e cal;
• Cerâmica de alta tecnologia ou cerâmica avançada; como exemplo têm-se os materiais para implantes em humanos, para satélites, naves espaciais e outros.
3.3.1. Matérias-primas
Uma das matérias-primas mais amplamente utilizadas na fabricação de produtos cerâmicos é a argila, a qual é encontrada naturalmente em abundância, como resultado do intemperismo, da ação hidrotérmica ou que se depositaram como sedimentos (SANTOS, 1989).
A argila é um material terroso, de granulometria fina e que geralmente adquire plasticidade quando misturado com uma quantidade limitada de água. Essa propriedade permite que o material possa ser moldado, sem se romper, pela aplicação de uma tensão, sendo que a deformação se mantem, mesmo após a retirada da tensão. A plasticidade é resultante das forças de atração entre as partículas de argilominerais e a ação lubrificante da água entre as lamelas (camadas de argilominerais), que possibilita o deslizamento a partir de uma força tangente. Além disso, como as moléculas de água estão presas na superfície dos
argilominerais por ligações de hidrogênio, elas também servem para ligar as partículas entre si na forma úmida (a verde) da argila, dando origem às formas de resistência mecânica a verde da argila (SANTOS, 1989).
Todas as argilas são constituídas essencialmente por partículas cristalinas extremamente pequenas de um número restrito de minerais conhecidos como “argilominerais”, os quais são quimicamente compostos por silicatos hidratados de alumínio e ferro, contendo ainda, geralmente, certo teor de elementos alcalinos e alcalinos-terrosos. Além dos argilominerais, as argilas geralmente contêm outros materiais e minerais, tais como matéria orgânica, sais solúveis e partículas de quartzo, pirita, mica, calcita, dolomita e outros minerais residuais. Podem conter também minerais não cristalinos ou amorfos. Quanto à granulometria, a argila possui elevado teor de partículas de tamanho abaixo de 2 µm (SANTOS, 1989).
As matérias-primas que compõem a massa cerâmica podem ser classificadas em plásticas e não-plásticas. As plásticas conferem importantes características na fase de conformação das peças cerâmicas, tais como trabalhabilidade e resistência mecânica a cru, e no processamento térmico, como estrutura e cor. As matérias-primas não-plásticas também atuam nas fases de conformação e secagem, diminuindo a retração das peças e favorecendo a secagem, e na fase do processamento térmico, controlando as deformações e a sinterização. Devido principalmente ao seu papel na fase de queima, os materiais não-plásticos são ainda qualificados como inertes, vitrificantes e fundentes (MOTTA et al., 2002).
Albert Atterberg definiu limites em que a argila pode ser facilmente moldada, são os denominados limites de Atterberg. O limite de plasticidade (LP) ocorre quando há a quantidade mínima de água para que a argila seja moldada sem se quebrar. Já o limite de liquidez (LL) expressa a quantidade máxima de água capaz de ser adicionada à argila, de forma que ela ainda seja moldável, antes que se torne uma pasta incapaz de manter a forma. A diferença entre o LL e o LP fornece o índice de plasticidade (IP) (ANDRADE; AL- QURESHI; HOTZA, 2011).
Existem diversos tipos de argilas. Para a cerâmica de revestimento, as argilas plásticas utilizadas são as chamadas de ball-clays, as quais são geralmente
sedimentares e queimam com cores branca ou clara. São utilizadas para conferir plasticidade e resistência mecânica elevadas às massas no estado cru e após a queima. Podem, ainda, ser utilizadas como material refratário. Essas são constituídas geralmente por caulinita, além de matéria orgânica e possivelmente outros minerais, como gibsita, mica, quartzo, e argilominerais como ilita e montmorilonita. As características das ball-clays se devem à composição e à granulometria predominantemente fina (diâmetro equivalente abaixo de 2 µm) (SANTOS, 1992).
Outra matéria-prima da cerâmica de revestimento é o caulim. O argilomineral predominante nos caulins é geralmente a caulinita. Quanto à cor, os caulins queimam na cor branca. Dois tipos de caulins podem ser considerados, sendo eles os caulins residuais e sedimentares, os quais se diferenciam quanto à origem geológica e, consequentemente, quanto à plasticidade (KUMAYAMA, 2007; MOTTA et al., 2002; SANTOS, 1992).
Os caulins sedimentares resultam do transporte, deposição e purificação de caulins primários por meio de correntes de água doce e matéria orgânica. O processo de sedimentação nesses locais fragmenta e expõe as partículas de caulinita à interação com matéria orgânica e soluções aquosas, que lhes confere grande plasticidade, formando as argilas plásticas. Por outro lado, os caulins residuais são encontrados no local em que se formaram (sem transporte), com baixa plasticidade e baixa resistência mecânica a cru (KUMAYAMA, 2007; MOTTA et al., 2002; SANTOS, 1992).
Além das argilas ball-clays e dos caulins, outras matérias-primas sem plasticidade, como o quartzo finamente moído e materiais fundentes, também são utilizados no preparo da massa de cerâmica de revestimento. O quartzo é um material não plástico introduzido na massa como fonte de sílica, que atua diminuindo deformações de secagem e queima pelo ajuste do coeficiente de expansão térmica, aumentando a estabilidade dimensional da peça cerâmica (MORELLI; BALDO, 2003).
A importância dos materiais fundentes está na capacidade de diminuir a temperatura de formação das primeiras fases líquidas que aparecem durante a queima. Esse líquido preenche as cavidades do corpo cerâmico, portanto, os materiais fundentes são os responsáveis iniciais pelo processo de densificação que contribuem para a diminuição da porosidade das peças, aumentando a resistência mecânica do porcelanato. Os elementos relacionados à formação de fase líquida são os óxidos alcalinos (Na2O e K2O) e alcalino-terrosos (CaO e MgO). Alguns materiais fundentes
mais utilizados são: feldspato sódico, feldspato potássico, feldspatos cálcicos e filitos (MORELLI; BALDO, 2003; RIELLA, FRANJNDLICH; DURAZZO, 2002; RODRIGUEZ, 2004).
Diversas propriedades dos materiais cerâmicos devem ser consideradas para comprovar a aplicabilidade do material, tais como plasticidade, resistência mecânica a verde (úmido) e a seco, retração linear de secagem, compactação e viscosidade de barbotinas aquosas. Essas propriedades são desenvolvidas pela interação das argilas com a água. (SANTOS, 1989).
O fator econômico é muito importante no processo de escolha das matérias-primas. Os valores das argilas variam com o tipo, a forma comercializada, a qualidade da argila e o uso final previsto. Adicionalmente, os custos relacionados ao transporte podem ser críticos, optando-se pela busca por matérias-primas da região de produção da cerâmica (SANTOS, 1989).
Diferente de outros setores produtivos, o setor cerâmico utiliza, basicamente, matérias-primas naturais, como quartzo, feldspatos, calcários etc, que são transformadas para formação dos produtos. Uma grande quantidade de matéria-prima não renovável é consumida anualmente na produção de materiais cerâmicos. Para reduzir esse consumo, a incorporação de materiais alternativos às matérias-primas naturais, como os resíduos industriais, vem sendo estudada e aplicada. Além disso, a incorporação de resíduos contribui para a diminuição do volume desses materiais dispostos em aterros (MODESTO et al., 2003; REIS; VALENZUELA-DIAZ, 2016). Algumas pesquisas neste sentido são descritas no item 3.4.
3.3.2. Processamento de cerâmicos
De um modo geral, as etapas de fabricação de produtos cerâmicos são: preparação das matérias-primas, preparação da massa, formação das peças, tratamento térmico das peças (secagem e queima), acabamento, esmaltação e decoração. Como esperado, as mudanças que ocorrem durante os processos de secagem e de queima, assim como as características da peça acabada, são influenciadas pelas proporções das matérias-primas (ABCERAM, 2016).
Após a extração das matérias-primas naturais que compõem o produto cerâmico, essas passam por tratamentos preliminares importantes para garantir a qualidade do produto acabado. Dessa forma, as matérias-primas passam pelo processo de cominuição, no qual ocorre a fragmentação das partículas. Para isso, há diversos equipamentos disponíveis, sendo que o moinho de bolas é amplamente utilizado em indústrias cerâmicas (NORTON, 1973).
A etapa de moagem influencia a velocidade de decomposição dos carbonatos durante a queima, condicionando, portanto, a temperatura em que não se identificam mais emissões de CO2. Além disso, o grau de moagem pode influenciar a
reatividade entre os componentes durante a queima, de modo que uma reatividade forte favorece a formação de cristais e contribui para melhorar as características mecânicas do material queimado (OLIVEIRA, 2000).
Os moinhos de bolas são utilizados para moer de maneira fina materiais como quartzo e feldspato, podendo ser usados a úmido ou a seco. São geralmente cilindros ocos contendo bolas de elevada dureza no interior, que, devido ao movimento de rotação do cilindro, caem umas sobre as outras, fragmentando as partículas de matérias-primas existentes entre elas (NORTON, 1973).
Após a preparação das matérias-primas, inicia-se o processo de conformação da massa cerâmica. Na prensagem “a seco”, as partículas das matérias-primas são comprimidas a um volume determinado por meio da aplicação de pressão, obtendo-se o empacotamento e a aglomeração das partículas. De acordo com a forma, o arranjo, e a distribuição dos tamanhos das partículas, o fator de empacotamento
varia, afetando diretamente na porosidade aparente da peça. O objetivo da compactação através da prensagem é obter elevada densidade a verde (OLIVEIRA, 2000; VAN VLACK, 1973).
Após a conformação, as peças cerâmicas passam por tratamentos térmicos. As temperaturas elevadas contribuem para a secagem prévia do produto conformado; para reduzir a porosidade; para modificar as tensões residuais; e para produzir a cristalização (VAN VLACK, 1973).
Quando o produto é fabricado por prensagem, ele contém pequenas quantidades de líquidos ligantes que devem ser eliminados. A operação de secagem ocorre de forma que, concomitantemente à evaporação de água residual, verifica-se um aumento da resistência mecânica da peça. Para evitar problemas de fissuras, é conveniente atentar-se ao tempo de secagem, de forma a manter a retração dimensional entre 0 e 0,3% no máximo (OLIVEIRA, 2000; VAN VLACK, 1973).
Seguida da secagem, está a etapa de queima ou sinterização, cuja finalidade é aglomerar as partículas formando uma massa coerente. A queima promove alterações importantes na cerâmica: redução na área específica total; redução no volume aparente total e aumento da resistência mecânica. As curvas de queima e a temperatura de trabalho dos fornos durante a queima devem permitir a evolução das reações entre os diversos componentes, de forma que sejam obtidas as características finais do suporte. Em seguida, o resfriamento prossegue lentamente para amenizar ou mesmo equilibrar as tensões (OLIVEIRA, 2000; VAN VLACK, 1973).
3.3.3. Cerâmicas para revestimento e porcelanatos
Os produtos cerâmicos podem ser classificados em alguns tipos, como visto no item 3.3. Dentre eles, há os revestimentos cerâmicos, que, segundo a Associação Paulista das Cerâmicas de Revestimento (2016), em 2015, atingiu a marca de 899 milhões de metros quadrados produzidos no Brasil. Com isso, o país se tornou o
segundo maior produtor (e consumidor) global de revestimentos cerâmicos, sendo superado apenas pela China.
Segundo a norma ABNT NBR 15463:2013, define-se placas cerâmicas para revestimento:
Material composto de argila e outras matérias-primas inorgânicas, geralmente utilizadas para revestir pisos e paredes, sendo conformado por extrusão, ou por prensagem, pode também ser conformado por outros processos. Pode ser esmaltado ou não esmaltado, em correspondência com os símbolos G (glazed) ou U (unglazed). As placas são incombustíveis e não são afetadas pela luz.
Ainda, de acordo com a ABNT NBR 15463:2013, entende-se porcelanato como uma placa cerâmica para revestimento com baixa porosidade, absorção de água menor ou igual a 0,5% e elevado desempenho técnico (elevada resistência).
O porcelanato pode ser classificado como: porcelanato técnico ou esmaltado; polido ou natural; retificado (desbastado na lateral) ou não retificado; pastilha de porcelana (área igual ou inferior a 50 cm² e com maior lado da peça limitado a 10 cm); de classe A, quando 95% ou mais das peças examinadas não apresentam defeitos visíveis na distância-padrão de observação conforme a norma; e/ou produto de formato irregular (ABNT, 2013).
Quanto às aplicações dos porcelanatos, esses são muito versáteis, podendo ser utilizados tanto em residências e escritórios quanto em áreas comerciais de alto tráfego. A Figura 6 ilustra algumas dessas aplicações, como porcelanato aplicado em piso amadeirado e ladrilhado e bancada de porcelanato.
O porcelanato é gerado pela mistura entre a argila e outras matérias-primas nobres que, após o processo produtivo, dá origem a um produto compacto com menor possibilidade de dilatação térmica (o que permite juntas mais estreitas entre uma placa e outra). As características principais deste revestimento são a uniformidade de coloração, a alta resistência à abrasão física e química, a baixíssima absorção de água, a menor suscetibilidade a manchas, a maior densidade e o alto desempenho; permitindo, assim, diversas aplicações (PORTOBELLO, 201-?).
Figura 6 - Aplicações de porcelanatos em residências.
Fonte: Adaptado de Biancogrês (2018).
3.4 RESÍDUOS INCORPORADOS EM CERÂMICAS
O setor de revestimentos cerâmicos pode ser visto como uma possibilidade de inserção de resíduos gerados em diferentes processos industriais, de forma que seja uma alternativa ao descarte em aterros sanitários. Para a utilização de resíduos como matérias primas, realizam-se estudos para verificar se as incorporações de resíduos permitem que o novo material se mantenha dentro das normas vigentes. Alguns exemplos são apresentados a seguir.
MENEZES et al. (2002) estudaram a aplicabilidade dos resíduos da serragem do granito provenientes de 3 empresas distintas como matéria prima na produção de blocos e revestimentos cerâmicos com diferentes composições. Foram feitos ensaios com corpos de prova com porcentagens de incorporação de 20% a 60% de resíduos para produção de blocos cerâmicos. Para revestimentos cerâmicos, a proporção de resíduos variou de 15% a 40%. Ao se comparar a massa específica e a granulometria do resíduo com as das matérias-primas convencionais não plásticas (quartzo e feldspato), os resultados se mostraram dentro das faixas de referência. Quanto à composição química também houve semelhança. Para os blocos de cerâmica vermelha todas as composições atenderam aos requisitos normativos quanto à absorção de água e os blocos com até 50% de adição de resíduo se adequaram quanto aos ensaios de módulo de ruptura. Quanto aos revestimentos cerâmicos, apenas a formulação com resíduo de uma das empresas não se adequou às normas.
MODESTO et al. (2003) formularam massas para pavimentos cerâmicos a partir de resíduos sólidos gerados no próprio processo de fabricação de placas cerâmicas de revestimento. A empresa, fabricante de revestimentos cerâmicos, forneceu aos pesquisadores dois resíduos na forma de lodo que eram provenientes de suas estações de tratamento de efluentes (ETEs). As matérias-primas, após moagem para adequação da granulometria, e o resíduo foram caracterizados. Corpos de prova com 6 diferentes formulações foram moldados, submetidos à queima e caracterizados. Quanto à composição química, MODESTO et al. (2003) concluíram que as matérias-primas e os resíduos possuem características típicas de composições utilizadas na formulação de massas industriais. A perda ao fogo também se encontra dentro de limites aceitos industrialmente. A granulometria dos resíduos é menor do que a da argila que compõe a massa, ainda, os resíduos apresentaram maior densidade e menor absorção de água. Todas as formulações se mostraram adequadas quanto aos limites referentes às propriedades medidas (resistência mecânica à flexão, absorção de água e densidade aparente), no entanto, a formulação com 20% de argila, 50% de Resíduo A e 30% de Resíduo B foi considerada a mais otimizada para uma dada aplicação e de acordo com a demanda de resíduos gerados.
Reis e Valenzuela-Diaz (2016) estudaram a incorporação de resíduos gerados nas próprias olarias (resíduo de massa cerâmica crua originado na etapa de conformação das peças) em cerâmica vermelha. Corpos de prova com massa argilosa e adição de 10% a 90% em massa de resíduos foram conformados. A análise química classificou o resíduo como um material sílico-aluminoso com teores dentro dos intervalos estabelecidos para matérias-primas de cerâmica vermelha, assim como o valor da perda ao fogo. O índice de plasticidade do resíduo indica que esse é altamente plástico, podendo demandar maior quantidade de água para extrusão e maior tempo de secagem das peças. Por promover a diminuição dos valores de perda ao fogo e retração volumétrica de queima, a incorporação do resíduo causou uma maior estabilidade dimensional nos corpos de prova estudados por Reis e Valenzuela-Diaz (2016). Ainda, a resistência à compressão aumentou com a incorporação do resíduo e os valores de absorção de água e massa específica aparente se mostraram dentro dos limites especificados para as argilas-padrão brasileiras. Já a porosidade aparente é atendida para valores de incorporação de resíduo acima de 60% (em massa). O estudo comprovou que o resíduo de massa cerâmica crua, quando incorporado à massa argilosa, promove melhoria nas propriedades dos produtos de cerâmica vermelha.
Cúnico (2015) analisou o uso do resíduo pó de exaustão gerado no processo de moldagem em areia verde na indústria de fundição como matéria-prima para a indústria de revestimento cerâmico. As matérias-primas empregadas foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV), difração de raios-X (DRX), fluorescência de raios-x (FRX), granulometria, densidade picnométrica, perda ao fogo, análise térmica diferencial e termogravimétrica. Foram analisados três fatores: teor de resíduo (variando de 10% a 50%), pressão de compactação (entre 10 e 80 MPa) e temperatura de sinterização (1000, 1100 e 1200°C). Concluiu-se que o resíduo pode ser incorporado, visto que: a composição química do resíduo é semelhante à da massa atomizada; a perda ao fogo do resíduo é de 15,7% e da massa atomizada é de 17,01%; ambos apresentam tamanhos das partículas com valores próximos; e o resíduo é considerado apto a ser utilizado por legislações ambientais. Quanto aos ensaios realizados com os corpos de prova, foi observado que percentuais elevados de pó de exaustão incorporados na massa com o aumento
da temperatura facilita a formação de fase líquida, e uma menor porosidade para temperaturas maiores em cargas de compactação elevadas.
Rodrigues (2017) estudou a incorporação do resíduo inorgânico do processo Kraft de fabricação de celulose (dregs) e do resíduo gerado na lapidação de vidros planos (RLVP) na produção da cerâmica vermelha. Para isso, primeiramente realizou misturas binárias (argila + resíduo) para avaliar a influência de cada resíduo na massa separadamente, ou seja, variou o percentual de dregs entre 0 e 40% em massa e o de RLVP entre 0 e 50% em massa. Com isso, foi capaz de limitar o uso de cada resíduo em no máximo 20% (dregs) e 30% (RLVP). Em seguida, confeccionou corpos de prova com misturas ternárias (argila + dregs + RLVP), variando o conteúdo total de resíduos entre 0 e 50% em massa. O trabalho mostrou que é possível a incorporação dos resíduos em substituição parcial da argila em cerâmica vermelha e que a melhor formulação é com a adição de 10% de cada resíduo e temperatura de queima de 950°C.
Tarhan, Tarhan e Aydin (2017) prepararam porcelanatos vitrificados contendo argilas, caulim, pegmatita, feldspato e incorporaram o resíduo da fabricação de louças sanitárias. Foram testadas duas substituições: do feldspato em 5%, 10% e 15% em massa e da pegmatita nas mesmas porcentagens. Os corpos de prova foram prensados com 320 kg/cm² em formato de 100x50 mm e queimados a 1185ºC. Os resultados da substituição do feldspato pelo resíduo foram de diminuição da resistência à flexão e aumento considerável da absorção de água e da retração de queima. Por outro lado, a substituição por pegmatita foi benéfica, havendo aumento da resistência à flexão e redução da absorção de água com o aumento do teor de resíduos.
O estudo de Li et al. (2018) investigou a influência do teor de Fe2O3 nas cerâmicas
com substituição parcial das matérias-primas tradicionais por escória de aço. Sabe-se que o Fe2O3 (substância presente em materiais resultantes de processos
metalurgicos) pode ter efeito prejudicial nas propriedades das peças cerâmicas dependendo da proporção adicionada, tendo em vista que essa substância reduz o ponto de fusão durante o processo de sinterização, podendo resultar em deformações. No entanto, o estudo da variação de 0 a 10% em massa de Fe2O3
revelou ser vantajosa tal substituição. O Fe2O3 atuou como um fundente no
processo, promovendo a formação de fase líquida em temperaturas mais baixas: a temperatura ótima de sinterização reduziu de 1275°C para 1200°C com o aumento de 0 a 10% da substância. Além disso, houve melhora nas propriedades das peças, como o aumento da resistência mecânica e redução da absorção de água, fatores cujos valores ótimos ocorreram com a presença de cerca de 5% de Fe2O3.
Concluiu-se que resíduos sólidos com alta concentração de ferro podem Concluiu-ser incorporados à produção de materiais cerâmicos, desde que observada a composição adequada. A reciclagem dos resíduos de vidro dentro do próprio processo é, por vezes, uma tarefa difícil tendo em vista que, para isso, o resíduo deve estar livre de impurezas e separado por tipo e cor. O uso do resíduo de vidro na produção de cerâmicas brancas não é tão restritivo, e, somado a isso, a grande quantidade de matéria-prima utilizada na produção de cerâmicas torna o setor atrativo para a reciclagem desses materiais. Portanto, muitos estudos foram realizados na área e algumas das variáveis constatadas relevantes na densificação dos corpos de prova cerâmicos foram: granulometria das partículas; temperatura e tempo de queima; quantidade de fase vítrea e viscosidade durante a queima. Além disso, os estudos concluíram por meio da composição química dos pós de vidro que esse é um possível substituto dos feldspatos, podendo atuar como fundente na massa cerâmica e favorecendo a preservação dos minerais naturais. As cerâmicas com resíduo de vidro de estudos comumente apresentaram resistência mecânica inferior às usuais, isso porque esse resíduo proporciona o crescimento dos poros fechados, menor teor de fase cristalina e menor resistência da matriz vítrea. Apesar disso, foi amplamente comprovado que o pó de vidro é um substituto parcial de matérias-primas cerâmicas (ZIMMER; BRAGANÇA, 2019).
A incorporação dos resíduos escória de alto-forno e cinzas provenientes de sistemas de despoeiramento de termelétricas em massa de porcelanato foi estudada por Dana; Dey e Das (2005). A massa de porcelanato estudada trata-se de um sistema caulim-quartzo-feldspato. Parte do trabalho observou os efeitos da substituição de 15% em massa de feldspato por escória. Quando realizada a análise da composição química da mistura sem resíduos e da mistura com escória incorporada,
