Laboratório de Plasma Industrial (LPI)

Processos Industriais Via Plasma Térmico

www.ifi.unicamp.br/~aruy

Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP

Instituto de Física Gleb Wataghin – IFGW

Coordenador: Prof. Dr. Aruy Marotta

• Área Área EspacialEspacial Simula reentrada, teste de proteção contra ablação (heat shield)Simula reentrada, teste de proteção contra ablação (heat shield)• Metal-MecânicaMetal-Mecânica Deposição, corte, solda, fusão, refinoDeposição, corte, solda, fusão, refino• Cerâmica, QuímicaCerâmica, Química Síntese de pós cerâmicos (carbetos, nitretos, óxidos)Síntese de pós cerâmicos (carbetos, nitretos, óxidos)• MetalurgiaMetalurgia Redução de ferros-liga, minério de niquel, minério de ferroRedução de ferros-liga, minério de niquel, minério de ferro• Meio AmbienteMeio Ambiente Resíduo municipal, industrial, hospitalar, nuclearResíduo municipal, industrial, hospitalar, nuclear• Petroquímica, QuímicaPetroquímica, Química Gaseificação, obtenção de gás de sínteseGaseificação, obtenção de gás de síntese• EnergiaEnergia Eletricidade, combustíveisEletricidade, combustíveis

Por ordem cronológica de desenvolvimento mundial:Por ordem cronológica de desenvolvimento mundial:

Plasma Térmico: Aplicações

• Tiristores de potência de baixo custo :Tiristores de potência de baixo custo : fez aumentar o uso de fornos fez aumentar o uso de fornos DCDC

• Permite alimentação de Finos:Permite alimentação de Finos: sem necessidade de peletização como sem necessidade de peletização como no ACno AC

• Altas temperaturas podem ser alcançadas:Altas temperaturas podem ser alcançadas: devido ao arco elétrico devido ao arco elétrico

• Gás pode Gás pode ser ajustado de acordo com a carga:ser ajustado de acordo com a carga: neutro, oxidante ou neutro, oxidante ou redutorredutor

• Independência da resistividade da taxa de alimentação da carga: Independência da resistividade da taxa de alimentação da carga: permite alto fluxo de potência: taxa de alimentação da carga e potência permite alto fluxo de potência: taxa de alimentação da carga e potência independentesindependentes

• Maior produtividade (altas taxas de reação):Maior produtividade (altas taxas de reação): devido aos finos devido aos finos

• Controle independente de voltagem e corrente:Controle independente de voltagem e corrente: alta voltagem no alta voltagem no arco e baixa corrente favorece a redução do consumo de eletrodo.arco e baixa corrente favorece a redução do consumo de eletrodo.

• Permite uso de insumo de baixa qualidade:Permite uso de insumo de baixa qualidade: carvão vs antracita. carvão vs antracita.

• Resposta rápida, Resposta rápida, reatores menores, baixo consumo de reatores menores, baixo consumo de eletrodos, maior pureza da fusão, baixo nivel de ruído elétrico e eletrodos, maior pureza da fusão, baixo nivel de ruído elétrico e acústico. acústico.

Plasma Térmico na Metalurgia

Vantagens do Plasma Térmico na Metalurgia:Vantagens do Plasma Térmico na Metalurgia:

Plasma Térmico no

Lingotamento Contínuo de

Aços

Melhorar qualidade do Melhorar qualidade do aço:aço: menor número menor número de inclusões, menor de inclusões, menor segregação.segregação.

Plasma:Plasma: manter manter temperatura estável temperatura estável do distribuidor.do distribuidor.

Outros efeitos:Outros efeitos: lingotamento aços lingotamento aços rápidos, menor rápidos, menor consumo refratários, consumo refratários, eletrodoseletrodos

Projeto: PITE/FAPESPProjeto: PITE/FAPESP

Plasma Térmico no Lingotamento Contínuo de Aços

Inédito no País: Inédito no País: Sistema a Plasma Térmico operou com sucesso em condições Sistema a Plasma Térmico operou com sucesso em condições industriais em 3 ton de aço líquido numa indústria metalúrgica de grande porte industriais em 3 ton de aço líquido numa indústria metalúrgica de grande porte

Equipe da UNICAMPEquipe da UNICAMP projetou e desenvolveu todos os sistemas necessários projetou e desenvolveu todos os sistemas necessários Fonte de potência (500kVA):Fonte de potência (500kVA): especificada pelo LPI/UNICAMP especificada pelo LPI/UNICAMP

Resultados:

Vide repercução na Mídia em: Vide repercução na Mídia em: www.ifi.unicamp.br/~aruy

• Projeto PIPE 2 (03/2008): Projeto PIPE 2 (03/2008): R$ 400.000,00R$ 400.000,00• Aço rápido M2: Aço rápido M2: 0,90% C, 6% W, 5% Mo, 2% V, 4% Cr. 0,90% C, 6% W, 5% Mo, 2% V, 4% Cr. • Alto valor agregado (V, W, Mo, Cr); Difícil separação do aço do Alto valor agregado (V, W, Mo, Cr); Difícil separação do aço do

abrasivo; Destino: CST (ferro gusa em alto-forno), baixo efeito abrasivo; Destino: CST (ferro gusa em alto-forno), baixo efeito econômico; econômico;

• Interesse econômico:Interesse econômico: reaproveitar aço, abrasivo, óleo. reaproveitar aço, abrasivo, óleo.• Rejeito fabricação de brocas (Lama): Rejeito fabricação de brocas (Lama): aço 50% (1.500 t); abrasivo 30% aço 50% (1.500 t); abrasivo 30%

(900 t); óleo 20% (600 t)(900 t); óleo 20% (600 t)• Mercado Lama (3.000 t/ano): Mercado Lama (3.000 t/ano): Villares Metals (VM), VM, Dormer,Twill. Villares Metals (VM), VM, Dormer,Twill. • Resultados no LPI: Resultados no LPI: Forno a plasma (arco-transferido): 1.500 A, atm Forno a plasma (arco-transferido): 1.500 A, atm

inerte Argônio; 4min; Cadinho de grafite (1,7 l pelets).inerte Argônio; 4min; Cadinho de grafite (1,7 l pelets).• Objetivo:Objetivo: “Reator piloto a plasma térmico para reciclagem de aço “Reator piloto a plasma térmico para reciclagem de aço

rápido da lama de retífica com capacidade de 150 kg/h de aço”.rápido da lama de retífica com capacidade de 150 kg/h de aço”.

Reciclagem do Aço Rápido da Lama de Retífica

Reciclagem do Aço Rápido da Lama de Retífica

Reciclagem de Finos Metálicos

Objetivo: Objetivo: refusão de finos metálicos de metais friáveis; refusão de finos metálicos de metais friáveis; reaproveitamento de material de alto valor agregado; eliminação de reaproveitamento de material de alto valor agregado; eliminação de passivo ambiental.passivo ambiental.

ProduçãoProdução de Si:de Si: redução (quartzo + carvão) SiO2 + C = Si + CO2 redução (quartzo + carvão) SiO2 + C = Si + CO2britagem produz pós micrométricos (finos); o fino é rejeito; não pode ser britagem produz pós micrométricos (finos); o fino é rejeito; não pode ser reaproveitado em fornos convencionaisreaproveitado em fornos convencionais

Refusão de finos de Si no LPI: Refusão de finos de Si no LPI: forno a plasma em atmosfera forno a plasma em atmosfera inerte; inerte;

tocha de plasma de arco-transferido: 1.500 A, argônio, levou 2 tocha de plasma de arco-transferido: 1.500 A, argônio, levou 2 min;min;

Cadinho de grafite com 0,5 kg de finos de Si.Cadinho de grafite com 0,5 kg de finos de Si.

• Rejeito (Rejeito (30.000.00030.000.000 ton): ton): 0,6% Ni, 0,1% Co, 2,5% Cr, 37% Fe, 0,1% 0,6% Ni, 0,1% Co, 2,5% Cr, 37% Fe, 0,1% Cu Cu

• Interesse econômico:Interesse econômico: recuperação dos metais; eliminar impacto recuperação dos metais; eliminar impacto ambientalambiental

Demanda de Pesquisa em Metalurgia: Niquel

• Laterita: óxido de NíquelLaterita: óxido de Níquel

• Alta umidade (40%):Alta umidade (40%): pretratamento (secagem/pre-redução) em pretratamento (secagem/pre-redução) em forno rotatório a combustível (tipo cimento); secagem (água livre) e forno rotatório a combustível (tipo cimento); secagem (água livre) e calcinação (água ligada).calcinação (água ligada).

• Finos (<1mm):Finos (<1mm): formados com pretratamento; minério friável. formados com pretratamento; minério friável.

• FEA convencional de 3 eletrodos AC: FEA convencional de 3 eletrodos AC: não pode usar finos e há não pode usar finos e há limite em fluxantes SiO2/MgO (ratio <2) or Fe < 20%limite em fluxantes SiO2/MgO (ratio <2) or Fe < 20%

• Plasma DC:Plasma DC: é alimentado com óxido Ni e C redutor: produz Fe-Ni; é alimentado com óxido Ni e C redutor: produz Fe-Ni; permite finos (melhorando recuperação total do Ni); permite permite finos (melhorando recuperação total do Ni); permite tratamento com SiO2/MgO = (1,2-3,0) e Fe > 30%. tratamento com SiO2/MgO = (1,2-3,0) e Fe > 30%.

Projeto 1: Recuperação de Ni-Co de Rejeito Hidro-Metalúrgico Projeto 1: Recuperação de Ni-Co de Rejeito Hidro-Metalúrgico (lama negra)(lama negra)

Projeto 2: Processo de Extração de Níquel do Minério LateritaProjeto 2: Processo de Extração de Níquel do Minério Laterita

Objetivo: Boro B e Fósforo P < 1 ppm: Objetivo: Boro B e Fósforo P < 1 ppm: Brasil possui maior reserva Brasil possui maior reserva mundial (90%) de quartzo puro. Hoje o Si-SoG é obtido dos rejeitos da mundial (90%) de quartzo puro. Hoje o Si-SoG é obtido dos rejeitos da indústria eletrônicaindústria eletrônica (Si-EG). O estoque dos rejeitos do Si-EG não cobrem (Si-EG). O estoque dos rejeitos do Si-EG não cobrem demanda. O Si-MG tem pureza de 98-99% (preço 1,5 US$/kg). O Si-SoG demanda. O Si-MG tem pureza de 98-99% (preço 1,5 US$/kg). O Si-SoG pode ser obtido por técnicas químicas (pureza ppb) e metalúrgicas pode ser obtido por técnicas químicas (pureza ppb) e metalúrgicas (pureza ppm) a partir do Si-MG. O Si-EG obtem-se por técnica química (pureza ppm) a partir do Si-MG. O Si-EG obtem-se por técnica química (Si-MG é convertido em gás/líquido triclorosilano). (Si-MG é convertido em gás/líquido triclorosilano).

Plasma para Si-SoG a partir de Si-MG (99,99%):Plasma para Si-SoG a partir de Si-MG (99,99%): Atmosfera de Atmosfera de argônio com baixa pressão parcial de O2 e H2 é efetiva na remoção do B argônio com baixa pressão parcial de O2 e H2 é efetiva na remoção do B e C. Impureza necessária: C < 4: O <5; B < 0,3; P < 0,1; (Fe, Al, Ca, Ti) < e C. Impureza necessária: C < 4: O <5; B < 0,3; P < 0,1; (Fe, Al, Ca, Ti) < 0,1 ppm.0,1 ppm.

Plasma para Si-SoG a partir de SiO2:Plasma para Si-SoG a partir de SiO2: Uso de C puro (negro de fumo Uso de C puro (negro de fumo carbon black)carbon black)

Demanda de Pesquisa em Metalurgia: Silício Solar

Metalurgia: Forno Elétrico a Plasma DC

200 kVA DC Plasma Furnace in Moscow

Plasma Térmico nas Indústrias Química, Alimentos,

Petróleo, Metalurgia, Meio Ambiente

Reaproveitamento de Metais de Catalisadores Vencidos