UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS

CURSO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS

ANDRÉ BUSSOLA GAGLIOTTI

ANÁLISE DA RECICLAGEM DE CAREPA DE AÇO POR MEIO DE PROCESSOS DE REDUÇÃO

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

LONDRINA

2019

1

ANDRÉ BUSSOLA GAGLIOTTI

ANÁLISE DA RECICLAGEM DE CAREPA DE AÇO POR MEIO DE PROCESSOS DE REDUÇÃO

LONDRINA 2019

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro de Materiais, do Departamento Acadêmico de Engenharia de Materiais, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Orientador: Prof. Dr. Marcio Andreato Batista Mendes Coorientadora: Profa. Dra. Silvia Midori Higa

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TERMO DE APROVAÇÃO

ANDRÉ BUSSOLA GAGLIOTTI

ANÁLISE DA RECICLAGEM DE CAREPA DE AÇO POR MEIO DE PROCESSOS DE REDUÇÃO

Trabalho de conclusão de curso apresentado no

dia 25 de junho de 2019 como requisito para

obtenção do título de Bacharel em Engenharia de

Materiais da Universidade Tecnológica Federal do

Paraná, Câmpus Londrina. O candidato foi arguido

pela Banca Examinadora composta pelos

professores abaixo assinados. Após deliberação, a

Banca Examinadora considerou o trabalho

aprovado.

_____________________________________________________

Prof. Dr. Fabiano Moreno Peres (UTFPR – Departamento Acadêmico de Engenharia de Materiais)

_____________________________________________________ Prof. Dr. Amadeu Lombardi Neto

(UTFPR – Departamento Acadêmico de Engenharia Mecânica)

_____________________________________________________ Prof. Dr. Marcio Andreato Batista Mendes

(UTFPR – Departamento Acadêmico de Engenharia de Materiais)

_____________________________________________________ Profª. Drª. Silvia Midori Higa

(UTFPR – Departamento Acadêmico de Engenharia de Materiais)

Coordenadora do Curso de Engenharia de Materiais

“A Folha de Aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso. ”

Ministério da Educação

Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Londrina

Coordenação de Engenharia de Materiais

3

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente à minha mãe Marli Regina Bussola Gagliotti e a meu

pai Benedito Aparecido Gagliotti pela confiança e suporte em minha vida.

Ao meu irmão Daniel Augusto Mori Gagliotti e a meu tio Claudio Leandro

Bussola pelo incentivo e apoio.

Ao Prof. Marcio Andreato Batista Mendes pela orientação e à Profa. Silvia

Midori Higa pela coorientação durante o período de desenvolvimento do presente

trabalho e pelo acompanhamento das atividades.

Aos professores, técnicos e estagiários que de alguma maneira passaram por

meu caminho durante a graduação.

A meus familiares e à minha namorada Maíza Ramos pela motivação e apoio.

A Deus, pela dádiva da vida.

4

“Eu agradeço, eu agradeço.

Você ter me virado do avesso

E ensinado a viver.

Eu reconheço que não tem preço

Gente que gosta de gente assim feito você”.

(Vinícius de Moraes, 1977)

5

RESUMO GAGLIOTTI, A. B. Análise da reciclagem de carepa de aço por meio de processos de redução. 2019. 49 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Departamento Acadêmico de Engenharia de Materiais, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Londrina, 2019. Em busca da sustentabilidade, as indústrias vêm investindo cada vez mais na tecnologia destinada ao gerenciamento de resíduos sólidos. Este comportamento impulsiona a necessidade de processos mais eficientes e menos agressivos ao meio ambiente, fazendo com que a reciclagem seja vista como uma grande área a ser explorada. O setor metalúrgico, responsável por gerar grande parte dos resíduos hoje em dia, tem explorado diversas técnicas de reaproveitamento de rejeitos, como é o caso da carepa que, por meio de processos de redução, se torna matéria-prima para produção de pó de ferro. É neste contexto que foi desenvolvido o presente trabalho. Inicialmente foi feita uma revisão bibliográfica a respeito da carepa de aço, em que o foco foi a reciclagem deste resíduo por meio do processo de redução dos óxidos de ferro, possibilitando, assim, a aplicação do pó de ferro resultante como matéria-prima em processos de manufatura aditiva. A metodologia utilizada foi baseada no levantamento de informações referentes à carepa, direcionando-as ao reaproveitamento do resíduo por meio do processo de redução. Por fim, a discussão teve o objetivo de expor o potencial e as vantagens de exploração da reciclagem da carepa, tanto economicamente quanto ambientalmente. Dessa forma, o aproveitamento da carepa como matéria-prima para produção de pó de ferro apresenta características técnicas e de mercado que a torna aplicável em diversos setores da indústria. Palavras-chave: Resíduo. Carepa de aço. Redução. Manufatura aditiva.

6

ABSTRACT

GAGLIOTTI, A. B. Analysis of steel scrap recycling through reduction processes. 2019. 49 p. Monography (Graduation) – Bachelor’s Degree in Materials Engineering. Federal Technological University of Paraná. Londrina, 2019. In search of sustainability, industries have been investing more and more in the technology destined to solid waste management. This behavior drives the need for more efficient and less environmentally aggressive processes, making recycling to be seen as a large area to be explored. The metallurgical sector, which is responsible for generating a large part of the waste nowadays, has explored several reuse techniques, as the steel scale, through reduction processes, becomes a raw material for the production of iron-powder. It is in this context that the present work was developed, a bibliographical review was made regarding the steel scrap, in which the focus was the recycling of this residue by means of the reduction process of the iron oxides, thus allowing the application of the resultant iron-powder as a raw material in additive manufacturing processes. The methodology used was based on the collection of information on the steel scale, directing them to the reuse of the waste through the reduction process. Finally, the purpose of the discussion was to expose the potential and the advantages of steel scale recycling exploration, both economically and environmentally. Thus, the utilization of steel scale, as a raw material for the iron powder production presents technical and market characteristics that makes it applicable in several sectors of the industry. Keywords: Residue. Scale. Reduction. Additive manufacturing.

7

LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 – DIAGRAMA DE BLOCOS DA OBTENÇÃO DO AÇO .......................... 17

FIGURA 2 – CAREPAS NA SUPERFÍCIE E ELIMINADAS DO TARUGO

DE AÇO ............................................................................................... 18

FIGURA 3 – RESÍDUOS ESTUDADOS NO BRASIL ............................................... 18

FIGURA 4 – DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO-OXIGÊNIO .............................. 19

FIGURA 5 – REPRESENTAÇÃO DA CÉLULA UNITÁRIA DA WUSTITA E SEU

ESPECTRO DE DIFRAÇÃO DE RAIOS X .......................................... 21

FIGURA 6 – REPRESENTAÇÃO DA CÉLULA UNITÁRIA DA MAGNETITA E

SEU ESPECTRO DE DIFRAÇÃO DE RAIOS X .................................. 21

FIGURA 7 – REPRESENTAÇÃO DA CÉLULA UNITÁRIA DA HEMATITA:

α-Fe2O3. AO LADO DIREITO É APRESENTADO SEU

DIFRATOGRAMA ................................................................................ 22

FIGURA 8 – REPRESENTAÇÃO DA CÉLULA UNITÁRIA DA HEMATITA:

γ-Fe2O3. AO LADO DIREITO É APRESENTADO SEU

DIFRATOGRAMA ................................................................................ 23

FIGURA 9 – ANÁLISE DRX DA CAREPA E DISPOSIÇÃO DAS CAMADAS

DE ÓXIDOS (II). (a) HEMATITA; (b) MAGNETITA; (c) WUSTITA ....... 24

FIGURA 10 – FRAÇÃO MOLAR PERCENTUAL DOS ÓXIDOS EM FUNÇÃO

DA TEMPERATURA ............................................................................ 24

FIGURA 11 – MAPA EBSD DA CAREPA ................................................................. 25

FIGURA 12 – IMAGEM DE MEV (BSE) DAS CAMADAS DE ÓXIDO

FORMADAS NO AÇO (a). MAPA EBSD (b) ...................................... 26

FIGURA 13 – ESPECTRO DE DIFRAÇÃO DE RAIOS X DA AMOSTRA DE

CAREPA TRATADA EM H2 DEPOIS DE SER

REDUZIDA (1100 OC POR 6 HORAS) ............................................... 29

FIGURA 14 – PERDA DE MASSA OBTIDA NOS CICLOS DE REDUÇÃO

EM FUNÇÃO DO TEMPO DE DURAÇÃO A 900 OC ......................... 32

FIGURA 15 – COMPARAÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA E

APROVEITAMENTO DE MATÉRIA-PRIMA ENTRE A MP E

OUTROS TIPOS DE PROCESSAMENTOS .................................... 33

FIGURA 16 – COMPARAÇÃO DO LIMITE DE RESISTÊNCIA A TRAÇÃO

OBTIDO PELA MP E OUTROS TIPOS DE PROCESSOS ............... 34

8

FIGURA 17 – OS DEZ PAÍSES QUE MAIS EXPORTARAM MINÉRIO

DE FERRO EM 2017 ......................................................................... 37 FIGURA 18 – REPRESENTAÇÃO DA PRODUÇÃO ANUAL DE AÇO

NO MUNDO NOS ÚLTIMOS ANOS .................................................. 38 FIGURA 19 – MICROESTRUTURA LONGITUDINAL DE UMA AMOSTRA

(a) PADRÃO DO AÇO H13; (b) DE ALTA QUALIDADE DO AÇO

AISI H13; (c) DO AÇO AISI H13 OBTIDOS POR MP ....................... 41

9

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 – MASSA MOLECULAR, RELAÇÃO ATÔMICA E DENSIDADE

DO FERRO E SEUS ÓXIDOS. ............................................................ 20

TABELA 2 – LITERATURA REFERENTE À SÍNTESE DE PÓ DE FERRO

A PARTIR DE RESÍDUOS METALÚRGICOS ..................................... 40

10

LISTA DE SIGLAS

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

BSE Backscattered Electrons

DRX Difração de Raios X

EBSD Electron Backscatter Diffraction

IAB Instituto Aço Brasil

IF Interstitial Free

ISO International Organization for Standardization

MEV Microscopia Eletrônica de Varredura

MP Metalurgia do Pó

NBR Norma Brasileira

UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná

11

SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 12 2 OBJETIVOS ........................................................................................................... 13 2.1 OBJETIVO GERAL ............................................................................................. 13 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................... 13 3 JUSTIFICATIVA ..................................................................................................... 14 4 REFERENCIAL TEÓRICO .................................................................................... 15 4.1 RECICLAGEM DE RESÍDOUS SÓLIDOS .......................................................... 15 4.2 INDÚSTRIA METALÚRGICA E SEUS RESÍDUOS ............................................ 16 4.3 CAREPA DE AÇO ............................................................................................... 17 4.3.1 Características dos Óxidos de Ferro ................................................................ 19 4.3.1.1 Wustita (Fe1-yO) ............................................................................................. 20 4.3.1.2 Magnetita (Fe3O4) .......................................................................................... 21 4.3.1.3 Hematita (Fe2O3) ........................................................................................... 22 4.3.2 Aspectos de Formação da Carepa ................................................................... 23 4.4 REDUÇÃO DOS ÓXIDOS DE FERRO PRESENTES NA CAREPA .................. 26 4.4.1 Agente Redutor ................................................................................................ 26 4.4.1.1 Carvão mineral .............................................................................................. 27 4.4.1.2 Carvão vegetal .............................................................................................. 27 4.4.1.3 Coque ............................................................................................................ 28 4.4.1.4 Gases ............................................................................................................ 29 4.4.2 Tamanho de Partícula ...................................................................................... 30 4.4.3 Temperatura ..................................................................................................... 31 4.4.4 Tempo .............................................................................................................. 32 4.5 METALURGIA DO PÓ ........................................................................................ 33 5 METODOLOGIA .................................................................................................... 35 6 RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................. 36 6.1 CENÁRIO ECONÔMICO .................................................................................... 36 6.2 CENÁRIO AMBIENTAL ....................................................................................... 37 6.3 PÓ DE FERRO A PARTIR DA CAREPA DE AÇO ............................................. 39 6.4 VANTAGENS DA METALURGIA DO PÓ ........................................................... 42 7 CONCLUSÃO ........................................................................................................ 42 8 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS .................................................... 43 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 44 ANEXO A .................................................................................................................. 49

12

1 INTRODUÇÃO

A siderurgia e a metalurgia são operações industriais responsáveis por

grande parte da geração de resíduos sólidos. No Brasil, estes setores estão entre os

mais importantes, deixando o país entre os dez maiores produtores de aço no

mundo. A ampliação dessas áreas envolve benefícios para a nação, mas, por outro

lado, causa certos riscos associados à escassez de matéria-prima e ao meio

ambiente (BAGATINI, 2011).

Com a intenção de alcançar um desenvolvimento sustentável, as indústrias

siderúrgicas e metalúrgicas têm realizado esforços significativos para minimizar seus

impactos ambientais. Diversos estudos têm buscado reutilizar e reciclar resíduos

sólidos gerados, recuperando parte do material metálico contido nesse, como é o

caso da carepa.

Esse resíduo é um coproduto resultante da oxidação da superfície do aço

quando submetido a um gradiente térmico, meio corrosivo ou ação do tempo. Sua

composição química varia de acordo com o tipo de metal, ou liga, e com o tipo de

processamento utilizado. Costuma-se encontrar teores de ferro acima de 70% e,

além do estado metálico, são encontrados na condição oxidada como: wustita

(FeO), hematita (α-Fe2O3) e magnetita (Fe3O4) (MARTIÍN et al., 2012).

Devido ao alto teor de ferro presente e baixo teor de metais não-ferrosos e

compostos alcalinos, a carepa é adequada para ser reciclada por processos de

redução. Esse método de reaproveitamento é utilizado na produção de pó de ferro e

o material obtido é denominado como ferro esponja, matéria-prima para a metalurgia

do pó (ÜNAL et al., 2012).

Afinal, as maneiras de destinação de resíduos sólidos gerados pelas

indústrias siderúrgica e metalúrgica constitui uma fonte de investigação importante

para obtenção de padrões industriais sustentáveis. É nessas circunstâncias que se

inclui o presente trabalho, o qual se baseia na reciclagem da carepa. São

apresentados dados sobre o processo siderúrgico e os resíduos gerados, assim

como as características da carepa e dos processos de sua redução em fase sólida e

gasosa. Por fim, é descrita a metodologia empregada para viabilizar a utilização

desse resíduo como matéria-prima na metalurgia do pó.

13

2 OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GERAL

Elaborar uma revisão bibliográfica a respeito da utilização da carepa de aço

como matéria-prima para produção de pó de ferro.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Avaliar os aspectos econômicos e ambientais da utilização do resíduo como

matéria-prima para produção de pó de ferro.

• Analisar as rotas de redução publicadas na literatura.

• Relatar a importância da reciclagem da carepa e o impacto no custo do pó de

ferro destinado à metalurgia do pó.

14

3 JUSTIFICATIVA

No Brasil ainda há poucos estudos relacionados ao aproveitamento do

resíduo sólido carepa (SILVA et al., 2016). Estimativas afirmam que cerca de 35

milhões de toneladas de aço bruto foram produzidas no ano de 2018, juntamente

com cerca de 23 milhões de toneladas de produtos laminados (IAB, 2018). A perda

de aço sob forma de carepa é de, aproximadamente, 5% do peso do produto

laminado, podendo representar até 2% da tonelada de aço bruto produzido, sendo

que este resíduo, muitas vezes, é destinado de forma imprópria a aterros e a ele não

é dado o destino correto, ambientalmente ou mesmo de reaproveitamento

(FURMANSKI, 2016).

O dano causado devido à extração do minério, à lotação dos aterros e aos

altos teores de ferro que são desperdiçados como resíduos torna justificável o

desenvolvimento deste trabalho. Tendo em vista esses danos associados à indústria

e ao meio ambiente, busca-se uma rota alternativa para produção de pó de ferro, a

qual, atualmente, é feita quase que totalmente pela redução do minério de ferro.

15

4 REFERENCIAL TEÓRICO

4.1 RECICLAGEM DE RESÍDOUS SÓLIDOS

O constante desenvolvimento da humanidade, em conjunto com o aumento

de uma população fortemente consumista, leva a preocupações e interesses cada

vez maiores com assuntos relacionados à indústria e ao meio ambiente. Esses

interesses têm feito as empresas entender a diferença entre rejeito e resíduo, assim

como notar possibilidades de agregar valor ao que normalmente é descartado.

Segundo a norma ABNT NBR 10004/2004 (2004), os resíduos sólidos são

resíduos nos estados sólido e semi-sólido, que resultam de atividades de origem

industrial, doméstica, hospitalar, comercial, agrícola, de serviços e de varrição.

Quando é possível utilizar um resíduo, como matéria-prima ou fonte de energia na

produção de novos materiais, classifica-o como subproduto. No caso de não existir

uma aplicação, sua classificação é como rejeito.

Atualmente, é evidente que a poluição leva ao prejuízo todos os envolvidos.

Entretanto, durante os períodos de revolução industrial até as décadas de 60 e 70

não havia essa concepção; a fumaça nas indústrias era tida como sinal de evolução.

Então, com o aumento dos problemas ambientais e das transformações culturais, foi

estabelecida uma nova consciência ambiental, na qual o meio ambiente é um dos

assuntos prioritários da sociedade moderna (DELLA, 2005).

A busca pelo mercado faz com que as empresas sejam cada vez mais

forçadas a desenvolver processos sustentáveis, pois a gestão ambiental faz parte da

qualidade e dos requisitos impostos pelos clientes. A partir desses processos é

gerada uma menor quantidade de perdas, possibilitando a reciclagem dos resíduos

produzidos e, com isso, levando a um menor impacto ambiental (SILVA, 1999 apud

DELLA, 2005).

A reciclagem, juntamente com a reutilização e a recuperação, proporciona a

redução do custo de descarte de resíduos, devido à redução nos gastos com

tratamentos e disposição final. Então, as empresas que gerenciam seus resíduos

dessa maneira podem reduzir seus custos, além de agregá-los valor, tornando assim

o processo produtivo mais rentável e competitivo (LOBATO, 2014).

16

4.2 INDÚSTRIA METALÚRGICA E SEUS RESÍDUOS

O aço é a liga ferro-carbono que contém, geralmente, 0,008% até

aproximadamente 2,11% de carbono, além de certos elementos residuais,

resultantes dos processos de fabricação (CHIAVERINI, 1982, p. 21). A produção de

aço bruto em 2018 no Brasil foi de quase 35 milhões de toneladas e,

inevitavelmente, junto a isso é gerada uma grande quantia de resíduos, que

representa em média 500 kg/t de aço bruto produzido (IAB, 2018). Dentre esses

resíduos destaca-se a carepa, correspondente à cerca de 2 a 3% de todo o aço

produzido, chegando a valores próximos de um milhão de tonelada no ano passado

(BAGATINI, 2011).

A matéria-prima para a produção do aço é o ferro gusa. Essa liga apresenta

alto teor de carbono e é proveniente da redução, em altos fornos, do minério de

ferro. Durante esta etapa, utiliza-se como matéria-prima o minério de ferro, o

material fundente e o coque, gerando, além do ferro gusa, escória, poeira e gases

(GENTILE; MOURÃO, 2001; SILVA; MEI, 2006).

Em seguida, nas aciarias, o ferro gusa é transformado em aço. São

realizados processos de refino, não somente para remoção de impurezas, mas

também para o acerto composicional, o qual ocorre por meio da oxidação seletiva

dos diversos elementos em solução no gusa líquido (GENTILE; MOURÃO, 2001;

SILVA; MEI, 2006). Na sequência, o metal passa pelo lingotamento e, ao entrar em

contato com o ar ambiente, o lingote incandescente sofre oxidação, apresentando

formação de carepa em sua superfície (DELLA, 2005).

Para ser comercializado, o aço passa pela laminação, forjamento e

tratamentos térmicos, sendo conformado em bobinas, barras e chapas, por exemplo.

Em casos que a magnitude das alterações dimensionais seja grande, é fundamental

que o trabalho seja feito a quente, pois, assim, é possível que o metal sofra maior

deformação sem ocorrência de fraturas. Porém, o aumento da temperatura faz com

que aconteçam reações entre a superfície metálica e o ar atmosférico, levando a

oxidação e perda de uma grande quantidade de metal (DIETER, 1988).

Na Figura 1 é mostrado um diagrama de blocos com as principais entradas e

saídas dos processos de obtenção do aço. Dentre as classes de resíduos presentes

nesses processos, os sólidos são os que apresentam maior potencial de reutilização

17

e reciclagem, especialmente os que possuem teor de ferro em sua composição.

Neste grupo, encontram-se as escórias, lamas, poeiras/pós e a carepa, a qual, como

citado anteriormente, é derivada da oxidação da superfície do aço e apresenta em

sua composição, principalmente, óxidos de ferro, além de óleos e graxas (MOURÃO,

2011; SILVA et al., 2016).

Figura 1 – Diagrama de blocos da obtenção do aço.

Fonte: Adaptado de Mourão (2011).

4.3 CAREPA DE AÇO

A carepa é um coproduto resultante da oxidação da superfície do aço quando

submetido a elevadas temperaturas, um meio corrosivo, pela ação do tempo ou pela

presença desses fatores em conjunto. Ela é constituída de óxidos de metais

presentes na composição do aço, em maior parte dos óxidos de ferro: wustita (FeO),

hematita (α-Fe2O3) e magnetita (Fe3O4) (MARTIÍN et al., 2012). Além disso,

apresenta coloração preta e deve ser removida para não prejudicar a qualidade do

aço (PEREIRA, 2011). Sua produção depende do tipo de processo e da natureza do

material, sendo que a quantidade pode variar entre 10 a 50 kg/t de aço produzido,

18

podendo representar até 5% do peso final do produto, no caso da laminação

(CUNHA, 2006; ALMEIDA, 2009; MARTÍN et al., 2012; SHATOKHA, 2011).

Geralmente, pelo fato desse resíduo apresentar um grande percentual de

ferro, é possível que as empresas economizem, caso seu retorno aos processos

obtiver êxito. Da mesma maneira no âmbito ambiental, pois ao retornar para o

consumo, esses resíduos não precisam ser estocados, deixando de gerar gastos

com armazenamento, o qual deve ser feito sob condições específicas estabelecidas

pelos órgãos ambientais competentes (CUNHA, 2006).

Na Figura 2 são mostradas a formação da carepa e sua aparência física,

sendo possível notar que se trata de um resíduo com potencial para

reaproveitamento. Ainda, segundo o laudo presente no Anexo A, trata-se de um

resíduo de Classe II A – Resíduo Não Inerte, sendo esse um tipo de resíduo, que

além de não apresentar substâncias inflamáveis, tóxicas, corrosivas e patogênicas,

pode ter biodegradabilidade, combustibilidade ou solubilidade em água. Entretanto,

como observado na Figura 3, a carepa está entre os resíduos menos estudados,

juntamente com as lamas, caracterizando então, uma área com grande potencial de

exploração (SILVA et al., 2016, p. 6).

Figura 2 – Carepas na superfície e eliminadas do tarugo de aço.

Fonte: Adaptado de Cunha et al. (2006).

Figura 3 – Resíduos estudados no Brasil.

Fonte: Silva et al. (2016).

19

4.3.1 Características dos Óxidos de Ferro

Para ser trabalhado ou tratado termicamente, o aquecimento do aço carbono

geralmente ocorre em temperaturas entre 575 e 1370ºC (PANNONI, 2007; DIETER,

1988). Conforme o diagrama de equilíbrio de fases Fe-O mostrado na Figura 4, nota-

se a formação dos três tipos de óxidos nesse intervalo de temperatura: wustita

(Fe1-yO), magnetita (Fe3O4) e hematita (Fe2O3).

Na Tabela 1 são apresentados os valores da massa molecular, da razão

atômica entre oxigênio e ferro e a densidade de cada um dos óxidos de ferro

formados. A densidade da carepa apresenta valores entre 5,3 e 5,4 g/cm3, próximos

ao valor teórico de 5,5 g/cm3.

Figura 4 – Diagrama de equilíbrio Ferro-Oxigênio.

Fonte: Bagatini (2011).

20

Tabela 1 – Massa molecular, relação atômica e densidade do ferro e seus óxidos.

Massa molecular Relação atômica O/Fe Densidade (g/cm3)

Fe 55,85 0 7,86

Fe0,95O 69,05 1,056 5,73

Fe3O4 231,55 1,333 5,17

Fe2O3 159,7 1,5 5,24

Fonte: Bagatini (2011).

4.3.1.1 Wustita (Fe1-yO)

A wustita (Fe1-yO) se cristaliza no sistema cúbico e, devido a sua deficiência

em ferro, é considerada como um composto não estequiométrico, sendo formado

somente acima de 575ºC. Porém, é possível encontrar essa fase em temperaturas

inferiores, pois não requer altas taxas de resfriamento para que seja obtida sua

forma metaestável (PELTON; BALE, 1999).

Sua composição varia de acordo com a pressão parcial de oxigênio na fase

gasosa ou com a atividade do ferro. Este óxido não mantém a relação O/Fe igual a

1, ou seja, não apresenta valor em massa de oxigênio igual a 22,3%, mas valores

entre 23,1% e 25,6%, sendo que a letra y em sua fórmula química representa a

proporção de vacâncias do íon ferro na rede (BOGDANDY; ENGELL, 1971;

BAGATINI, 2011).

Em altas temperaturas a wustita é dominante e a fração de hematita

permanece baixa em todas as temperaturas, entretanto, durante o resfriamento a

wustita pode transformar-se em magnetita, como resultado de sua metaestabilidade.

Além disso, a wustita pode ser resultado da interação de uma grande quantidade de

oxigênio (saturação) durante o resfriamento à temperatura ambiente (KOFSTAD,

1966 e SACHS; TUCK, 1970 apud BIROSCA et al., 2004).

Na Figura 5 é mostrada a representação atômica da estrutura da wustita,

assim como seu espectro de difração de raios X. As esferas maiores reproduzem as

posições dos íons oxigênio e, as menores, as posições dos íons ferro (II).

21

Figura 5 – Representação da célula unitária da wustita e difratograma.

Fonte: Yamamoto (1982).

4.3.1.2 Magnetita (Fe3O4)

A magnetita (Fe3O4) é a fase dominante em temperaturas baixas (<650 OC) e

representa a camada intermediária entre os óxidos. Na Figura 6 é apresentado o

espectro de difração de raios X característico da estrutura, assim como a sua célula

cristalina cúbica com estrutura do tipo espinélio invertido, contendo 27,64% em

massa de oxigênio (BAGATINI, 2011; GUIMARÃES, 2007). Esta fase contém Fe+2

em sítios octaédricos e Fe+3 igualmente divididos em sítios tetraédricos (sítios A) e

octaédricos (sítios B). Pode apresentar fórmula estequiométrica como

[Fe+38]{Fe+3

8Fe+28}, em que o sítio A é representado por [ ] e o sítio B por { }, e ser

produzida a partir do aquecimento de hematita acima de 1400 OC (KARUNAKARAN;

SENTHILVELAN, 2006 apud AMORIM, 2010 e KIRK et al., 1978 apud LEITE, 2008

apud FURMANSKI, 2016).

Figura 6 - Representação da célula unitária da magnetita e seu difratograma.

Fonte: Fleet (1986).

22

4.3.1.3 Hematita (Fe2O3)

A hematita (Fe2O3) é o óxido mais rico em oxigênio, com 30,06% em massa e

pode ser encontrada em 4 fases polimórficas: α-, β-, γ- e ε-Fe2O3. Entretanto, as

mais comumente encontradas são as fases α- e γ-. A fase α-Fe2O3 apresenta

sistema romboédrico, com estrutura do tipo coríndon (Al2O3), e costuma ser

empregada como pigmento para tintas ou como matéria-prima para produção de

materiais magnéticos e cátodos para baterias de lítio; a fase γ-Fe2O3 apresenta

sistema tetragonal e é utilizada como material de armazenamento de informações

por apresentar propriedades ferromagnéticas (DANNO et al., 2013; JØRGENSEN et

al., 2006).

Além disso, a hematita apresenta alta estabilidade e pode representar o

estágio final de transformação térmica de outros óxidos (CORNELL;

SCHWERTMANN, 1996 apud AMORIM, 2010). Na Figura 7 e 8 são mostradas as

representações atômicas das fases α-Fe2O3 e γ-Fe2O3, respectivamente, assim

como seus espectros de difração de raios X, sendo que as esferas maiores

reproduzem as posições dos íons oxigênio e, as menores, as posições dos íons

ferro (III).

Figura 7 – Representação da célula unitária da hematita: α-Fe2O3. Ao lado direito é

apresentado seu difratograma.

Fonte: Sadykov et al. (1996) e Jørgensen et al. (2007).

23

Figura 8 – Representação da célula unitária da hematita: γ-Fe2O3. Ao lado direito é

apresentado seu difratograma.

Fonte: Sadykov et al. (1996) e Jørgensen et al. (2007).

4.3.2 Aspectos de Formação da Carepa

A morfologia das carepas pode ser extremamente complexa, entretanto,

carepas de aço são geralmente caracterizadas por um modelo de três camadas. Na

Figura 9 é mostrado o espectro de difração de raios X da carepa e, na imagem

inserida feita por MEV, é mostrada a disposição das camadas dos óxidos de ferro

presentes na carepa. Na camada mais interna, representada pela letra c, a fase

dominante é a wustita (FeO), na camada intermediária magnetita (Fe3O4) e, na

camada em contato com oxigênio, hematita (Fe2O3). No entanto, a formação das

camadas depende de fatores como: ambiente oxidativo, histórico térmico do material

e composição do aço (BIROSCA, 2004).

Os elementos de liga atuam na proteção contra a oxidação do ferro, tornando

lento o crescimento de wustita e prevenindo a diminuição dos elementos ligantes, os

quais podem permitir o surgimento de uma falha mecânica ou quebra da carepa

(CARVALHO, 2004).

Geralmente, o aumento da temperatura durante a oxidação ocasiona o

aumento da espessura da carepa, isso ocorre devido ao aumento da velocidade da

difusão dos íons de oxigênio e ferro. A quantidade de precipitação de magnetita

sobre a camada de wustita aumenta substancialmente com o aumento da

temperatura de oxidação na composição do aço (WEST et al., 2005, p. 125). Da

mesma maneira, a porosidade da carepa também é afetada, assim como a

24

distribuição das fases nela presentes. Na Figura 10 é mostrado este comportamento

e, a partir dela, observa-se que em baixas temperaturas (< 650 OC) a magnetita é a

fase dominante na carepa; e, em altas temperaturas, a wustita se torna dominante e

a fração de hematita se mantém baixa sob todo o intervalo (TOMINAGA et al., 1982,

p. 648).

Figura 9 - Análise DRX da carepa e disposição das camadas de

óxidos (II). (a) Hematita; (b) Magnetita; (c) Wustita.

Fonte: Adaptado de Mechachti et al. (2013 p. 1468).

Figura 10 – Fração molar percentual dos óxidos em

função da temperatura.

Fonte: Adaptado de Tominaga et al., 1982 (apud Birosca, 2003, p. 236).

25

Na Figura 11 é apresentada a imagem EBSD (difração de elétrons retro-

espalhados) da carepa formada em um aço intersticial free (IF). Por meio dessa

técnica, foi possível distinguir as diferentes fases presentes no resíduo, sendo que o

ferro (α) é mostrado em vermelho, a wustita em verde e a magnetita em azul. A fina

camada próxima do substrato é composta por magnetita, seguida de uma camada

grande, constituída principalmente por wustita, com áreas reconhecidas como

magnetita e ferro (BIROSCA et al., 2004).

Figura 11 – Mapa EBSD da carepa.

Fonte: Adaptado de Birosca et al. (2004, p. 237).

A formação das camadas de magnetita e wustita depende da composição do

aço e, em particular, do conteúdo de silício. Em aços com baixo teor de silício

(0,01%), são formadas carepas com as três fases: wustita, magnetita e hematita,

dispostas em ordem crescente de teor de oxigênio em torno da superfície. Na Figura

12 é apresentada a micrografia da carepa, sendo que o ferro metálico é mostrado

em amarelo, a wustita em verde, a magnetita em azul e a hematita em vermelho. A

espessura da camada de magnetita depende da taxa de resfriamento e do nível de

contato entre o substrato e a camada de oxido durante o resfriamento (WEST et al.,

2005).

26

Figura 12 – Imagem de MEV (BSE) das camadas de óxido formadas no aço (a). Mapa EBSD

(b).

Fonte: Adaptado de West et al. (2005, p. 125).

4.4 REDUÇÃO DOS ÓXIDOS DE FERRO PRESENTES NA CAREPA

Dado que a carepa é formada essencialmente por óxidos de ferro e que o

presente trabalho busca mostrar que a obtenção do ferro deste resíduo através da

redução desses compostos, é de grande interesse descrever os pontos

fundamentais presentes na literatura a respeito deste tema.

O nível de redução dos óxidos de ferro está relacionado à quantidade de

oxigênio removida da sua estrutura, levando a uma diminuição do grau de oxidação

inicial (SILVA, 2012 apud ARAÚJO, 1997). Conforme o oxigênio contido nos óxidos

é removido, diz-se que o metal está completamente reduzido e se encontra na sua

forma metálica (Fe0), como mostra a equação (1).

(1)

27

4.4.1 Agente Redutor

Os agentes redutores como o carvão mineral, o carvão vegetal e o coque são

redutores sólidos, enquanto que o hidrogênio, o metano e o gás natural são

redutores gasosos, sendo utilizados para a redução do minério de ferro ou dos

óxidos de ferro presentes na carepa.

4.4.1.1 Carvão mineral

A reação geral que ocorre durante a redução do óxido de ferro à base de

carvão mineral pode ser entendida pelas equações da redução direta (2) e (3), da

redução indireta (4) e (5) e da reação de Boudouard (6). São relatados valores de

metalização acima de 96% e também o uso de calcário (carbonato de cálcio) como

catalisador para acelerar a reação de gaseificação, mostrada nas equações (7) e (8)

(SEN et al., 2018).

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

4.4.1.2 Carvão vegetal

Na utilização de carvão vegetal como agente redutor na produção de pó de

ferro é possível obter 99,25% de metalização (QIANXU et al., 2014).

28

O primeiro estágio é a produção de CO e CO2, como mostrado nas equações

(8), (9) e (10). Com o aquecimento, a matéria orgânica presente no carvão vegetal

volatiliza e se decompõe, produzindo H2, CH4 e etc. Com isso, de acordo com as

equações (11) e (12), o óxido de ferro é primeiramente reduzido pelo CO e H2. Em

temperaturas superiores ocorre a redução direta, a qual acontece até que todo o

agente redutor em contato com a superfície da carepa seja consumido. Em seguida,

a redução da carepa é dominada pela redução indireta, controlada pela equação de

Boudouard (6). Por fim, o CO2 produzido pela decomposição do carbonato de cálcio

reage com o carvão e produz CO, voltando ao primeiro estágio do ciclo (QIANXU et

al., 2014).

(9)

(10)

(11)

(12)

4.4.1.3 Coque

O coque, geralmente, é utilizado como agente redutor na produção de

briquetes. Observa-se grande perda de massa durante a redução em temperaturas

entre 1000 e 1227 OC, assim como a retardação da reação de redução em estágios

posteriores (TAKAHASHI et al., 2000). Porém, há a possibilidade de obtenção de,

aproximadamente, 100% de metalização em temperatura inferior, próxima à 950 OC

(ZIKRY et al., 2015).

A utilização de coque na produção de ferro esponja, a partir da redução

direta, também é conhecida. As combinações que se mostram mais efetivas são

1100 OC por 3 horas e 1100 OC por 6 horas, chegando a teores de oxigênio de

8,53% e 6,47%, respectivamente (MARTÍN et al., 2012).

Na Figura 13 é mostrado o espectro de difração de raios X da carepa

reduzida com coque a 1100 OC por 6 horas e submetida ao tratamento em atmosfera

de hidrogênio (MARTÍN et al., 2012).

29

Figura 13 – Espectro de difração de raios X da amostra de

carepa tratada em H2 depois de ser reduzida (1100 OC por 6

horas).

Fonte: Adaptado de Martín et al. (2012, p. 161).

4.4.1.4 Gases

Quando a carepa é reduzida por hidrogênio, todo o processo acontece como

é mostrado pelas reações (13), (14) e (15). A taxa de redução aumenta conforme se

aumenta o fluxo do gás. Esse comportamento pode ser atribuído ao aumento da

quantidade molar de hidrogênio no volume sólido, o qual leva ao aumento da

adsorção de hidrogênio e, posteriormente, da taxa de reação (ZIKRY et al., 2013).

Outra possibilidade é o aumento da difusão do gás através da camada limite, ou

ainda, o fato pode ser relacionado à permanência do alto fluxo de gás na zona de

reação, o que aumenta a absorção de hidrogênio e, consequentemente, a taxa de

reações químicas (SHALABI, 1973; SAYED et al., 2002; SAYED et al., 2001 apud

ZIKRY et al., 2013).

(13)

(14)

(15)

30

No emprego do gás CO na redução da carepa, os maiores valores de

metalização são característicos das amostras submetidas à atmosfera pura de CO,

sem N2. Em consequência disso, em alguns casos constatou-se a diminuição da

quantidade total de ferro, que ocorreu devido à formação de carboneto de ferro

(Fe3C) pela reação causada por conta da deposição do carbono, resultante da

decomposição do CO, sobre o ferro metálico e a wustita, de acordo com as reações

(16), (17) e (18) (MECHACHTI et al., 2013).

(16)

(17)

(18)

4.4.2 Tamanho de Partícula

Um dos fatores responsáveis pela cinética das reações de redução é o

tamanho de partícula. Deseja-se uma granulometria favorável ao processo, que

possibilite uma alta taxa de redução e elevados índices de metalização.

Normalmente, quanto menor a partícula, maior a taxa de redução, porém, os

processos de cominuição devem ser analisados em função da viabilidade e custo,

assim como a possibilidade de aglomeração.

A partir da comparação entre a redução da carepa com tamanho de partícula

de 80 µm e 6 µm, é relatado que, para o tamanho de partícula maior, a reação de

redução não pode ser efetuada completamente, sendo que uma grande parte da

amostra foi mantida na forma de óxidos. A reação de redução das amostras com

tamanho de partícula de 6 µm se mostrou muito mais eficiente, porém, a

aglomeração causada devido a grande redução do tamanho de partícula fez com

que o processo fosse impedido de atingir níveis de metalização ainda maiores

(JOSHI e DHOKEY, 2015). Entretanto, em escala industrial, esse acontecimento não

é observado com frequência, pois, normalmente, os processos de moagem

utilizados para atingir essa escala micrométrica são caros e inviabilizam o a

cominuição.

31

O tamanho de partícula deve ser inferior a 44 µm para que se tenha uma

redução efetiva (CAMCI et al., 2002). Além disso, quanto menor o tamanho de

partícula do resíduo, mais favorecida é a reação, pois, quando os reagentes estão

em fases distintas, a área de contato afeta a velocidade da reação. Isso acontece

pelo fato de que somente os átomos presentes na superfície da carepa podem

entrar em contato com os reagentes e, assim, quanto menor o tamanho de partícula,

maior é a área em contato com a superfície reativa (KOTZ; TREICHEL JR., 2005

apud FURMANSKI, 2016).

4.4.3 Temperatura

A busca pela melhor condição térmica para a redução é o objetivo de estudo

de muitos autores, pois, dentre os gastos necessários para o processo, esse é o

maior. Sendo assim, deseja-se atingir altos níveis de metalização na menor

temperatura possível. Entretanto, o aumento da temperatura resulta nos maiores

valores de metalização.

Experimentos feitos a 850, 900 e 950 OC, sob mesma atmosfera e tamanho

de partícula, concluíram que o aumento da temperatura leva ao aumento da

metalização, sendo que a amostra reduzida a 950 OC por 120 minutos apresentou

aproximadamente 97% de metalização. Porém, a melhor condição reacional

considerada pelos autores foi a 900 OC por 90 minutos, pois foi atingido um valor

muito próximo de metalização da condição a alta temperatura (≅ 96%), ao mesmo

tempo que se consumiu menos energia e tempo (SEN et al., 2018).

O comportamento da redução foi observado variando-se a temperatura em

650, 750, 850, 900 e 950 OC, sob a mesma atmosfera (H2). Constatou-se claramente

que as taxas de reação aumentaram com o aumento da temperatura e, com isso, a

metalização. Este comportamento pode ser atribuído ao aumento do número de

mols em reação com excesso de energia, ou, pelo fato do aumento da temperatura

aumentar a transferência de massa e a taxa de dessorção (SHALABI, 1973;

SHALABI et al., 1997; SAYED et al., 2002; EL-HUSSINY et al., 1996 apud ZIKRY et

al., 2014).

32

4.4.4 Tempo

A cinética de uma dada reação está diretamente relacionada à taxa em que

ela ocorre. No caso das reações de redução gasosa dos óxidos de ferro,

normalmente a taxa é calculada a partir da remoção de oxigênio do sólido pelos

gases em função do tempo (BAGATINI, 2011).

A curva da porcentagem de redução em função do tempo apresenta três

diferentes inclinações, o que indica três diferentes taxas de redução. O primeiro

valor caracteriza a maior taxa, o segundo é médio e o terceiro é a taxa mais lenta,

chegando a ficar praticamente linear. Esse decaimento da taxa é característico da

diminuição da quantidade de oxigênio presente. Ou, ainda, pela sinterização e

consequente formação de regiões de contato entre as partículas, impossibilitando a

interação com o agente redutor (ZIKRY et al., 2014).

A extensão da redução aumenta com o aumento do tempo de redução. Na

Figura 14 observa-se este comportamento. A partir dela, pode ser visto que a

redução aumenta gradualmente até 1 hora e meia. Depois disso, a cinética aumenta

levemente entre 1 hora e meia e 2 horas e meia, então se torna quase constante até

3 horas e meia a 4 horas. O aumento súbito na porcentagem de redução pode ser

atribuído ao aumento da difusão mássica de moléculas de H2, o que pode levar mais

tempo para se difundir nas partículas de óxido de ferro (JOSHI e DHOKEY, 2015, p.

33).

Figura 14 – Perda de massa obtida nos ciclos de

redução em função do tempo de duração a 900 OC.

Fonte: Adaptado de Joshi e Dhokey (2015, p. 34).

33

4.5 METALURGIA DO PÓ

A metalurgia do pó é uma tecnologia de processamento em que peças

metálicas são produzidas a partir de pós (metálicos ou não). Usualmente, o material

particulado é prensado no formato desejado e levado ao forno para ser sinterizado.

Isso faz com que sejam formadas ligações entre as partículas, produzindo um corpo

sólido e rígido (GROOVER, 2012).

A metalurgia do pó é o processo de fabricação de peças metálicas que menos

gasta energia e mais aproveita matéria prima, como é mostrado na Figura 15. São

utilizados pós metálicos e não-metálicos como matérias-primas e há ausência de

fase líquida ou presença parcial durante o processo. Como a conformação das

peças é feita em matrizes, possibilita-se a produção de componentes com

características estruturais e físicas impossíveis de se obter por qualquer outro

processo metalúrgico, assim como a produção de peças com formas definitivas ou

praticamente definitivas, dentro de tolerâncias muito estreitas e, geralmente, sem

necessidade de operações de usinagem e acabamento posteriores (CHIAVERINI,

2001).

Figura 15 – Comparação do consumo de energia e aproveitamento de

matéria-prima entre a MP e outros tipos de processamento.

Fonte: Iervolino (2012).

34

Como o processo de união das partículas até a formação de um corpo sólido

ocorre pela sinterização, é possível não só a obtenção de altos valores de

resistência a tração, dureza e tolerâncias dimensionais, mas também o controle de

porosidade da peça, como é mostrado na Figura 16. Dessa maneira, busca-se então

a produção de componentes sinterizados que apresentem melhores propriedades e,

simultaneamente, menor custo.

Além disso, um fator de extrema importância na melhoria das propriedades

das peças obtidas a partir da metalurgia do pó é o desenvolvimento tecnológico que

envolve todo o processo, principalmente no que diz respeito a densificação. Essa,

por sua vez, foi aumentando com o passar dos anos em função da melhora das

características de compressibilidade dos pós, assim como a melhora dos

ferramentais de compactação que passaram a ser feitos com maior precisão, melhor

acabamento superficial e com materiais mais resistentes, capazes de suportar as

grandes tensões necessárias para a compactação do pó (IERVOLINO, 2012).

Figura 16 – Comparação do limite de resistência a tração obtido pela MP e outros tipos

de processos.

Fonte: Iervolino (2012).

35

5 METODOLOGIA

A metodologia deste TCC foi baseada no levantamento de informações

referentes à carepa, desde os processos metalúrgicos em que é gerado o resíduo

até os métodos de redução química utilizados para o reaproveitamento do mesmo,

levando em conta dados e vantagens relativos a reciclagem. Diante disso, foram

analisados os cenários econômico e ambiental, dentro e fora do país, de modo que a

discussão feita foi embasada nas vantagens e desvantagens da reciclagem da

carepa por meio do processo de redução química.

36

6 RESULTADOS E DISCUSSÃO

6.1 CENÁRIO ECONÔMICO

Atualmente, como é mostrado na Figura 17, o Brasil está entre os países que

mais exportam minério de ferro para o mundo. O metal, na forma de óxidos, é

vendido em grande parte para a China e Estados Unidos, onde é beneficiado e

processado para, então, ser importado com um alto custo devido ao valor agregado

(FERCHEN et al., 2013). A falta de incentivo ao desenvolvimento tecnológico no

país faz com que seja cada vez maior a nossa dependência em relação aos países

desenvolvidos e, com isso, perde-se a oportunidade de atuar em mercados mais

lucrativos, já que o foco é mantido no preço das commodities (NKURUNZIZA et al.,

2017)

A venda de commodity barata e compra de tecnologia cara é vista como um

dos principais fatores do atraso no setor industrial brasileiro (VALLE, 2017). A falta

de competitividade no mercado faz com que o Brasil se mantenha em inércia sob um

sistema de neocolonialismo, em que são importados produtos manufaturados e

caros, com uma alta carga tributária, que em muitos casos não cumprem as

expectativas. Enquanto isso, novas tecnologias são criadas e aperfeiçoadas em

outros países, o que deveria estar sendo feito aqui, para gerar empregos que exijam

qualificação e melhores salários, refletindo diretamente na economia e na educação

do país.

Para explicar esse comportamento conservador em relação à venda de

commodities brasileiras, algumas hipóteses podem ser levadas em conta: falta de

conhecimento técnico, que se reflete não só na produção de novas tecnologias, mas

também no seu desconhecimento e consequente desinteresse em investir, divulgar

e adaptar à realidade local; falta de uma cultura empreendedora que busque novos

mercados, o que significa investimento em ciência básica e novas tecnologias e

alternativas. Basicamente, estas questões se aproximam da importância de núcleos

sólidos de Pesquisa e Desenvolvimento além da percepção de que produzir e

vender commodities não é uma alternativa viável e lucrativa para o mercado interno

no longo prazo, principalmente com o crescimento de outras economias emergentes.

37

Figura 17 – Os dez países que mais exportaram minério de ferro em 2017.

Fonte: Adaptado de World Steel Association (2019).

6.2 CENÁRIO AMBIENTAL

Está bem clara, em todo o mundo, uma tendência crescente quanto à

preocupação em relação ao meio ambiente. Indústrias estão buscando certificações

como estratégia de marketing, para melhorar a exposição no mercado e com isso

aumentar o poder de venda. Em geral, um dos grandes objetivos destas

certificações é a melhoria contínua do gerenciamento de resíduos sólidos, o qual

atua não só na tentativa de eliminar sua geração, a partir de mudanças tecnológicas,

de substituição de matérias-primas e insumos, mas também do reaproveitamento

maior, reutilizando, reciclando ou reintegrando (SISTA, 2018).

É nesse contexto que é preciso entender a importância de se investir no

desenvolvimento tecnológico destinado ao reaproveitamento de resíduos, como é o

caso da carepa. Como já mencionado, são gerados 10 a 50 kg de carepa a cada

tonelada de aço produzido e, analisando a Figura 18, que mostra a produção anual

de aço dos últimos oito anos, é possível chegar a um valor aproximado de 7,92x105

toneladas, o qual é um valor muito expressivo quando é avaliado todo esse material

38

que está sendo descartado (CUNHA, 2006; ALMEIDA, 2009; MARTÍN et al., 2012;

SHATOKHA, 2011).

Figura 18 – Representação da produção anual de aço no mundo nos últimos anos.

Fonte: Adaptado de World Steel Association (2019).

Diante deste cenário, a maior parte da carepa gerada é descartada em

aterros específicos, sendo esses, locais destinados à disposição de resíduos sólidos

no solo, sem causar danos ou riscos à saúde pública e à segurança, minimizando os

impactos ambientais (ABNT, 1985). A formação desses aterros e a consequente

deposição de carepa traz a ideia de que estão sendo enterrados óxidos de ferro para

um dia serem extraídos novamente, já que as reservas um dia serão escassas.

Mais importante do que o preenchimento de um nicho de mercado, a

relevância da reciclagem de resíduos no Brasil é vista como um avanço além do

básico, além das commodities. Deve ser ressaltado que a busca por novos métodos

de reciclagem e reaproveitamento de resíduos tem como objetivo não só aumentar a

produtividade ou a qualidade do produto final, mas também evitar tanto os danos

ambientais relacionados à deposição do resíduo quanto os relacionados à extração

de minério de ferro.

39

6.3 PÓ DE FERRO A PARTIR DA CAREPA DE AÇO

Recentemente, houve um rápido aumento no interesse por parte da

população, da mídia e das empresas pela ideia de manufatura aditiva. Este interesse

crescente não é sem fundamento, pois, os métodos presentes nesse tipo de

processo são extremamente eficientes e energeticamente econômicos, como é o

caso da metalurgia do pó. Com isso, a produção mundial de pó de ferro tem

aumentado, em conjunto com a necessidade de desenvolvimento tecnológico que

seja capaz de aumentar a eficiência de produção, melhorar a qualidade e reduzir os

custos.

Ao decorrer dos anos, o interesse dos pesquisadores, basicamente, foi

determinar rotas de redução capazes de chegar a altos valores de metalização

(%Fe0), que fossem baratas e possivelmente reproduzidas em larga escala. Na

Tabela 2 são mostrados, em ordem cronológica, alguns estudos referentes à

síntese, por redução, de pó de ferro a partir de resíduos metalúrgicos, assim como a

redução de alguns óxidos de ferro específicos.

Entre seus vários métodos de fabricação, o processo de redução química é o

mais adequado para a síntese de pós de ferro a partir de resíduos metalúrgicos e,

dependendo da temperatura de redução (Figura 4) e do agente redutor algumas

peculiaridades podem acontecer, como citado no item 4.4 deste trabalho. Deve ser

salientado também que este tipo de processamento representa 25,21% da produção

mundial de pó de ferro, além de que, ao ser aplicado na reciclagem de carepa,

representa uma grande economia no custeio do produto final, pois, do valor total

gasto para produção de pó de ferro, em média 75% é referente à matéria-prima.

Em função disso, deve ser salientado que uma das maiores aplicações do pó

de ferro é como matéria-prima na metalurgia do pó. Em decorrência do avanço

tecnológico e das melhorias obtidas no processo, diversos tipos de componentes

que antes eram produzidos por processamentos convencionais, como forja, fundição

e usinagem, estão sendo fabricados pela metalurgia do pó (COLPAERT, 2008).

Como é mostrado na Figura 19, a partir deste tipo de manufatura aditiva podem ser

fabricadas peças livres de segregação e heterogeneidade microestrutural,

resultando em componentes com propriedades uniformemente distribuídas e, com

isso, apresentem um melhor desempenho durante a aplicação.

40

Tabela 2 – Literatura referente à síntese de pó de ferro a partir de resíduos metalúrgicos.

(continua)

Autor e

Ano

Matéria-

Prima

Agente

Redutor Parâmetros Objetivo

Tiddy et al. 1951 Carepa de

decapagem

Gás de forno de

coqueira T = 926–1037oC

Converter óxido de

ferro em ferro

Hulthen e

Wahlberg, 1965

Ferro

esponja H2

T = 750–1200oC

Tempo: 15-240 min

Pó de ferro para

fabricar eletrodos

Sastri et al.,

1982 Fe2O3 puro H2

T = 300–500oC

Tempo: 0–200 min

Estudo da cinética

de redução do

óxido puro

Yu et al., 2002

Pó de

minério de

ferro

Gás de forno de

coque

T = 860–900oC

Tempo: 3-5 h

Síntese de pó de

ferro

Uenosono et al.,

2003

Hematita +

carepa de

laminação

Carvão + coque T = 1050–1150oC

Tempo: 20h

Síntese de pó de

destinado a baixa

densidade

aparente

Mondal et al.,

2004 Fe2O3 CO

T = 800–900oC

Tempo: 0–80 min

Cinética de

redução do óxido

com CO

Pineau et al.

2006 Fe2O3 H2

T = 220–680oC

Tempo: 0–1500 min

Cinética de

redução do óxido

com H2

Eugenio et al.,

2008

Óxido de

ferro

Gás de forno de

coque T = 950–1050oC

Síntese de ferro por

redução direta

Shi et al., 2008 Carepa de

laminação CO

T = 710–770oC

Tempo: 60–240 min

Remoção dos

óxidos

Benchiheub et

al., 2010

Carepa de

laminação

CO T = 750–1050oC

Tempo: 40-180 min

Síntese de pó de

ferro

Bagatini et al.,

2011

Carepa de

laminação

CO T = 830–1200oC

Tempo: 0–180 min

Reciclagem de

carepa usando

briquetes auto-

redutores

41

Tabela 2 – Literatura referente à síntese de pó de ferro a partir de resíduos metalúrgicos.

(conclusão)

Autor e

Ano

Matéria-

Prima

Agente

Redutor Parâmetros Objetivo

Gaballah et al.,

2013

Carepa de

laminação H2

T = 650–950oC

Tempo: 0–50 min. Produção de ferro

Mechachti et al.,

2013

Carepa de

laminação CO

T = 750–1050oC

Tempo: 40–180 min.

Reciclagem de

carepa

El-Hussiny et al.,

2014

Carepa de

laminação H2

T = 650–950oC

Tempo: 0–70 min.

Redução da carepa

com diversas

granulometrias

Ye et al., 2014 Carepa de

laminação Carvão vegetal

T = 1150oC

Tempo: 5 e 50 min.

Síntese de pó de

ferro reduzido

usando microondas

Eissa et al.,

2015

Carepa de

laminação Coque e grafite -

Obtenção de

produtos a partir da

carepa

Joshi et al., 2015 Carepa de

laminação H2

T = 700–1100oC

Tempo: 0,5–4 h.

Recuperação do

ferro

Sen et al., 2015 Carepa de

laminação

Carvão de baixa

qualidade

T = 900oC

Tempo 30–90 min.

Obtenção de ferro

esponja

Sen et al., 2018 Carepa de

laminação Carvão e cal

T = 850-900-950oC

Tempo: 60-90-120m.

Estudo da cinética

de redução

Fonte: Adaptado de SISTA e DWARAPUDI (2018, p. 1003).

Figura 19 – Microestrutura longitudinal de uma amostra a) padrão do aço AISI H13; b)

de alta qualidade do aço AISI H13; c) do aço AISI H13 obtido por MP.

Fonte: Adaptado de ASM Handbook (1990).

42

7 CONCLUSÕES

A utilização de carepa como matéria-prima para produção de pó de ferro

apresenta características técnicas e de mercado que a torna potencialmente

aplicável em diversos setores da indústria. Com o aumento da utilização de

processos de manufatura aditiva a expectativa do aumento da produção de pó de

ferro é evidente, assim como a busca por novas fontes de matéria-prima capazes de

reduzir os custos de produção. Entretanto, apesar do grande potencial oferecido por

esse mercado, a carepa está entre os resíduos menos estudados no Brasil,

resultado de um comportamento pouco empreendedor dentro das empresas que

busquem a exploração de novas tecnologias ou o avanço a níveis superiores de

conhecimento tecnológico.

Assim sendo, para que haja a possibilidade de um crescimento nacional

concreto na produção deste material, é necessário compreender que explorar esse

mercado traz inúmeros benefícios: aproxima o país às tendências internacionais;

aumenta a produção nacional de materiais de alta tecnologia; diminui o impacto

ambiental; explora um nicho de mercado com pouca participação do mercado

nacional e eleva o conhecimento técnico da indústria brasileira, atribuindo-lhe maior

competitividade não só devido a alta qualidade do produto final, mas também por

exigir um ambiente cada vez mais preparado tecnicamente e disposto a investir em

tecnologia mais avançada.

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8 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS Como sugestões para trabalhos futuros estão:

• Acompanhar o desenvolvimento tecnológico em torno dos métodos de

reciclagem de carepa de aço.

• Desenvolvimento de um projeto que envolva a produção e caracterização de

pó de ferro a partir da carepa de aço por meio do processo de redução

química, buscando a viabilidade da produção em grande escala,

possibilitando a comercialização.

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ANEXO A – Laudo de Classificação do Resíduo Carepa.

Laudo de classificação do resíduo carepa segundo a NBR 10004 (ABNT, 2004).