O presente trabalho tem por objetivo o estudo dos tratamentos termoquímicos comuns na indústria metalúrgica denominados: nitretação, nitrocarburação e carbonitretação com o auxílio da ferramenta conhecida como ‘termodinâmica computacional’. Com o uso de um aplicativo computacional e de um banco de dados compacto procurou-se primeiramente o perfeito entendimento dos processos, por exemplo, através da análise do efeito de variáveis como temperatura, pressão e composição das fases gasosa e condensada. A partir deste entendimento procurouse simular os tratamentos termoquímicos dentro de parâmetros conhecidos da prática industrial e, finalmente, procurou-se sugerir algumas outras atmosferas possíveis de serem aplicadas, que se mostraram apropriadas aos objetivos de tais tratamentos. Durante a simulação, constatou-se que alguns resultados mostraram-se algo diferente dos existentes na literatura, provavelmente por diferenças nos dados termodinâmicos utilizados. Este fato, contudo, não invalida as simulações. Sugere-se apenas, para o futuro, a utilização de bancos de dados ainda mais compatíveis com os resultados obtidos na prática industrial.

O presente trabalho tem por objetivo o estudo dos tratamentos termoquímicos comuns na indústria metalúrgica denominados: nitretação, nitrocarburação e carbonitretação com o auxílio da ferramenta conhecida como ‘termodinâmica computacional’. Com o uso de um aplicativo computacional e de um banco de dados compacto procurou-se primeiramente o perfeito entendimento dos processos, por exemplo, através da análise do efeito de variáveis como temperatura, pressão e composição das fases gasosa e condensada. A partir deste entendimento procurouse simular os tratamentos termoquímicos dentro de parâmetros conhecidos da prática industrial e, finalmente, procurou-se sugerir algumas outras atmosferas possíveis de serem aplicadas, que se mostraram apropriadas aos objetivos de tais tratamentos. Durante a simulação, constatou-se que alguns resultados mostraram-se algo diferente dos existentes na literatura, provavelmente por diferenças nos dados termodinâmicos utilizados. Este fato, contudo, não invalida as simulações. Sugere-se apenas, para o futuro, a utilização de bancos de dados ainda mais compatíveis com os resultados obtidos na prática industrial.

O presente trabalho tem por objetivo o estudo dos tratamentos termoquímicos comuns na indústria metalúrgica denominados: nitretação, nitrocarburação e carbonitretação com o auxílio da ferramenta conhecida como ‘termodinâmica computacional’. Com o uso de um aplicativo computacional e de um banco de dados compacto procurou-se primeiramente o perfeito entendimento dos processos, por exemplo, através da análise do efeito de variáveis como temperatura, pressão e composição das fases gasosa e condensada. A partir deste entendimento procurouse simular os tratamentos termoquímicos dentro de parâmetros conhecidos da prática industrial e, finalmente, procurou-se sugerir algumas outras atmosferas possíveis de serem aplicadas, que se mostraram apropriadas aos objetivos de tais tratamentos. Durante a simulação, constatou-se que alguns resultados mostraram-se algo diferente dos existentes na literatura, provavelmente por diferenças nos dados termodinâmicos utilizados. Este fato, contudo, não invalida as simulações. Sugere-se apenas, para o futuro, a utilização de bancos de dados ainda mais compatíveis com os resultados obtidos na prática industrial.

Esta pesquisa tem como objetivo geral estudar o comportamento de lixiviação do Pó de Aciaria Elétrica, PAE, por meio do estudo da mobilidade dos metais Zn, Cu, Pb, Cr, Mn e Cd, considerados, tanto pelas suas concentrações no PAE, como por estarem entre os mais preocupantes metais existentes nas usinas siderúrgicas. Em contra-partida, as principais normas internacionais de lixiviação, às quais as amostras de PAE submeteram-se, foram devidamente estudadas. Além da norma brasileira, as seguintes normas internacionais de lixiviação estudadas neste trabalho foram: norte americana modificada, francesa, japonesa, alemã e holandesa, cujos mecanismos de lixiviação seguiram processos por batelada e coluna. O estudo das reações químicas, assim como a formação de compostos resultantes do contato do pó com os lixiviantes, elucidaram diversos comportamentos de lixiviação do Zn, Cu, Pb, Cr, Mn e Cd, no pó. Para isto, foi proposto o uso do aplicativo Hydra- Medusa, com base nos dados de concentrações e pH, obtidos em laboratório. As análises realizadas por meio da difração de raio X, foram, portanto, complementadas e/ou confirmadas pelo programa computacional Hydra-Medusa. Os testes por batelada mostraram resultados diferentes quanto à mobilidade dos metais, em relação aos da coluna, sendo que a norma brasileira trouxe resultados de mobilidade dos metais ainda mais diferenciados dos demais por batelada, o que conduz a classificações diferenciadas do PAE, quanto a toxidez. Por meio da norma brasileira os elementos que conferiram toxidez ao PAE foram o Pb e o Cd. Pelas normas européias e japonesa os elementos foram o Cr e o Pb. Os testes em coluna demonstraram, entretanto, as baixas mobilidades dos metais nos extratos dos lixiviados em relação aos por batelada. As legislações internacionais para lixiviação de resíduos sólidos, brasileira e norte - americana, diferem da alemã em concentração e metais. Ficou clara a falta de uniformidade entre estas normas, pelos resultados diferenciados a que estas conduziram os comportamentos de lixiviação dos metais analisados. / The present research aims at to study the leaching behavior of Electric Furnace Dust (EFD), in relation to the mobility of metals (Zn, Cu, Pb, Cr, Mn and Cd), either by their contents in the dust, as due to the environmental concern about them. Dust samples were tested according to the main international norms about leaching of residues. Besides the Brazilian Norm, also North American modified, French, Japanese, German and Dutch norms were included. Depending on the specifications in each norm, batch or continuous (column) tests were adopted. The study of the chemical reactions, as well as the analysis of the neo-formed compounds obtained by the contact between the dust and the leaching agents, helped to clarify different leaching behaviors for the metals in the dust. The Hydra-Medusa software was proposed as a tool, utilizing experimental concentration and pH values, to confirm and to complement results from X-ray diffraction analysis. Batch tests showed different results in relation to metals’ mobility when compared to column tests. The application of the procedures established in the Brazilian Norm yielded the results with the greatest differentiation between general batch tests. These differences can lead to distinct EDF’s classifications for toxicity. According to the Brazilian procedures, lead and cadmium were the elements that classified EDF as a toxic waste. According to the European and the Japanese norms, these elements were chromium and lead. Column tests, however, yielded smaller mobility indices for the metals in leachates, when compared to batch tests. The option for a dynamical leaching procedure is conclusive, with the use of columns, instead of batch tests. International procedures established for the leaching of solid residues, as well as the Brazilian and the North American, differ from the German in terms of concentration and metals. The lack of uniformity among those regulations was clear, due to the distinct results that their application led, in relation to the objective of this work.

Esta pesquisa tem como objetivo geral estudar o comportamento de lixiviação do Pó de Aciaria Elétrica, PAE, por meio do estudo da mobilidade dos metais Zn, Cu, Pb, Cr, Mn e Cd, considerados, tanto pelas suas concentrações no PAE, como por estarem entre os mais preocupantes metais existentes nas usinas siderúrgicas. Em contra-partida, as principais normas internacionais de lixiviação, às quais as amostras de PAE submeteram-se, foram devidamente estudadas. Além da norma brasileira, as seguintes normas internacionais de lixiviação estudadas neste trabalho foram: norte americana modificada, francesa, japonesa, alemã e holandesa, cujos mecanismos de lixiviação seguiram processos por batelada e coluna. O estudo das reações químicas, assim como a formação de compostos resultantes do contato do pó com os lixiviantes, elucidaram diversos comportamentos de lixiviação do Zn, Cu, Pb, Cr, Mn e Cd, no pó. Para isto, foi proposto o uso do aplicativo Hydra- Medusa, com base nos dados de concentrações e pH, obtidos em laboratório. As análises realizadas por meio da difração de raio X, foram, portanto, complementadas e/ou confirmadas pelo programa computacional Hydra-Medusa. Os testes por batelada mostraram resultados diferentes quanto à mobilidade dos metais, em relação aos da coluna, sendo que a norma brasileira trouxe resultados de mobilidade dos metais ainda mais diferenciados dos demais por batelada, o que conduz a classificações diferenciadas do PAE, quanto a toxidez. Por meio da norma brasileira os elementos que conferiram toxidez ao PAE foram o Pb e o Cd. Pelas normas européias e japonesa os elementos foram o Cr e o Pb. Os testes em coluna demonstraram, entretanto, as baixas mobilidades dos metais nos extratos dos lixiviados em relação aos por batelada. As legislações internacionais para lixiviação de resíduos sólidos, brasileira e norte - americana, diferem da alemã em concentração e metais. Ficou clara a falta de uniformidade entre estas normas, pelos resultados diferenciados a que estas conduziram os comportamentos de lixiviação dos metais analisados. / The present research aims at to study the leaching behavior of Electric Furnace Dust (EFD), in relation to the mobility of metals (Zn, Cu, Pb, Cr, Mn and Cd), either by their contents in the dust, as due to the environmental concern about them. Dust samples were tested according to the main international norms about leaching of residues. Besides the Brazilian Norm, also North American modified, French, Japanese, German and Dutch norms were included. Depending on the specifications in each norm, batch or continuous (column) tests were adopted. The study of the chemical reactions, as well as the analysis of the neo-formed compounds obtained by the contact between the dust and the leaching agents, helped to clarify different leaching behaviors for the metals in the dust. The Hydra-Medusa software was proposed as a tool, utilizing experimental concentration and pH values, to confirm and to complement results from X-ray diffraction analysis. Batch tests showed different results in relation to metals’ mobility when compared to column tests. The application of the procedures established in the Brazilian Norm yielded the results with the greatest differentiation between general batch tests. These differences can lead to distinct EDF’s classifications for toxicity. According to the Brazilian procedures, lead and cadmium were the elements that classified EDF as a toxic waste. According to the European and the Japanese norms, these elements were chromium and lead. Column tests, however, yielded smaller mobility indices for the metals in leachates, when compared to batch tests. The option for a dynamical leaching procedure is conclusive, with the use of columns, instead of batch tests. International procedures established for the leaching of solid residues, as well as the Brazilian and the North American, differ from the German in terms of concentration and metals. The lack of uniformity among those regulations was clear, due to the distinct results that their application led, in relation to the objective of this work.

Esta pesquisa tem como objetivo geral estudar o comportamento de lixiviação do Pó de Aciaria Elétrica, PAE, por meio do estudo da mobilidade dos metais Zn, Cu, Pb, Cr, Mn e Cd, considerados, tanto pelas suas concentrações no PAE, como por estarem entre os mais preocupantes metais existentes nas usinas siderúrgicas. Em contra-partida, as principais normas internacionais de lixiviação, às quais as amostras de PAE submeteram-se, foram devidamente estudadas. Além da norma brasileira, as seguintes normas internacionais de lixiviação estudadas neste trabalho foram: norte americana modificada, francesa, japonesa, alemã e holandesa, cujos mecanismos de lixiviação seguiram processos por batelada e coluna. O estudo das reações químicas, assim como a formação de compostos resultantes do contato do pó com os lixiviantes, elucidaram diversos comportamentos de lixiviação do Zn, Cu, Pb, Cr, Mn e Cd, no pó. Para isto, foi proposto o uso do aplicativo Hydra- Medusa, com base nos dados de concentrações e pH, obtidos em laboratório. As análises realizadas por meio da difração de raio X, foram, portanto, complementadas e/ou confirmadas pelo programa computacional Hydra-Medusa. Os testes por batelada mostraram resultados diferentes quanto à mobilidade dos metais, em relação aos da coluna, sendo que a norma brasileira trouxe resultados de mobilidade dos metais ainda mais diferenciados dos demais por batelada, o que conduz a classificações diferenciadas do PAE, quanto a toxidez. Por meio da norma brasileira os elementos que conferiram toxidez ao PAE foram o Pb e o Cd. Pelas normas européias e japonesa os elementos foram o Cr e o Pb. Os testes em coluna demonstraram, entretanto, as baixas mobilidades dos metais nos extratos dos lixiviados em relação aos por batelada. As legislações internacionais para lixiviação de resíduos sólidos, brasileira e norte - americana, diferem da alemã em concentração e metais. Ficou clara a falta de uniformidade entre estas normas, pelos resultados diferenciados a que estas conduziram os comportamentos de lixiviação dos metais analisados. / The present research aims at to study the leaching behavior of Electric Furnace Dust (EFD), in relation to the mobility of metals (Zn, Cu, Pb, Cr, Mn and Cd), either by their contents in the dust, as due to the environmental concern about them. Dust samples were tested according to the main international norms about leaching of residues. Besides the Brazilian Norm, also North American modified, French, Japanese, German and Dutch norms were included. Depending on the specifications in each norm, batch or continuous (column) tests were adopted. The study of the chemical reactions, as well as the analysis of the neo-formed compounds obtained by the contact between the dust and the leaching agents, helped to clarify different leaching behaviors for the metals in the dust. The Hydra-Medusa software was proposed as a tool, utilizing experimental concentration and pH values, to confirm and to complement results from X-ray diffraction analysis. Batch tests showed different results in relation to metals’ mobility when compared to column tests. The application of the procedures established in the Brazilian Norm yielded the results with the greatest differentiation between general batch tests. These differences can lead to distinct EDF’s classifications for toxicity. According to the Brazilian procedures, lead and cadmium were the elements that classified EDF as a toxic waste. According to the European and the Japanese norms, these elements were chromium and lead. Column tests, however, yielded smaller mobility indices for the metals in leachates, when compared to batch tests. The option for a dynamical leaching procedure is conclusive, with the use of columns, instead of batch tests. International procedures established for the leaching of solid residues, as well as the Brazilian and the North American, differ from the German in terms of concentration and metals. The lack of uniformity among those regulations was clear, due to the distinct results that their application led, in relation to the objective of this work.

As indústrias siderúrgicas almejam aliar a máxima produtividade com um menor custo, neste contexto, no processo de produção de aço em uma aciaria elétrica uma série de fatores necessita de um melhor entendimento para alcançar as metas exigidas (máxima produtividade e menor custo). Um destes fatores que tem efeito direto sobre os custos é a escória espumante no refino primário, que além de favorecer o rendimento metálico, melhora a eficiência energética do FEA. O objetivo geral do presente trabalho é estudar as escórias de refino primário visando a redução do consumo energético, avaliando a espumação e os diferentes parâmetros que a afetam, utilizando a termodinâmica computacional (software FactSage 6.4) e dados industriais. A metodologia desenvolvida buscou especificamente: a) avaliar a saturação de MgO para o sistema CaO-SiO2-FeO-Al2O3-MgO através da termodinâmica computacional; e para os dados industriais: b) encontrar relações entre a composição química da escória e o consumo de energia elétrica; c) utilizar os diagramas de saturação isotérmicos (ISD’s) para avaliar o consumo de energia elétrica, avaliando a posição das corridas analisadas; d) encontrar relações entre os harmônicos de tensão e o consumo de energia elétrica; e) encontrar relações entre os harmônicos de tensão e a composição química da escória. Com relação à análise dos dados obtidos, pode-se concluir que: 1) a análise de saturação de MgO realizada no programa FactSage 6.4 apresentou os resultados esperados com relação à variação de composição química, a comparação entre os diagramas ternários e ISD’s; 2) o menor gasto de energia elétrica foi encontrado para as seguintes faixas de composição química: FeO entre 27,5 e 30% em massa, basicidade binária entre 3,0 e 3,2, MgO entre 5,5 e 6,5% em massa; 3) os ISD’s podem ser utilizados para a análise do consumo energético; 4) o teor de FeO de menor desvio padrão dos harmônicos foi de 29%; 5) quanto maior a variação dos THDv’s (distorção harmonica total de tensão), maior o gasto energético. / Steelmaking industries aim to combine maximum productivity with a lower cost, in this context, in the steel production process in an electric steel plant a number of factors needs a better understanding to achieve the required goals (maximum productivity and lower cost). One of these factors that have a direct effect on costs is the foamy slag in the primary refining, which in addition to promoting the metal yield improves the energy efficiency of FEA. The overall objective of this work is to study the primary refining slag aimed at reducing energy consumption, evaluating the foaming and the different parameters affecting it, using computational thermodynamics (FactSage 6.4 software) and industrial data. The methodology consisted of: a) evaluate the MgO saturation for the CaO-SiO2-FeO-Al2O3-MgO system by computational thermodynamics; and with industrial data: b) find relationships between the chemical composition of the slag and the consumption of electricity; c) use the isothermal saturation diagrams (ISD) to assess the energy consumption, evaluating the position of the analyzed heat; d) find relationships between the voltage harmonics and power consumption; e) find relationships between the voltage harmonics and the chemical composition of the slag. Regarding the analysis of the data, it can be concluded that: 1) the MgO saturation analysis in FactSage 6.4 program presented the results expected in relation to the variation in chemical composition, the comparison between the ternary diagrams and ISD's; 2) the lowest power consumption was found for the following chemical composition ranges: FeO between 27.5 and 30%, binary basicity between 3.0 and 3.2, MgO 5,5 e 6,5%; 3) ISD's can be used for the analysis of energy consumption; 4) the FeO content of less harmonic standard deviation was 29%; 5) the greater the variation of THD's largest energy expenditure.

Este trabalho, realizado com o auxílio da termodinâmica computacional, dá continuação a um estudo sistemático, que trata dos fundamentos dos tratamentos termoquímicos metalúrgicos relacionados à nitretação e à nitrocarburação. O estudo concentrou-se nas ligas da família ABNT 10XX, do aço ABNT 4140 e do aço ferramenta AISI M2. A composição das ligas utilizadas na simulação, contudo, não correspondem exatamente à comercial. Uma simplificação foi necessária para que a simulação do processo fosse facilitada. O uso da termodinâmica computacional como ferramenta para determinação das fases presentes (ou que podem vir a se formar) em um sistema a certa temperatura e pressão simulando o processo de nitretação mostrou-se uma valiosa ferramenta de análise.Apesar de, na prática, estes prognósticos ainda dependerem de uma cinética micro ou macroscópica favorável para ser verdadeiros, a comparação dos resultados obtidos com a literatura mostrou uma boa concordância nos resultados, validando, assim, o emprego desta técnica de análise. Assim, além deste estudo ser um avanço na compreensão das fases que participam das microestruturas (nitretos e carbonitretos) que se formam nas ligas estudadas, também pode ser utilizado como um balizador na definição de parâmetros que permitam a seleção destas fases finais desejadas, economizando tempo e recursos na realização de ensaios experimentais. / This work, accomplished with the help of computational thermodynamics, provides the development of a systematic study concerning the basis of the thermochemical treatments related to nitriding and nitrocarburising. This study focused on the alloys of the ABNT 10XX family, on the ABNT 4140 steel and on the AISI M2 tool steel. However, the compositions used in the simulation do not correspond exactly to the commercial composition of the alloy, for they had their composition simplified in order to facilitate the simulation process. The use of computational thermodynamics as a tool to determine the phase present (or that can be formed) in a system under a specific temperature and pressure, simulating the nitriding process, proved to be a valuable analysis tool. Nevertheless, in practice, these prognostics still depend on a micro or macro kinetics in order to be true; the comparison of the results obtained with those found in the literature showed good agreement of results, validating, thus, the use of this analysis technique. So, besides this study being an advance when it comes to understanding phases (nitrides and carbonitrides) that are formed in the studied alloys, it can also be used as a mark in defining parameters that allow the selection of final desired structures, saving time and resources.

Este trabalho, realizado com o auxílio da termodinâmica computacional, dá continuação a um estudo sistemático, que trata dos fundamentos dos tratamentos termoquímicos metalúrgicos relacionados à nitretação e à nitrocarburação. O estudo concentrou-se nas ligas da família ABNT 10XX, do aço ABNT 4140 e do aço ferramenta AISI M2. A composição das ligas utilizadas na simulação, contudo, não correspondem exatamente à comercial. Uma simplificação foi necessária para que a simulação do processo fosse facilitada. O uso da termodinâmica computacional como ferramenta para determinação das fases presentes (ou que podem vir a se formar) em um sistema a certa temperatura e pressão simulando o processo de nitretação mostrou-se uma valiosa ferramenta de análise.Apesar de, na prática, estes prognósticos ainda dependerem de uma cinética micro ou macroscópica favorável para ser verdadeiros, a comparação dos resultados obtidos com a literatura mostrou uma boa concordância nos resultados, validando, assim, o emprego desta técnica de análise. Assim, além deste estudo ser um avanço na compreensão das fases que participam das microestruturas (nitretos e carbonitretos) que se formam nas ligas estudadas, também pode ser utilizado como um balizador na definição de parâmetros que permitam a seleção destas fases finais desejadas, economizando tempo e recursos na realização de ensaios experimentais. / This work, accomplished with the help of computational thermodynamics, provides the development of a systematic study concerning the basis of the thermochemical treatments related to nitriding and nitrocarburising. This study focused on the alloys of the ABNT 10XX family, on the ABNT 4140 steel and on the AISI M2 tool steel. However, the compositions used in the simulation do not correspond exactly to the commercial composition of the alloy, for they had their composition simplified in order to facilitate the simulation process. The use of computational thermodynamics as a tool to determine the phase present (or that can be formed) in a system under a specific temperature and pressure, simulating the nitriding process, proved to be a valuable analysis tool. Nevertheless, in practice, these prognostics still depend on a micro or macro kinetics in order to be true; the comparison of the results obtained with those found in the literature showed good agreement of results, validating, thus, the use of this analysis technique. So, besides this study being an advance when it comes to understanding phases (nitrides and carbonitrides) that are formed in the studied alloys, it can also be used as a mark in defining parameters that allow the selection of final desired structures, saving time and resources.

A presente Tese, elaborada pela integração de seis artigos científicos publicados em periódicos internacionais, tem por objetivo geral a realização de simulações termodinâmicas aplicadas à produção de hidrogênio e geração de eletricidade a partir de células a combustível de baixa temperatura (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - PEMFC) e alta temperatura (Solid Oxide Fuel Cell - SOFC). Foram simuladas diferentes rotas termoquímicas para a produção de hidrogênio (reforma a vapor, autotérmica, oxidação parcial, reforma com captura in situ de CO2, unmixed reforming e chemical looping), empregando-se diversos combustíveis (etanol, glicerol, metanol, n-butanol, biogás e metano). Além disso, foi analisada a utilização direta de combustível (glicerol) no ânodo de uma célula SOFC. Com a realização desta Tese, as seguintes metas gerais foram alcançadas: (1) A partir de dados experimentais da literatura, foi possível propor explicações, com base na termodinâmica, capazes de justificar tais valores e tendências reportados; (2) Elaboração de diagramas práticos em que são mostradas as condições otimizadas para a realização de experimentos, o que é de utilidade para pesquisadores experimentalistas; (3) Proposição de novas rotas eficientes e limpas para produção de H2 e geração de eletricidade com o uso de células a combustível; (4) Demonstração da aplicabilidade e robustez de uma ferramenta de fácil entendimento e acesso para uso em simulações termodinâmicas envolvendo problemas convexos. / The present Thesis, whose elaboration is based on the integration of six scientific papers published in refereed international journals, is focused on carrying out thermodynamic simulations applied to hydrogen production and electricity generation from fuel cells operating at low temperatures (Proton Exchange Membrane Fuel Cell – PEMFC) and high temperatures (Solid Oxide Fuel Cell – SOFC). Different thermochemical routes for hydrogen production were simulated (steam reforming, auto-thermal reforming, partial oxidation, sorption enhanced steam reforming, unmixed reforming and chemical looping), considering the use of a wide variety of fuels (ethanol, glycerol, n-butanol, methanol, biogas and methane). In addition, the direct utilization of a fuel (glycerol) in the SOFC anode is evaluated. The following general goals were achieved with this Thesis: (1) From experimental data obtained from literature, it was possible to propose explanations, based on thermodynamics, which were able to justify these reported values and trends; (2) Elaboration of practical diagrams, in which the optimized conditions for carrying out experiments are indicated. This is particularly useful for experimental researchers; (3) Proposal for new clean and efficient routes for hydrogen production and electricity generation from fuel cells; (4) Demonstration of applicability and robustness of a tool, which is easy to understand and apply, for thermodynamic simulations comprising convex problems.