Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil. Departamento de Engenharia Civil, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto. / Submitted by Oliveira Flávia (flavia@sisbin.ufop.br) on 2015-02-11T15:59:38Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 22190 bytes, checksum: 19e8a2b57ef43c09f4d7071d2153c97d (MD5) DISSERTAÇÃO_ModelagemComportamentoMecânico.pdf: 5773387 bytes, checksum: 90fe50f7cdb5e69cca5c38b2b93c1296 (MD5) / Approved for entry into archive by Gracilene Carvalho (gracilene@sisbin.ufop.br) on 2015-02-11T17:48:29Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 22190 bytes, checksum: 19e8a2b57ef43c09f4d7071d2153c97d (MD5) DISSERTAÇÃO_ModelagemComportamentoMecânico.pdf: 5773387 bytes, checksum: 90fe50f7cdb5e69cca5c38b2b93c1296 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-02-11T17:48:29Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 22190 bytes, checksum: 19e8a2b57ef43c09f4d7071d2153c97d (MD5) DISSERTAÇÃO_ModelagemComportamentoMecânico.pdf: 5773387 bytes, checksum: 90fe50f7cdb5e69cca5c38b2b93c1296 (MD5) Previous issue date: 2014 / Atualmente a geração de resíduos sólidos devidos a processos industriais diversos é um fator preocupante. Esse cenário é vivido tanto pelo setor siderúrgico quanto pelo da construção civil, líderes na geração de rejeitos. Na indústria siderúrgica, tem-se a geração da escória de aciaria, caracterizada como resíduo, e a de altoforno, utilizada como matéria-prima para a indústria cimenteira. Com a finalidade de transformar a escória de aciaria em uma matéria-prima útil à construção civil, o homem vem desenvolvendo diversas técnicas para sua utilização em diversas aplicações. Esse é o caso, por exemplo, dos blocos com fins estruturais, confeccionados a partir do emprego da escória de aciaria como agregado. Esse resíduo siderúrgico, decorrente da transformação do ferro-gusa em aço, tanto pelo processo LD (Linz-Donawitz) quanto pelo arco elétrico, vem se tornando um grande passivo ambiental para as indústrias siderúrgicas. O objetivo principal deste trabalho consiste em avaliar a utilização da escória de aciaria para a produção de blocos com fins estruturais. Por se tratar de um novo material, os blocos de escória foram pouco estudados. Dessa forma, não há na literatura estudos que caracterizam esse material quanto ao comportamento mecânico quando submetido a esforços de compressão, o que ressalta, sobremaneira, o interesse e a relevância do presente estudo. O uso desse material torna-se vantajoso visto que o meio ambiente recebe atualmente grande parte desse rejeito das siderúrgicas. A fim de validar a proposta do presente trabalho, isto é, avaliar o uso de escória para a produção de blocos estruturais e argamassas de assentamento, análises teóricas e experimentais foram realizadas. Foi feito, ainda, uma comparação entre as resistências aferidas nos ensaios experimentais e os resultados encontrados utilizando modelos numéricos obtidos via método dos elementos finitos, sendo possível a caracterização dos pontos favoráveis para sua utilização como elemento portante da edificação. ________________________________________________________________________________________________________ / ABSTRACT: Currently, due to various industrial processes, the generation of solid waste is a major concern. This is the scenario experienced by both steel and construction industries, leaders of the generation of waste. In the steel industry, there is the generation of steel slag and blast furnace slag, used as raw material for the cement industry. In order to transform the steel slag as raw material for the construction industry, several techniques were developed for use and application at various times. This is the case of the blocks, with structural purposes, as made using steel slag aggregate. This steel residue resulting from the processing of pig iron into steel by both electric arc and LD (Linz-Donawitz) process has become a major environmental liability for such companies. Aiming at its reuse, we used the slag from both processes for the production of blocks with structural purposes. In the literature, there are no studies that characterize the mechanical behavior of these blocks when subjected to compressive stress. Thus, there is a need to study this subject in order to complement the literature with relevant data and information. The use of such material becomes advantageous since the environment currently receives much of this waste of steel. Numerical and experimental analyses carried out performed on blocks and mortars. A comparison was made between the strengths presented in practical tests and the results found in numerical modeling via finite element method. Thus, it is possible to characterize the points favorable for its use as a building element.

A reciclagem de resíduos apresenta-se como uma alternativa adequada com relação à preservação dos recursos naturais e do meio ambiente. As escórias de aciaria são resíduos siderúrgicos originados na fabricação do aço, e são geradas em grandes quantidades. Estes resíduos são estocados nos pátios siderúrgicos, onde permanecem, na sua maioria, sem qualquer destino. Normalmente, as escórias de aciaria são volumetricamente instáveis, apresentando características expansivas, e por esta razão, a aplicação das mesmas em materiais de construção torna-se restrita. Esta pesquisa tem como objetivo estudar a viabilidade técnica do uso das escórias de aciaria LD como adição em cimentos, propondo um método de estabilização por meio de granulação por resfriamento brusco destas escórias, buscando, desta forma, a eliminação do fenômeno da expansão, e visando a melhoria das características destes resíduos. No processo de estabilização, a escória líquida foi granulada em uma usina siderúrgica. Estudos complementares de granulação foram realizados nos laboratórios da UFRGS, empregando-se escórias refundidas. A granulação por resfriamento brusco favoreceu a redução do CaOlivre, a eliminação do MgO na forma de periclásio, e a eliminação do bC2S das escórias, considerados agentes causadores da expansão. No entanto, a elevada basicidade da escória LD dificulta a formação da estrutura vítrea e a separação da fração metálica após o resfriamento brusco. Foram realizados ensaios de expansão das escórias, atividade pozolânica, e resistência mecânica de argamassas com escórias granuladas. O resfriamento brusco proporcionou a eliminação da expansão e o desenvolvimento das propriedades pozolânicas/cimentícias da escória granulada. Como adição em cimentos, do ponto de vista da resistência mecânica, as argamassas compostas com escórias granuladas e clínquer apresentaram níveis de resistência à compressão axial compatíveis com as especificações referentes ao cimento Portland composto, apesar destes resultados serem inferiores aos obtidos para as argamassas de referência. / The recycling process of waste appears as an appropriated alternative to dumping and provides many environment benefits. Steel slag is metallurgical waste generated during the steelmaking process and is normally dumped in open areas. Steel slag, however, generally exhibit volumetric instability and show expansion with age, which is considered a limiting factor when used in civil construction. This report evaluates the use of BOF slag as a mineral admixture in cement, and proposes stabilization of the slag through a granulation by quenching method. The objective is to eliminate expansive characteristics and to improve mechanical performance when slag is used as a Portland cement component. In the stabilization process, liquid slag was granulated in a steel plant. Supplemental investigation of the re-melted steel slag was undertaken in the laboratory. The granulation by quenching method reduced traces of free lime in the slag, and improved elimination of periclase and bC2S, which are considered causes of expansion. The high basicity of BOF slag, however, makes it difficult to convert its crystalline structure into an amorphous and the metallic fraction separation. Expansion tests, pozzolanic activity, and mechanical performance of the granulated slag were evaluated. Quenching provided an elimination of expansion and improved slag’s pozzolanic activity. Results of the axial compression test, indicate that the mortars with granulated slags are satisfactory relative to Portland cement composite specifications containing blast-furnace slags. These results, however, are minor when compared to reference mortars.

A geração de resíduos tem se mostrado um problema de preocupação mundial crescente. Muitos rejeitos, sejam industriais ou urbanos, muitas vezes acabam por poluir o meio-ambiente, causando problemas de armazenagem de certos materiais. Além disso, materiais alternativos a partir desses rejeitos podem ser mais baratos, apresentando muitas vezes características de desempenho melhores que os materiais convencionais. As siderúrgicas, em nível mundial, vêm enfrentando um problema comum, que consiste no que fazer para que a totalidade da escória gerada no refino do aço em aciarias elétricas ou à oxigênio tenha uma solução de aproveitamento melhor do que vem sendo feito atualmente. Na fabricação do aço as escorias são geradas em duas etapas: a primeira provém do chamado refino oxidante (forno elétrico a arco ou convertedor à oxigênio) e a segunda do refino redutor em processos de metalurgia na panela (forno-panela). Este trabalho tem como objetivo principal o de apontar potencialidades de uso da escória de aciaria elétrica, com destaque para a proveniente do forno-panela (escória do refino redutor), na indústria da construção civil através de testes em que a escória é utilizada, após moagem, como adição ao cimento Portland comum. Inicialmente foram realizados ensaios de viabilização para se testar a pozolanicidade, resistência à compressão, expansibilidade e profundidade de carbonatação de concretos gerados com diversas adições de escórias de aciaria elétrica. Comprovada a sua viabilidade partiu-se para os ensaios complementares do trabalho utilizando-se somente uma escória do refino redutor. Nesta segunda etapa foram realizados ensaios de caracterização de todos materiais estudados, ensaios de expansibilidade, ensaios mecânicos e de durabilidade dos concretos gerados com esta escória e ensaios de microscopia eletrônica de varredura e de difração de raios X do material. Após o estudo realizado comprovou-se ser perfeitamente viável a utilização de até 10% da escória do refino redutor (forno-panela- FP) como adição ao cimento para produção de concretos. Inclusive, independente do tempo de estocagem da escória, pode-se constatar melhorias no concreto produzido. / Solid wastes generation is a world problem that is getting worse each day. A large number of rejects, industrial or urbans, polute the environment and cause storage problems of some products. Besides that, alternative materials, which come from these rejects, are cheaper, and many times present better performance characteristics than the conventional ones. Steel plants from around the world have a commom problem, that is what to do with all the steel slags generated as a by-product from the steel refining in electric steel plants or oxygen steel plants. There are two points of these process where slags can be generated: the first comes from the electric or oxygen furnace itself (called oxidizing refining) and the second is the laddle metallurgy slag (reduction refining slag), which is the last stage of the steel production. This thesis has as the main objective to show potencial use of the steel slag generated at the steel slag (reduction refining slag) at the civil construction industry. The tests have the purpose to use this slag, after grinding, as an addition to the ordinary Portland cement. Feasibly tests were performed to find out the pozzolanic behavior, compressive strength, expansion and carbonation depth of concretes generated with several additions of this slag. As long as the slag was feasible, complementary tests were started using only the reduction refining slag. At this stage, tests such as: characterization of the materials used, expansibility of the steel slag, durability and mechanical tests for the concrete generated with this material, and scanning electron microscopie and X-ray diffraction of the material were carried out. It was concluded that additions up to 10% of the oxidizing refining slag to the cement weight to produce concretes was not only absolutely feasible, but also improved the characteristics of the generated concrete.

O volume de escória de aço inoxidável produzida a partir do forno elétrico a arco é elevado, e trazendo este fato para dentro do desenvolvimento sustentável, surge a necessidade de estudar a sua reciclagem e reutilização como instrumento de fundamental importância para o controle e minimização dos problemas ambientais, e deste modo resolver o seu problema de armazenagem. O objetivo deste trabalho foi analisar a mobilidade de cromo presente na composição da escória de aço inoxidável, quando esta é utilizada como matéria-prima para a confecção de material cerâmico, afim de avaliar o risco de contaminação ambiental que estes novos materiais podem causar durante o seu ciclo de vida. Houve a necessidade do estudo, principalmente, porque a escória apresenta cromo em sua composição, e em função disto envolve toda a problemática ambiental que resíduos de cromo provocam. As ferramentas utilizadas para este estudo foram os ensaios de lixiviação e solubilização baseados nas Normas Brasileiras para material granular, NBR 10005 e NBR 10006, respectivamente, e ensaio baseado na Norma Holandesa para material monolítico, NEN 7345, para corpos cerâmicos com percentuais de escória de 10%, 20% e 30% em peso. Os parâmetros utilizados para avaliação do comportamento deste material foram as diferentes granulometrias da amostra e diferentes soluções acidificantes. As diferentes granulometrias foram obtidas através de quebra aleatória ou cortes em local pré-determinado. Este parâmetro de avaliação foi aplicado nos ensaios baseados nas Normas Brasileiras As diferentes soluções acidificantes, ácido nítrico ou ácido acético, foram utilizadas como parâmetro de avaliação no ensaio baseado na Norma Holandesa. A periculosidade do resíduo foi determinada através da análise química dos extratos resultantes dos ensaios e posterior comparação com a concentração máxima dos componentes estabelecida na NBR 10004. Os resultados mostraram que a escória de aço inoxidável é resíduo não-inerte; o cromo presente na escória está na forma trivalente, podendo ser parcialmente oxidado a cromo hexavalente durante o processamento cerâmico; a granulometria, e conseqüente área superficial, é fator determinante para os ensaios de lixiviação e solubilização; e os dois ácidos utilizados apresentam grandes diferenças na extração dos constituintes, o que indica que os resultados são diferentes conforme a norma de lixiviação utilizada para a avaliação da mobilidade dos constituintes do resíduo.

A escória é um dos principais resíduos resultantes do processo de produção do aço. Ao contrário dos demais tipos de escória, como as de alto-forno, que são largamente recicladas, as escórias de aço inoxidável de aciaria elétrica têm pouca ou nenhuma utilização. A presença de altos teores de cromo confere periculosidade a este resíduo, o qual é normalmente mantido em depósitos cobertos devido às regulamentações dos órgãos de proteção ambiental. Em vista da necessidade de estoque e do grande volume de escória gerada, várias propostas de reciclagem ou reaproveitamento deste material têm surgido. Entre elas, está o projeto de reaproveitamento da escória de inox no próprio processo que a gerou. O primeiro passo na direção de se atingir plenamente este objetivo é a caracterização do material, objetivo deste trabalho. A importância de caracterizar a escória reside no fato de que, uma vez lançada no forno como adição, será necessário prever o seu comportamento no aquecimento e fusão. Consequentemente, será preciso saber como os seus constituintes estão arranjados. Devido à heterogeneidade do material, por vezes esta caracterização se torna difícil, razão pela qual foram escolhidas técnicas variadas, como difração de raios-x, microscopia eletrônica de varredura com microssonda acoplada, análise térmica. Os resultados obtidos mostram que a escória apresenta temperatura liquidus na faixa de 1100-1200ºC e sua microestrutura é composta principalmente por: matriz, fase poligonal constituída por óxido de cromo e magnésio, óxido de magnésio e fase metálica retida. / Slag is one of the main wastes generated in the iron and steelmaking processes. The blast-furnace slags have been highly recycled in almost every country, on the other hand stainless steelmaking slags have little or none recycling use. The presence of chromium in high contents confers hazardousness to this waste, which is usually maintained in covered deposits due environmental protection agency regulations. Due to the storage and the high volume of generated slag, some recycling and reutilization proposals have been emerged. Between them, it can be pointed out the slag reutilization in steelmaking process where it was generated. The first step on this direction is the waste characterization which is the aim of this work. The importance of slag characterization brings the fact that, for its possible addition as input material in the furnace it will be necessary to predict its behaviour under heating up and melting. As a consequence, the constituints structure must be known. Due to the heterogenity of the material, which turns the characterization quite difficult, some different techniques were used as x-ray diffraction, SEM with EDS and thermal analysis. The results have shown that the slag presents liquidus temperature between 1100- 1200°C, and its microstructure is formed mainly by: matrix, polygonal phase containing chromium and magnesium oxide, magnesium oxide and a retained metallic phase.

Resumo não disponível

O controle de enxofre na produção de aços é amplamente estudado por pesquisadores, sendo a maioria baseado nos estudos sobre basicidade ótica realizada nos anos 70. O presente trabalho foca no controle do enxofre do aço SAE 1070 modificado, comparando dados medidos de aço e escória de uma planta siderúrgica com modelos termodinâmicos teóricos de equilíbrio. Composições químicas de aço e escória foram medidas ao longo do processo de produção do aço SAE 1070 modificado (0,060 – 0,070% S). A composição química da fase líquida foi obtida através do software FactSage®. Diferentes modelos de controle de enxofre fundamentados em basicidade ótica foram testadas a fim de validar o que melhor se ajustou aos resultados da planta. Com o modelo escolhido, uma rota alternativa de produção foi avaliada. A rota padrão é baseada apenas na adição de enxofre na metalurgia secundária, enquanto que a rota alternativa é baseada na adição de pó enxofre durante o vazamento e de fio na metalurgia secundária. A partição de enxofre ao longo do processo apresentou importante variação dependendo do método de adição utilizado, afetando a estabilidade da composição química final do aço. O método baseado na adição de pó de enxofre antecipada apresentou uma variação menor na composição químico quanto comparado ao método baseado apenas na adição via fio. / Sulfur control on steel production is widely investigated for researchers, manly based on optical basicity studies developed on 70’s. The present work focus on sulfur control of modified SAE 1070 steel, comparing measured plant steel/slag composition data with theoretical sulfur thermodynamics equilibrium models. Steel and slag total composition were measured on high sulfur SAE 1070 steel (0,060 – 0,070% S) production. The theoretical liquid slag composition was determinate with FactSage® software. Different based optical basicity sulfur control models were tested to check the better fitting with steel plant data. With best model fitted to steel plant, an alternative process rout was tested. The usual one is based on cored wired addition during secondary refining, while alternative is based on addition of sulfur powder during tapping and cored wire during secondary refining. The sulfur distribution ratio along the process shows significant variation depending of addition method used, affecting final chemistry composition stabilization during steel production. The sulfur powder method shows a reduced variation of final chemical composition when compared with cored wire addition.

Resumo não disponível

A escória é um dos principais resíduos resultantes do processo de produção do aço. Ao contrário dos demais tipos de escória, como as de alto-forno, que são largamente recicladas, as escórias de aço inoxidável de aciaria elétrica têm pouca ou nenhuma utilização. A presença de altos teores de cromo confere periculosidade a este resíduo, o qual é normalmente mantido em depósitos cobertos devido às regulamentações dos órgãos de proteção ambiental. Em vista da necessidade de estoque e do grande volume de escória gerada, várias propostas de reciclagem ou reaproveitamento deste material têm surgido. Entre elas, está o projeto de reaproveitamento da escória de inox no próprio processo que a gerou. O primeiro passo na direção de se atingir plenamente este objetivo é a caracterização do material, objetivo deste trabalho. A importância de caracterizar a escória reside no fato de que, uma vez lançada no forno como adição, será necessário prever o seu comportamento no aquecimento e fusão. Consequentemente, será preciso saber como os seus constituintes estão arranjados. Devido à heterogeneidade do material, por vezes esta caracterização se torna difícil, razão pela qual foram escolhidas técnicas variadas, como difração de raios-x, microscopia eletrônica de varredura com microssonda acoplada, análise térmica. Os resultados obtidos mostram que a escória apresenta temperatura liquidus na faixa de 1100-1200ºC e sua microestrutura é composta principalmente por: matriz, fase poligonal constituída por óxido de cromo e magnésio, óxido de magnésio e fase metálica retida. / Slag is one of the main wastes generated in the iron and steelmaking processes. The blast-furnace slags have been highly recycled in almost every country, on the other hand stainless steelmaking slags have little or none recycling use. The presence of chromium in high contents confers hazardousness to this waste, which is usually maintained in covered deposits due environmental protection agency regulations. Due to the storage and the high volume of generated slag, some recycling and reutilization proposals have been emerged. Between them, it can be pointed out the slag reutilization in steelmaking process where it was generated. The first step on this direction is the waste characterization which is the aim of this work. The importance of slag characterization brings the fact that, for its possible addition as input material in the furnace it will be necessary to predict its behaviour under heating up and melting. As a consequence, the constituints structure must be known. Due to the heterogenity of the material, which turns the characterization quite difficult, some different techniques were used as x-ray diffraction, SEM with EDS and thermal analysis. The results have shown that the slag presents liquidus temperature between 1100- 1200°C, and its microstructure is formed mainly by: matrix, polygonal phase containing chromium and magnesium oxide, magnesium oxide and a retained metallic phase.

A geração de resíduos tem se mostrado um problema de preocupação mundial crescente. Muitos rejeitos, sejam industriais ou urbanos, muitas vezes acabam por poluir o meio-ambiente, causando problemas de armazenagem de certos materiais. Além disso, materiais alternativos a partir desses rejeitos podem ser mais baratos, apresentando muitas vezes características de desempenho melhores que os materiais convencionais. As siderúrgicas, em nível mundial, vêm enfrentando um problema comum, que consiste no que fazer para que a totalidade da escória gerada no refino do aço em aciarias elétricas ou à oxigênio tenha uma solução de aproveitamento melhor do que vem sendo feito atualmente. Na fabricação do aço as escorias são geradas em duas etapas: a primeira provém do chamado refino oxidante (forno elétrico a arco ou convertedor à oxigênio) e a segunda do refino redutor em processos de metalurgia na panela (forno-panela). Este trabalho tem como objetivo principal o de apontar potencialidades de uso da escória de aciaria elétrica, com destaque para a proveniente do forno-panela (escória do refino redutor), na indústria da construção civil através de testes em que a escória é utilizada, após moagem, como adição ao cimento Portland comum. Inicialmente foram realizados ensaios de viabilização para se testar a pozolanicidade, resistência à compressão, expansibilidade e profundidade de carbonatação de concretos gerados com diversas adições de escórias de aciaria elétrica. Comprovada a sua viabilidade partiu-se para os ensaios complementares do trabalho utilizando-se somente uma escória do refino redutor. Nesta segunda etapa foram realizados ensaios de caracterização de todos materiais estudados, ensaios de expansibilidade, ensaios mecânicos e de durabilidade dos concretos gerados com esta escória e ensaios de microscopia eletrônica de varredura e de difração de raios X do material. Após o estudo realizado comprovou-se ser perfeitamente viável a utilização de até 10% da escória do refino redutor (forno-panela- FP) como adição ao cimento para produção de concretos. Inclusive, independente do tempo de estocagem da escória, pode-se constatar melhorias no concreto produzido. / Solid wastes generation is a world problem that is getting worse each day. A large number of rejects, industrial or urbans, polute the environment and cause storage problems of some products. Besides that, alternative materials, which come from these rejects, are cheaper, and many times present better performance characteristics than the conventional ones. Steel plants from around the world have a commom problem, that is what to do with all the steel slags generated as a by-product from the steel refining in electric steel plants or oxygen steel plants. There are two points of these process where slags can be generated: the first comes from the electric or oxygen furnace itself (called oxidizing refining) and the second is the laddle metallurgy slag (reduction refining slag), which is the last stage of the steel production. This thesis has as the main objective to show potencial use of the steel slag generated at the steel slag (reduction refining slag) at the civil construction industry. The tests have the purpose to use this slag, after grinding, as an addition to the ordinary Portland cement. Feasibly tests were performed to find out the pozzolanic behavior, compressive strength, expansion and carbonation depth of concretes generated with several additions of this slag. As long as the slag was feasible, complementary tests were started using only the reduction refining slag. At this stage, tests such as: characterization of the materials used, expansibility of the steel slag, durability and mechanical tests for the concrete generated with this material, and scanning electron microscopie and X-ray diffraction of the material were carried out. It was concluded that additions up to 10% of the oxidizing refining slag to the cement weight to produce concretes was not only absolutely feasible, but also improved the characteristics of the generated concrete.