Na indústria do aço , escória é a escória que se forma durante a fusão ou produção do metal por meios líquidos . É uma mistura composta essencialmente por silicatos , aluminatos e cal , com vários óxidos metálicos, com exceção dos óxidos de ferro . Suas funções na metalurgia de metais ferrosos fundidos são múltiplas.
Este material é um subproduto importante do produto de altos-fornos , apreciados como material de enchimento ou como uma matéria-prima no fabrico de cimento . Como o leite de usina siderúrgica se a escória foram também uma saída principal para a indústria de aço no início do XX ° século, o desenvolvimento de produtos lácteos moderna acontece após a otimização dos processos metalúrgicos na indústria do aço.
Segundo Le Petit Robert , o termo é usado na metalurgia pelo menos desde 1676. Sua etimologia remete imediatamente à palavra “ leite ”. Na verdade, quando estão completamente isentos de ferro , a escória de um alto-forno tem uma brancura e uma aparência que lembra leite fervente. É uma palavra do comércio:
"Escória, um termo para fundição que traduz bem em sua metáfora espontânea a alvura estonteante da escória que flutua no banho de ferro fundido fundido, enquanto os trabalhos acadêmicos preferem usar" escória "ou" escória ""
- Pierre Masson, Século XVIII , 1991
Escória é o nome dado a escória metalúrgica da metalurgia de ferro e seus compostos:
“A escória isenta de ferro é chamada de“ escória ”na metalurgia do ferro e ferroligas , reservando o termo escória para escórias ferruginosas na metalurgia de metais não ferrosos. Os sais fundidos resultantes, por exemplo, da redução eletrolítica de haletos também são chamados de escória . "
- Pierre Blazy & El-Aid Jdid, Introdução à metalurgia extrativa
Para altos-fornos, “a expressão subproduto é usada há muito tempo sem que ninguém avaliasse ... Porém, para mostrar que a valorização das escórias era um objetivo em si, esta expressão foi substituída na década de 1980 por a expressão co-produzida ” . O debate semântico é idêntico para as escórias produzidas pelos conversores Thomas : essas escórias deveriam ser o mais ricas possível em fósforo para justificar seu uso como fertilizante . Por outro lado, para outras escórias de siderúrgicas , seu aproveitamento raramente é lucrativo: são subprodutos sem interesse econômico.
A escória surge durante a produção de metais na forma líquida. Sua baixa densidade (2,4) faz com que flutue acima do metal fundido. O metal se separa facilmente porque é um composto iônico, imiscível com o metal fundido.
É um subproduto resultante da fabricação do ferro fundido em alto-forno , onde corresponde à ganga estéril do minério de ferro à qual é adicionada a cinza do coque. A quantidade de escória produzida corresponde diretamente à riqueza do minério de ferro utilizado. Para um alto-forno moderno operando com minérios ricos em ferro, uma proporção de 180 a 350 kg de escória é geralmente alcançada para 1 tonelada de ferro fundido produzida. Valores extremos são possíveis 100 kg / t para um alto-forno que consome carvão, 1300 kg / t para minérios pobres e combustível barato. Esta figura foi denier clássico ao XVIII th século ... mas o teor de ferro superior a 5%.
Para a siderúrgica, a escória do ferro fundido permite o controle da composição do ferro fundido (em particular pela remoção do enxofre , elemento indesejável, mas também dos álcalis , que atrapalham o funcionamento do alto-forno) e o controle do desgaste dos refratários.
Porém, do ponto de vista térmico, a escória é um estéril a ser fundido, ainda que sua entalpia, de aproximadamente 1.800 MJ / t de escória corresponda apenas a 3,5% do balanço energético do alto-forno, seu valor, embora não insignificante, é muito menos interessante do que o do ferro fundido. Os pobres minérios de ferro, como a mineta da Lorena , que induzem maior consumo de coque no alto-forno, foram abandonados, pois a quantidade de material a ser aquecido no alto-forno é maior. Com efeito, mesmo para um alto-forno operando com minérios ricos em ferro, o volume de escória é idêntico ao do ferro fundido produzido (devido à diferença de densidade), o preço de venda da escória granulada chega a menos de 5% do custo de produção do ferro fundido.
Composições típicas de escória de ferro-gusa (em% em peso) | |||||||||
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Tipo de escória | FeO , / Fe 2 O 3 | MnO | SiO 2 | Al 2 O 3 | CaO | MgO | P 2 O 5 | TiO 2 | S |
Alto-forno ( ferro fundido hematita ) | 0,16 -0,2 | <1 | 34-36 | 10-12 | 38-41 | 7 - 10 | 1 | 1 - 1,5 | |
Cúpula | 0,5 - 2,5 | 1 - 2 | 25-30 | 5 - 15 | 45 - 55 | 1 - 2 |
A escória de alto forno , com uma composição química muito estável, é frequentemente utilizada na fabricação de cimento (BFS-OPC) ou, mais ocasionalmente, na fabricação de vidro: é então granulada ou peletizada na forma de areia. Essa areia é obtida por resfriamento repentino em contato com a água para fraturá-la e vitrificá-la . A escória também pode ser despejada em uma cova, onde cristaliza e racha após o resfriamento lento: é então destinada a obras públicas ( lastro , asfalto etc.). Se atender a condições severas de qualidade, também pode ser usado na fabricação de lã de vidro , etc.
Escória derretida fluindo em uma planta de pelotização .
Escória de alto forno granulada (ou vitrificada).
Amostra de escória granulada.
Bloco de escória cristalizada utilizado em aterro.
Em uma aciaria , a escória vem tanto de conversores , onde é muito oxidada, da metalurgia de panelas ou de fornos elétricos . Para uma tonelada de aço produzida, são produzidos de 150 a 200 kg de escória de aciaria, independente do setor (alto-forno - conversor ou fundição de sucata).
A escória conversora (ou escória preta) é produzida pela oxidação de elementos indesejáveis (como silício e fósforo ) ou oxidação inevitável devido ao processo (como ferro e manganês ). Esses óxidos são diluídos em materiais destinados a dar à escória um caráter mais ou menos básico, ou viscoso, etc. . Esses materiais são geralmente básicos , como cal magnésio ou espatoflúor .
Composições típicas de escórias metalúrgicas primárias (em% em peso, no final do amadurecimento ) | ||||||||
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Tipo de escória | FeO / Fe 2 O 3 | MnO | SiO 2 | Al 2 O 3 | CaO | MgO | P 2 O 5 | S |
Bessemer Original | 15 | 7 | 75 | 3 | 0 | |||
Processo Thomas Original | 17 | 9 | 15 | 37 | 10 | 12 | 0,5 | |
Thomas melhorou | 10 | 3 | 7 | 2 | 52 | 5 | 20 | 0,3 |
Conversor de tipo OLP | 12 | 4 | 7 | 57 | 20 | |||
Conversor tipo LD | 20 | 7 | 13 | 48 | 2 | |||
Forno elétrico a arco com tratamento OLP | 20 - 30 | 7 | 50 | 1 - 2,5 |
Escória derretida fluindo em uma vala, saindo de um conversor Martin-Siemens em 1941.
O papel da escória metalúrgica secundária (ou escória branca) é tão variável quanto complexo. Reúne as impurezas e os elementos químicos indesejáveis absorvendo as inclusões de óxidos dissolvidos no metal, geralmente resultantes do calmante . Para isso, é imprescindível gerenciar sua composição, de forma a torná-la reativa. Por exemplo, um alto teor de cal e flúor promoverá a captura de inclusões de alumina, que são ácidas. Porém, essa escória deve proteger também os tijolos refratários ... o ajuste da escória da aciaria é, portanto, um compromisso.
Além disso, certos óxidos de escória, como FeO , podem oxidar adições de ligas como ferrotitânio , alumínio , ferroboron, etc. Nesse caso, esses elementos de liga são consumidos antes de chegar ao metal líquido: sua oxidação é, portanto, um desperdício. Demasiada escória, ou oxidação de escória mal controlada é neste caso inaceitável.
Na metalurgia da panela ou na metalurgia secundária, as ferramentas associadas ao tratamento da escória geralmente consistem em um "ancinho" para "escovar" a escória que flutua no aço líquido. As tremonhas permitem a adição de produtos destinados a constituir ou corrigir a escória.
As escórias da siderurgia são geralmente compostas de cal- alumina , para aços carbono destinados a produtos planos, e cal- sílica, para aços carbono destinados a produtos longos. Para os aços inoxidáveis , seu alto teor de cromo os torna inadequados para uso em aterro, mas sua reciclagem interna na aciaria é economicamente vantajosa.
Composições típicas de escórias metalúrgicas secundárias (em% em peso, no final do amadurecimento ) | ||||||||
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Tipo de escória | FeO / Fe 2 O 3 | MnO | SiO 2 | Al 2 O 3 | CaO | MgO | P 2 O 5 | S |
Aço acalmado de alumínio (escória dessulfurizante) | 0 | 0 | 10 | 35 | 45 | 10 | 0,1 |
A crosta que se forma no banho de solda é chamada de escória . Ele protege este banho do oxigênio do ar e o isola termicamente.
Na soldagem com eletrodo revestido, é o revestimento que, por fusão, cria a escória.
Em seguida, distinguimos os eletrodos de acordo com seu revestimento:
Quando fundida, a escória é uma solução de óxidos. Os mais comuns são FeO , Fe 2 O 3, SiO 2, Al 2 O 3, CaO , MgO . Alguns sulfetos também podem estar presentes lá, mas a presença de cal e alumina diminui sua solubilidade.
A geometria molecular de uma escória fundida pode ser diferenciada de acordo com três grupos de óxidos: ácido, básico e neutro. Os óxidos ácidos mais comuns são a sílica e a alumina. Quando esses óxidos são fundidos, eles se polimerizam para formar longos complexos. As escórias ácidas são, portanto, muito viscosas e, é claro, dificilmente assimilam os óxidos ácidos presentes no metal fundido.
Óxidos básicos, como cal ou magnésia, dissolvem-se na escória ácida como compostos iônicos . Eles quebram as cadeias moleculares de óxidos ácidos em unidades menores. A escória torna-se então menos viscosa. A assimilação de outros óxidos ácidos também se torna mais fácil. Até um certo limite, a adição de óxidos básicos em uma escória ácida, ou de óxidos ácidos em uma escória básica, diminui a temperatura de fusão .
Finalmente, óxidos neutros (na verdade, ligeiramente ácidos), como wustita (FeO) ou óxido de cobre (Cu 2 O), reagem pouco com as cadeias de óxido.
Em geral, a condutividade elétrica varia muito com a temperatura e aumenta com a basicidade e o teor de óxidos de cobre e ferro. A tensão superficial depende pouco da temperatura e aumenta com a acidez.
Diversas qualidades de escória estão presentes no mercado. Podemos primeiro classificá-los de acordo com sua origem:
Também podemos classificá-los de acordo com a forma como foram transformados:
A escória granulada e a escória com bolas são geralmente produzidas por pulverização de água pressurizada na escória fundida, diretamente do alto-forno. O produto obtido é uma areia fina e homogênea. Em casos raros, o resfriamento é feito ao ar, mas muitos inconvenientes (liberação de gás, ruído, fibra de vidro, tamanho da instalação) limitam essa prática.
As escórias cristalizadas são obtidas a partir do resfriamento por pulverização com água da escória derretida derramada no solo. A solidificação e o resfriamento da escória levam à sua fissuração. Este processo é o primeiro realizado historicamente: requer apenas uma fossa de armazenamento de escória derretida e rampas de irrigação. Sua produção também consome apenas pequenas quantidades de água. No entanto, a britagem secundária geralmente é necessária para usar esse material. A desvantagem reside no fato de que este material exibe uma certa heterogeneidade.
Atualmente, a tendência das escórias de alto-forno é a granulação, possivelmente cristalização. Como a menor quantidade de escória produzida pela aciaria não torna lucrativa a pelotização ou pelotização , as escórias de conversor , forno elétrico ou panela são cristalizadas.
No entanto, deve-se notar que a escória de aço, por aprisionar certos compostos ou metais pesados, pode ser muito poluente para o solo, água e até mesmo a vida selvagem se ingerida após a propagação (por exemplo, 23 bovinos - em um rebanho de 98 - morreram em 10 dias em Suécia por intoxicação aguda por vanádio resultante da difusão de escória metalúrgica).
Podemos definir três classes principais de uso da escória:
Escórias granuladas ou em esferas podem desenvolver um lento ajuste hidráulico sob o efeito de um ativador (clínquer ou cal). Após a moagem fina ( 3.500 a 4.500 blaines ) com secagem simultânea, encontram seu uso como componente principal ou secundário do cimento.
Este leite denominado "GGBS" ( Escória de Alto Forno Granulada Moída , ou seja, Escória de Alto Forno granulado ) entra na composição de compostos de cimento , clínquer e aditivos (escória, cinza volante, calcário, etc. ).
Use na forma de agregadosA utilização na forma de agregados é menos rentável do que a utilização na forma de ligante hidráulico. No entanto, todos os tipos de escória cristalizada podem ser usados na forma de agregados.
O uso de escória de alto forno cristalizada é reconhecido em duas formas:
Em ambos os casos, observamos o uso desses agregados:
A prática de escórias elétricas é mais recente, mas está substituindo a anterior cada vez mais devido ao desaparecimento gradual dos altos-fornos e o uso cada vez mais desenvolvido de escória de alto-forno granulada moída, seja como componente do alto-forno. Cimento, ou como um adição em concreto como substituto do cimento. Devemos ficar atentos aos vários nomes de escória: sob o nome de escória elétrica, podem-se encontrar escórias de bolsões (nas quais os aços são refinados para dar as nuances desejadas) que contêm um teor significativo de metais pesados. No entanto, as atuais restrições regulatórias que regem sua comercialização garantem sua inocuidade para a saúde e o meio ambiente.
Observe o uso desses agregados:
A escória peletizada também conheceu outras duas formas de aproveitamento em virtude dessas características de densidade mais favorável ao concreto.
A utilização de aciarias com conversor de oxigênio ainda é experimental, exclusivamente em agregados não ligados. De fato, não é incomum encontrar nódulos calcários com possibilidade de hidratação posterior. Daí resulta um inchaço que pode ocorrer após a aplicação desta escória e que provoca a deterioração da via.
Vários métodos são usados para superar o risco de expansão de volume devido à hidratação da cal:
Atualmente , Poucos usos de agregados são autorizados pelos escritórios de controle. Eles ainda são amplamente usados no contexto de locais experimentais. Por outro lado, esta mesma riqueza em cal que retarda a sua utilização como agregados, favorece a sua utilização como produto para tratamento de solos in situ ou como ativador em ligantes hidráulicos (prEN 13282-2). Esta pluralidade de utilizações possíveis, em função do teor de cal, justifica cada vez mais a implementação deste acompanhamento (rastreabilidade) ao nível da produção.
Use como fertilizante e para correção do soloA minette Lorraine , pobre em minério de ferro e contendo muito fósforo , gerou um molde que teve que diminuir o fósforo do conversor Thomas. A escória resultante do conversor, rica em P 2 O 5, é um excelente fertilizante . O ácido fosfórico lá encontrado está essencialmente na forma de fosfato de tetracálcio (4CaO.P 2 O 5): a moagem fina (0/160 µ e um todo passando pela malha de 630 µ ) é suficiente para tornar a escória assimilável pela vegetação. Solos arenosos e ácidos são tratados com escória básica e dopados com fósforo
Embora Sidney Gilchrist Thomas tenha previsto que "por mais risível que seja a ideia, estou convencido de que no final, levando em conta os custos de produção, o aço será o coproduto e o fósforo o principal produto" , a valorização da escória Thomas permaneceu uma atividade marginal. A previsão de Thomas não se concretizou, brevemente, até o final da Segunda Guerra Mundial .
Se as escórias do conversor são às vezes utilizadas como fertilizante, o abandono de minerais ricos em fósforo, como a mineta da Lorena , torna este setor menos atraente. Finalmente, a eficácia dos fertilizantes modernos ofusca os interesses desse produto.
Outros usosO alto teor de sílica das escórias as torna uma matéria-prima para a fabricação de vidro . Este uso é reservado para as escórias granuladas mais puras, ou seja, alto-forno. São necessárias precauções para evitar qualquer poluição (entulho, poeira, etc.) durante o armazenamento ou transporte.
A produção francesa de agregados de escória foi de 2.080.000 toneladas na França em 2005, por 51.847.000 euros, em dez empresas.
A produção de 2009 mostra uma forte evolução de utilizações:
Os volumes usados em agregados representam respectivamente:
Este desenvolvimento de seu uso deve-se principalmente a:
O líquido residual de lixiviação (lixiviado ou percolado) das escórias é muito alcalino, atingindo um pH de 12. Portanto, recomenda-se uma proteção adequada para os trabalhadores expostos, dependendo da natureza do trabalho (óculos de segurança, luvas, viseiras, roupas de proteção. ... )
O risco de irritação e sensibilização de metais foi estudado e um artigo de 2014, relativo à experimentação in vitro e in vivo em animais (cobaia e coelho albino), mostra que o leite de fornos elétricos não é corrosivo nem irritante e não é responsável para sensibilização da pele (aparecimento de alergia). As concentrações de cromo hexavalente (CrVI) são baixas e até seriam mais baixas do que no cimento.
A presença de carbonato de cálcio (CaCO3) pode causar pneumoconiose de sobrecarga benigna com tatuagem pulmonar (calicose) sem função pulmonar prejudicada ou predisposição a câncer ou infecções (tuberculose).
A sílica livre cristalina causa pneumoconiose maligna ( silicose ). A calcinação a alta temperatura da terra diatomácea transforma-a em sílica muito fibrogênica ( tridimita e cristobalita ). No entanto, os silicatos combinados com cátions metálicos são biologicamente menos reativos (com exceção do amianto e do talco). A sílica encontrada nas escórias está na forma de silicatos de cal.
As escórias como tal são consideradas não perigosas, embora a monitorização médica da função pulmonar (raio-x e / ou espirometria) seja recomendada e regularmente reavaliada para quem as manipula. Podem ser realizadas medições biológicas (na urina de trabalhadores expostos) e atmosféricas (no ar ambiente dos locais de trabalho) de produtos nocivos.
Em algumas aplicações e formulações, torna-se perigoso. Por exemplo, às vezes é triturado e usado como aditivo para concreto projetado . Este concreto "com alto teor de escória moída" produz uma camada mais resistente a íons, água salgada e fogo, mecanicamente muito resistente e apresentando reduzida pegada de carbono . Mas sua ativação libera sulfeto de hidrogênio (H2S), altamente tóxico. Em 2019, foi colocado no mercado um ativador em pó, não alcalino, não retardando a pega e eliminando a produção de H2S, mas requer uma máquina de pulverização especial (bomba dosadora associada a uma bomba de concreto).
As escórias são fontes potenciais de liberação de metais pesados, ou às vezes de radionuclídeos.
Às vezes, na presença de enxofre e certas bactérias, pode surgir um fenômeno autossustentável de forte acidificação do substrato e drenagem ácida (ou “drenagem ácida de mina” no contexto de sequelas de mineração). Esse fenômeno pode ser acompanhado por uma alteração da escória, com lixiviação com liberação significativa de metais tóxicos que podem ser dispersos no meio ambiente.
Os metais presentes na escória ou outros contaminantes adsorvidos na mesma escória ( dioxinas , furanos , etc.) podem poluir o ar (emissões de vapor durante a produção, em seguida, rajadas de poeira). Eles também podem poluir a água e o solo (por meio de percolação e dessorção, especialmente se a água for ácida e um tanto morna ou quente). Esses fenômenos são comparáveis aos que ocorrem com os chamados resíduos industriais “estabilizados”.
Paradoxalmente, certos locais muito poluídos por escória metalúrgica foram classificados e protegidos para as espécies raras que abrigam (algumas espécies protegidas , conhecidas como “ metalófitas ” ou “metaloresistentes” ) que é útil conservar porque contribuem - para um em certa medida - à fitoestabilização de poluentes que, na sua presença, são menos suscetíveis de serem mobilizados pela erosão eólica ou hídrica. É o caso, por exemplo, do baldio industrial de Mortagne-du-Nord no norte da França, inclusive na França da escória da Usinor em teste com o Laboratório Central de Ponts-et-Chausées (LCPC).