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Anais do 43º Congresso Brasileiro de Cerâmica 29001

2 a 5 de junho de 1999 - Florianópolis – S.C.

APROVEITAMENTO DE UM RESÍDUO INDUSTRIAL EM UMA MASSA CERÂMICA PARA PISOS

J. Vicenzi e C. P. Bergmann

Av. Oswaldo Aranha 99/711 90.035-190 PoA/RS

e-mail: [email protected]

Departamento de Materiais - EE - UFRGS

RESUMO

Este trabalho apresenta o estudo da utilização de um resíduo industrial, escória

de aciaria (EA) em uma massa cerâmica para piso. A adição desse resíduo, em

diferentes quantidades e granulometrias tem o objetivo de reduzir a porosidade aberta

e a temperatura de sinterização, bem como aumentar a resistência mecânica. Os

resultados deste estudo mostram que a utilização da EA em uma massa para piso

cerâmico diminui a porosidade aparente e absorção de água, enquanto que aumenta a

resistência mecânica e a retração linear, até um limite de temperatura de sinterização,

onde então a relação entre as propriedades se inverte.

Palavras-chaves: resíduo industrial, piso cerâmico, propriedades mecânicas

INTRODUÇÃO

A indústria siderúrgica é tradicionalmente geradora de variados resíduos sólidos

em grandes quantidades. A escória de aciaria – principalmente a originária da

fabricação de aços inoxidáveis, ao lado de outros resíduos como pó de aciaria, restos

de refratários, carepa, lama de decapagem – tem representado para o setor

siderúrgico uma preocupação constante, pois a solução tradicionalmente adotada –

deposição acumulativa -, não é a mais condizente com as novas tendências mundial

em questões ambientais.



O estudo da incorporação de escória de aciaria de aço inox a massas cerâmicas

de argila vermelha tem por base dois aspectos relevantes que dizem respeito à

natureza do resíduo:

i) composição química. A composição química da escória de aciaria é

constituída predominantemente por óxidos típicos da composição de argilas, como é o

caso do Al2O3, CaO, SiO2 e Fe2O3;

ii) inércia térmica: as escórias apresentam estabilidade química elevada para as

temperaturas envolvidas no processamento cerâmico de argilas vermelhas. Portanto,

poderiam ser empregadas como inerte, assim como chamota é empregada, para

melhorar o comportamento das argilas durante o processamento térmico.

Outro aspecto é a quantidade gerada que é bastante compatível em relação às

quantidades processadas comumente por cerâmicas estruturais; uma única cerâmica

em média processa cerca 60 ton de argila por dia. Como conseqüência, a aditivação

pode dar-se a teores consideravelmente baixos, não acarretando em modificações

críticas na microestrutura do produto cerâmico e, portanto, em suas propriedades de

interesse;

No aspecto ambiental, a inertização de escórias na massa cerâmica sinterizada

apresenta como atrativo o fato do processamento cerâmico não gerar sub-produtos

sólidos. Com isso, estaria satisfeita a tendência atual, a nível mundial em tratamento

de resíduos sólidos, qual seja a de o resíduo de um determinado processo de

fabricação servir de matéria-prima para um outro processo, e assim sucessivamente,

até à um último processo, onde não haveria resíduo. Esta proposta tem o nome de

Resíduo Zero. Portanto, o processo de fabricação cerâmica torna-se atraente para

reduzir o número de etapas da cadeia para a obtenção de zero de resíduo.

Desta forma objetivou-se neste trabalho introduzir o resíduo industrial de uma

siderurgia (EA) a uma massa para piso cerâmico, visando a melhora na formulação

final, quanto as propriedades físicas e mecânicas e a reciclagem de um subproduto da

siderurgia.

MATERIAIS E MÉTODOS

Matérias-Primas Utilizadas



No desenvolvimento deste trabalho utilizou-se duas matérias-primas específicas:

material plástico- argila vermelha, material fundente, não plástico- escória de aciaria.

Argila Vermelha. A argila é um material de granulometria fina e que apresenta certa

plasticidade quando em contato com a água (GRIM,1955) (1). A argila investigada neste

trabalho é proveniente da região de Gravataí, na Grande Porto Alegre e após coletada

e preparada para uso foi caracterizada segundo sua mineralogia, composição química

e propriedades físicas (2). Os resultados de caracterização da argila são apresentados

na Tabela I.

Tabela I: Características mineralógicas, químicas e físicas da argila vermelha.

Carcterização Argila

Análise Método do Pó: caolinita, ilita, hematita e quartzo

Mineralógica Método dos Argilominerais: caolinita, ilita, esmectita e quartzo

Análise Química*

69,86% SiO2; 13,94% Al2O3; 5,75% Fe2O3; 2,60% K2O; 1,09% MgO

Propriedades Limite de plasticidade 34%

Físicas Granulometria D10: 0,7m;D50: 2,9 m; D90: 12,6 m

Dilatação térmica linear = 8,47 x 10-6 °C-1

*Componentes de maiores concentrações

Escória de Aço. A escória de aço inox (EA) é derivada de uma indústria siderúrgica e

é recebida sob a forma de torrões ( 5 cm) cinzas. Este resíduo é de fácil acesso, com

disponibilidade de consumo e baixo custo. A análise por fluorescência de raio X

apresentou a seguinte composição química para EA: 22% SiO2; 37,1% CaO; 9,43%

FeO; 8,91% MgO; 8,59% Cr2O3; 7,54% Al2O3 e demais componentes de menores

concentrações. A Tabela II apresenta a granulometria utilizada para esta matéria-

prima.Tabela II: Distribuição granulométrica da escória de aço.

Nomenclatura Tamanho de Partícula (P)

Esçoria de aço fina (EF) 212 m P 106 m

Esçoria de aço média (EM) 300 m P 212 m



Esçoria de aço grossa (EG) 850 m P 300 m

Procedimento Experimental

A argila foi seca em uma estufa de temperatura controlada a 110°C por 24 horas.

Após a secagem este material foi moído e peneirado em uma peneira de 20 mesh (P

850m) para desagregar o material(3). A EA foi primeiramente britada (britador de

rolos), em seguida pulverizada e moída em moinho de bolas, obtendo-se um pó cinza

com distintas granulometrias, separadas e classificadas conforme descrito na Tabela

II. Diferentes formulações de argila e escória foram definidas, conforme indicado na

Tabela III.Tabela III - Formulações efetuadas com escória de aço e argila vermelha.

Matérias-Primas Argila EF (%) EM (%) EG (%)

Formulação Vermelha (%)Massa Pura 100 0 0 0

2% EF 0 2 0 0

5% EF 0 5 0 0

10% EF 0 10 0 0

2% EM 0 0 2 0

5% EM 0 0 5 0

10% EM 0 0 10 0

2% EG 0 0 0 2

5% EG 0 0 0 5

10% EG 0 0 0 10

Após a formulação, homogeneizou-se cada composição utilizando-se um moinho

de bolas periquito com uma proporção de 1:0,5; respectivamente de massa e corpos

moedores, por dez minutos. A etapa seguinte foi a umidificação de cada composição

com 10% de água e a posterior granulação do pó. As amostras foram conformadas



com carga de prensagem de 20MPa e com área da base do corpo de prova de

60x20mm2.

Após a secagem, por 24 horas ao ar em local ventilado, secagem lenta, e em

estufa com temperatura controlada de 110°C por 24 horas, procedeu-se a sinterização

a temperaturas de 850°C, 950°C e 1050°C, com taxa de aquecimento de 150°C/h e

tempo de patamar de 8 horas.

Para cada formulação, as amostras sinterizadas tiveram sua resistência

mecânica (resistência à flexão a quatro pontos), porosidade aparente e absorção de

água (método de Arquimedes) e retração linear determinadas(3,4).

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Absorção de Água e Porosidade Aparente

As Figuras 1 e 2 apresentam a variação da porosidade aparente e absorção de

água, respectivamente em função da temperatura de queima das amostras.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

800 850 900 950 1000 1050 1100

Temperatura (°C)

P. A

. (%

)

Massa Pura

2% EF5% EF

10% EF2% EM

5% EM

10% EM2% EG

5% EG10% EG

Figura 1: Porosidade aparente da massa pura e como das formulações, em função da

temperatura de queima.



0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

800 850 900 950 1000 1050 1100

Temperatura (°C)

A. A

. (%

)

Massa Pura

2% EF

5% EF

10% EF

2% EM

5% EM

10% EM

2% EG

5% EG

10% EG

Figura 2: Absorção de água da massa pura bem como das formulações em função da


Pelos resultados obtidos, pode-se verificar que todas as formulações apresentam

praticamente o mesmo comportamento, tanto em relação a porosidade quanto em

relação à absorção, com a diminuição acentuada destes valores com o aumento da

temperatura. Além disso, verifica-se que as formulações com escória de aciaria

apresentaram absorção de água e porosidade aparente inferiores a massa pura.

Obteve-se então uma diminuição destas propriedades devido à adição de substâncias

formadoras de fase vítrea durante o processo de queima, o que levou a uma mais

efetiva densificação da estrutura.

Resistência Mecânica

Os resultados obtidos de resistência mecânica para a massa pura, bem como de

argila vermelha aditivada com escória de aciaria, são apresentados na Figura 3.



0

5

10

15

20

25

30

0 200 400 600 800 1000 1200

Temperatura (°C)

R. M

. (M

Pa)

Massa pura

2% EF

5% EF

10% EF

2% EM

5% EM

10% EM

2% EG

5% EG

10% EG

Figura 3: Resistência mecânica da massa pura e das formulações aditivadas com

escória de aciaria em função da temperatura de queima.

Pelos resultados obtidos de resistência mecânica, pode-se verificar um aumento

desta propriedade a verde para quase todas as formulações, com exceção das

formulações 5% EF e 2%EG. Este comportamento é decorrente da facilidade em que a

água estrutural proveniente da argila tem em sair do interior do corpo cerâmico, devido

à adição de inertes na massa cerâmica.

Observa-se também que após a sinterização nas temperaturas de 850 e 950°C

houve um aumento da resistência mecânica para todas as formulações, em relação a

massa pura, comportamento este que pode ser explicado devido à maior densificação

da massa cerâmica; isto porque adicionou-se a mesma uma maior quantidade de

material fundente formador de fase vítrea (podendo ser observado na comparação das

micrografias da massa pura e da formulação 10%EM, após a queima a 1050°C -

Figuras 4 e 5), promovendo a diminuição da porosidade aparente da massa cerâmica.



Figura 4: Micrografia da massa pura após a queima a 1050°C para a observação da

densificação ocorrida e a presença de fase vítrea.

Figura 5: Micrografia da formulação 10% EM após a queima a 1050°C para a

observação da densificação ocorrida e a presença de fase vítrea (em maior

quantidade que na massa pura).

A correlação de valores entre a resistência mecânica e a porosidade aparente

nas temperaturas de queima utilizadas pode-se observar na Tabela IV.



Tabela IV correlação entre a resistência mecânica e a porosidade aparente das amostras.

FormulaçãoResistência mecânica Porosidade Aparente

850 950 1050 850 950 1050

Massa Pura 5,14 10,96 23,05 33,78 28,69 12,44

2% EF 11,51 25,40 29,73 27,73 12,26 0,77

5% EF 9,86 27,31 19,09 27,15 10,36 3,09

10% EF 11,72 20,45 15,00 28,90 14,16 3,16

2% EM 12,63 27,27 26,97 26,94 10,12 0,98

5% EM 11,84 23,95 21,22 29,01 11,70 0,82

10% EM 11,83 21,85 16,84 27,85 3,60 2,15

2% EG 11,39 26,42 25,93 29,80 12,46 2,20

5% EG 10,96 23,05 20,61 29,35 12,66 2,00

10% EG 11,40 22,01 20,62 22,67 12,47 1,53

Em relação à temperatura de sinterização de 1050°C a adição de 2% de escória

de aciaria tanto a fina como a média e grossa aumentou a resistência mecânica das

formulações em relação à massa pura, devido ao mesmo comportamento descrito

acima para as demais temperaturas de sinterização. Enquanto que a adição de 5 e 10

% de EA em diferentes granulometrias, diminuiu a resistência mecânica nesta

temperatura de sinterização, fato este explicado pela formação de gases no interior do

corpo cerâmico, aumentando a porosidade (e/ou tamanho do poro), com isto

aumentando defeitos e diminuindo a resistência mecânica do mesmo.

A Figura 6 apresenta a micrografia da formulação 5% EF após a queima a 850°C,

onde pode-se observar os poros de tamanho pequenos salientados na mesma. A

Figura 7 apresenta a micrografia da formulação 10% EM após a queima a 1050°C e os

poros de tamanho maior indicados na mesma. Assim, a evolução de tamanhos de

poros pode ser observada ao analisar-se ambas as micrografias, onde são indicados

os poros.

Anais do 43º Congresso Brasileiro de Cerâmica 290102 a 5 de junho de 1999 - Florianópolis – S.C.

Figura 6: Micrografia da formulação 5% EF após a queima a 850°C. As setas indicam

os poros observados.


Figura 7: Micrografia da formulação 10% EM após a queima a 1050°C. As setas

indicam alguns dos poros observados.


Retração Linear

A retração linear é apresentada na Figura 8 para a massa pura e para as

formulações efetuadas.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

800 850 900 950 1000 1050 1100

Temperatura (°C)

R. L

. (%

)

Massa Pura2% EF5% EF10% EF2% EM5% EM10% EM2% EG5% EG10% EG

Figura 8: Retração linear da massa pura bem como das formulações, em função da


A retração linear das formulações medida após a sinterização das amostras

aumentou de forma significativa para as temperaturas de queima de 850 e 950°C,

estando de acordo com as demais propriedades físicas analisadas. Na temperatura de

queima de 1050°C, a retração linear diminuiu devido ao inchamento e produção de

gases no interior do corpo cerâmico (provavelmente devido a quantidade de CaO

presente na escória de aço inox), mesmo tendo ocorrido uma maior densificação do

material, sendo comprovado pela diminuição da porosidade aparente e absorção de

água. Mas, em contrapartida, a resistência mecânica apresenta uma diminuição

conforme a diminuição da retração linear no intervalo de 950°C a 1050°, conforme

pode ser comprovado pela comparação das Figuras 3 e 4, apresentando um

comportamento semelhante para ambas as propriedades físicas.


Perda ao Fogo

A perda ao fogo dos corpos cerâmicos em função da temperatura de queima é

apresentada na Figura 9.

0

1

2

3

4

5

6

800 850 900 950 1000 1050 1100

Temperatura (°C)

P. F

. (%

) Massa Pura2% EF5% EF10% EF2% EM5% EM10% EM2% EG5% EG10% EG

Figura 9: Perda ao fogo da massa pura e formulações com escória de aciaria em

função da temperatura de queima.

A perda ao fogo de um material argiloso é caracterizada pela perda da água

higroscópica, perda da água estrutural e por reações ocorridas com a matéria

orgânica. Portanto, era de se esperar que com o aumento da temperatura de

sinterização da massa cerâmica sua perda ao fogo aumentasse, o que realmente

ocorre em todas as formulações para as temperaturas de 850 e 950°C, com exceção

da massa pura. A perda ao fogo diminui para as formulações na temperatura de

queima de 1050°C pelo mesmo fato citado anteriormente que diminui a retração linear

e diminui a resistência mecânica, ou seja a presença de material que se volatiliza e

cria bolhas internas.


CONCLUSÕES

I. A adição de escória de aciaria diminui a temperatura de sinterização da massa

cerâmica, obtendo-se melhores resultados para a formulação 2% EF.

II. Para as formulações com escória de aciaria obteve-se significativa diminuição da

porosidade aparente e absorção de água para praticamente todas as proporções

deste aditivo adicionado à massa pura.

III.A resistência mecânica das formulações apresenta-se superior a massa pura para a

temperatura de queima de 950°C, utilizada na indústria cerâmica.

IV. A EA é um material fundente, que ao ser adicionada à argila provoca a

diminuição da temperatura de sinterização, através da formação de fase vítrea, bem

como da porosidade aparente da massa cerâmica

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] SANTOS, P.S. “Tecnologia de Argilas: Aplicações”. V. 2, São Paulo, EDUSP

Ed., p. 341-347, 1975.

[2] SAKA, Sinhitiro. “Matérias Primas: Ensaios Tecnológicos de Argilas Visando Aplicações em Cerâmica”. Curso do IPT, v. 8, São Paulo, p. 27-39, 1993.

[3] FABBRI, B; FIORI, C e RAVAGLIOLI, A. “Materie Prime Ceramiche. Tecniche Analitiche e Indagini di Laboratorio”. V. 2, Faenza Ed., p. 293-329, 1989.

[4] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. “Standard Specification for Clay Roof Tiles”, ASTM - C 1167/90. Puiladelphia, 1990.


RECYCLE OF AN WASTE INDUSTRIAL IN A CERAMIC MASS FOR TILE FLOOR

ABSTRACT

This work presents the study of the scum aciaria used with the raw materials to tile

floor. The addition of EA in different amounts and granulometry, have the objective to

reduce the porosity open and the temperature sintering and increase the mechanical

resistence. The results displaied that the use of EA in tile floor mass decreases the

apparent porosity and absorption of water while it increases the mechanical resistance

and the lineal shrinkage, until a limit of emperature sintering, where the relationship

among the properties is inverted.

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