Baixe Engenharia Metalúrgica: Gipsita e outras Notas de aula em PDF para Engenharia Metalúrgica, somente na Docsity! Centro de Tecnologia Mineral Ministério da Ciência e Tecnologia GIPSITA Capítulo 21 Carlos Adolpho Magalhães Baltar Engenharia Metalúrgica, D.Sc. Flavia de Freitas Bastos Engenheira de Minas Adão Benvindo da Luz Engenharia de Mineral, D.Sc. Rio de Janeiro Novembro/2005 CT2005-122-00 Comunicação Técnica elaborada para Edição do Livro Rochas & Minerais Industriais: Usos e Especificações Pág. 449 a 470 Rochas e Minerais Industriais – CETEM/2005 449 21. Gipsita Carlos Adolpho Magalhães Baltar1 Flavia de Freitas Bastos2 Adão Benvindo da Luz3 1. INTRODUÇÃO O mineral gipsita é um sulfato de cálcio di-hidratado (CaSO4.2H2O), que ocorre em diversas regiões do mundo e que apresenta um amplo e diversificado campo de utilizações. O grande interesse pela gipsita é atribuído a uma característica peculiar que consiste na facilidade de desidratação e rehidratação. A gipsita perde 3/4 da água de cristalização durante o processo de calcinação, convertendo-se a um sulfato hemidratado de cálcio (CaSO4.1/2H2O) que, quando misturado com água, pode ser moldado e trabalhado antes de endurecer e adquirir a consistência mecânica da forma estável rehidratada. A gipsita pode ser utilizada na forma natural ou calcinada. A forma natural é bastante usada na agricultura e na indústria de cimento. Enquanto a forma calcinada, conhecida como gesso, encontra várias utilizações na construção civil, como material ortopédico ou dental etc. O gesso, inicialmente usado em obras de arte e decoração, é um dos mais antigos materiais utilizados pelo homem, conforme atestam algumas importantes descobertas arqueológicas (Peres et al., 2001; Domínguez e Santos, 2001). O gesso foi encontrado em ruínas do IX milênio a.C. na Turquia; em ruínas do VI milênio a.C. em Jericó e na pirâmide de Keops (2.800 anos a.C.), entre outras descobertas. O alabastro (gipsita com hábito fibroso) foi utilizado pelas civilizações antigas para confecção de esculturas e outras obras de artes. A existência de jazimentos de gipsita no Chipre, Fenícia e Síria foi apontada pelo filósofo Teofratos, discípulo de Platão e Aristóteles, em seu “Tratado sobre a Pedra”, escrito entre os Séculos III e IV a.C. Na Europa, o uso do gesso na construção civil popularizou-se a partir do século XVIII, quando também passou a ser utilizado como corretivo de solos. O 1 Eng. de Minas/UFPE, D.Sc. Engenharia Metalúrgica/COPPE-UFRJ, Professor do Depto de Engenharia de Minas/UFPE 2 Eng. de Minas/UFPE, Indústria do Gesso-PE 3 Eng. de Minas/UFPE, Dr. Engenharia Mineral/USP, Pesquisador Titular do CETEM Gipsita 452 Nas jazidas do Araripe, em Pernambuco, ocorrem cinco variedades mineralógicas de gipsita, conhecidas na região com os nomes de: cocadinha (Figura 1), rapadura, Johnson, estrelinha, alabastro e selenita, além da anidrita. A utilização de cada uma dessas variedades depende do produto que se deseja obter (Baltar et al., 2004b). Figura 1: Variedade de gipsita, utilizada para a produção de gesso β, conhecida no Araripe como cocadinha. 2.2. Geologia Os minerais gipsita e anidrita ocorrem em várias regiões do mundo, sendo encontrados em depósitos de origem evaporítica, cuja formação resulta da precipitação de sulfato de cálcio a partir de soluções aquosas concentradas e condições físicas favoráveis. A evaporação e, conseqüente, concentração do sal é favorecida em ambiente quente e seco (Velho, et al. 1998). Os depósitos de gipsita costumam apresentar, além da anidrita, contaminantes como: argilas, quartzo, carbonatos de cálcio e magnésio, cloretos e outros sulfatos (Jorgensen, 1994). Em geral, a produção é obtida a partir de minério com 80 a 95% de pureza. As jazidas costumam apresentar camadas intercaladas de argilas, carbonatos, sílex e minerais evaporíticos tais como, halita e anidrita (Calvo, 2002). Em Pernambuco, as jazidas estão inseridas em domínios da Formação Santana, do Cretáceo Inferior, formada por siltitos, margas, calcários, folhelhos e intercalações de gipsita (Luz et al., 2001). Devido à instabilidade da gipsita e da anidrita, as Rochas e Minerais Industriais – CETEM/2005 453 espécies inicialmente formadas podem sofrer transformações em sua composição e textura quando submetidas a diferentes condições de pressão e temperatura. A gipsita acumulada na superfície terrestre pode desidratar a determinada profundidade e transformar-se em anidrita. Por sua vez, a ocorrência de fenômenos geológicos, como movimento tectônico ou erosão, pode levar o depósito de anidrita a situar-se mais próximo à superfície, onde pode experimentar uma re-hidratação em contato com águas meteóricas e voltar à forma de gipsita, denominada secundária, com formas cristalinas distintas da anidrita e da gipsita original (Calvo, 2002). A gipsita também pode ser encontrada em regiões vulcânicas, especialmente, onde o calcário sofreu ação dos vapores de enxofre. Nesse tipo de ocorrência, a gipsita aparece como mineral de ganga, nos veios metálicos, podendo estar associado a diversos minerais, sendo os mais comuns a halita, anidrita, dolomita, calcita, enxofre, pirita e o quartzo. 3. LAVRA E PROCESSAMENTO 3.1. Lavra A gipsita é obtida a partir de lavra subterrânea ou a céu aberto, utilizando métodos e equipamentos convencionais. Um detalhe importante que deve ser considerado é que a gipsita absorve parte da força do explosivo dificultando o desmonte. Devido a isso, na perfuração, os furos costumam ser programados com diâmetros entre 50 -100 mm e com pequeno espaçamento a fim de possibilitar uma distribuição mais densa dos explosivos. É comum o uso de explosivos à base de nitrato de amônia e óleo combustível na proporção de 1 kg/t de material desmontado (Jorgensen, 1994). No caso das empresas que utilizam a lavra subterrânea, o método empregado é o de câmaras e pilares. Este método é empregado em diversos países, sendo freqüente nos EUA, onde 20% das reservas de gipsita são lavradas por este método. No Brasil, o método de lavra empregado é a céu aberto, através de bancadas simples (Figura 2). Esse tipo de extração é recomendado para minerar corpos com dimensões horizontais que permitam altas taxas de produção e baixos custos unitários de produção. O acesso à cava geralmente é feito através de uma rampa única. Na lavra da gipsita são empregados equipamentos como: rompedores hidráulicos, marteletes hidráulicos, vagon drill, tratores de esteira e pás mecânicas (Peres et al., 2001). Gipsita 454 Figura 2: Frente de lavra de gipsita da Mineração Campo Belo em Araripina-PE. Na Mineradora São Jorge, em Ouricuri-PE, as bancadas são desenvolvidas com cerca de 20 m de altura e talude de inclinação de 15o. O trabalho é mecanizado e a recuperação na lavra é de 90%. A relação estéril/minério é de 1:2. A espessura média do capeamento é de 13 m (Luz et al.., 2001). O desmonte é feito por explosivo. O carregamento de explosivos segue um “plano de fogo” que determina um afastamento de 2,2 m e um espaçamento de 5 m. As cargas de coluna e de fundo, por furo, são de 78 kg e de 5 kg, respectivamente. 3.2. Processmento O beneficiamento da gipsita, em geral, resume-se a uma seleção manual, seguida de britagem, moagem e peneiramento. É comum o uso de britadores de mandíbula e moinhos de martelo. Em alguns casos, a britagem é realizada em dois estágios, em circuito fechado com peneiras vibratórias a seco. O produto resultante das operações de cominuição deve apresentar uma distribuição granulométrica uniforme, a fim de evitar uma desidratação desigual para as partículas de gipsita. Rochas e Minerais Industriais – CETEM/2005 457 Figura 3: Forno do tipo rotativo horizontal de queima indireta utilizado no pólo gesseiro do Araripe. Na empresa INGESEL, o minério passa, ainda na mina, por um processo de catação manual onde a espécie conhecida como “boro” (gipsita misturada com argila) é separada das espécies conhecidas como cocadinha, rapadura e estrelinha (denominadas em conjunto como minério A). O “boro” é britado, e rebritado, antes de ser utilizado como “gesso” agrícola. O minério tipo A passa por um britador de mandíbula, por um moinho de martelos e, em seguida, é calcinado em forno rotativo, de queima indireta, para produção de gesso β. Por sua vez, o gesso α é obtido quando a calcinação é realizada em equipamentos fechados a uma pressão maior que a atmosférica (autoclave). Nessas condições, a modificação da estrutura cristalina do gesso resulta em um produto mais homogêneo e menos poroso (Phillips, 1986). Como conseqüência, após a mistura com água, obtém-se um produto mais duro, com maior resistência mecânica e menor consistência. A menor consistência possibilita a trabalhabilidade da mistura com uma menor relação água/gesso. O gesso α é caracterizado por apresentar cristais compactos, regulares e resistentes. O hemidrato α, sendo um produto de melhor qualidade, tem maior valor comercial e é utilizado em aplicações mais nobres do que o hemidrato β. O processo de calcinação em autoclave pode ser a seco (Mineradora São Jorge) ou a úmido (Supergesso). Gipsita 458 Na Mineradora São Jorge, o minério é colocado em um pátio (Figura 4) onde passa por um processo de catação manual, com base no número de faces contaminadas. O material com mais de uma face contaminada (cerca de 1/3 da massa do minério) é utilizado na fabricação de cimento. Enquanto o material selecionado, com maior grau de pureza, é reduzido manualmente com o auxílio de marreta, a uma granulometria entre 7,5 e 20 cm. Depois passa por uma lavagem e segue para a etapa de calcinação a seco, em autoclave com 11 m3 e capacidade para 5 toneladas de minério (Luz et al., 2001). Após a calcinação, o minério é moído e ativado pela adição de produtos químicos em misturador. Figura 4: Pátio de catação manual da gipsita da Mineradora São Jorge em Ouriciri-PE. Por sua vez, na Supergesso adota-se o processo de calcinação a úmido. A gipsita é britada e moída antes da calcinação. Uma polpa com 45% de gipsita e 55% de água é formada e aquecida em tanque de preparação a 75 oC, por um sistema de serpentinas de óleo. Em seguida, a polpa aquecida alimenta a autoclave, com temperatura que varia de 108 a 120 oC, onde é feita a adição de produtos químicos. Rochas e Minerais Industriais – CETEM/2005 459 Nos processos a seco, em ambos os casos (produção de gesso α ou gesso β), depois da calcinação, o gesso é transferido para um silo de repouso, onde ocorre o resfriamento. A seguir, se houver necessidade, o produto é moído e misturado a aditivos, antes do ensacamento. Os aditivos utilizados são perlita, vermiculita, areia ou calcário e/ou produtos químicos, que são usados em pequenas proporções para modificar propriedades específicas do produto. Os aditivos podem ter diferentes funções (Domínguez e Santos, 2001; Peres et al., 2001): 1) modificador de tempo de pega (acelerador ou retardador): usados para adequar o tempo de pega (também conhecido como tempo de presa). Esses aditivos também costumam ter influência sobre outras propriedades do gesso, como a expansão de presa, ou seja, a expansão da massa durante a hidratação do hemidrato (Phillips, 1986). Como exemplos de aditivos comumente usados com essa finalidade, podem ser citados o sulfato de potássio (acelerador) e o bórax (retardador); 2) espessantes: usados para aumentar a consistência da pasta de gesso. O amido pode ser utilizado com essa finalidade; 3) retentores de água: usados com o objetivo de garantir uma recristalização homogênea e eficiente da pasta de gesso. Reagentes derivados de ésteres de celulose costumam ser utilizados com essa finalidade; 4) fluidificantes: usados para possibilitar a redução da quantidade de água durante o empastamento. A redução da relação água/gesso contribui para o aumento da resistência mecânica da peça obtida após o endurecimento da pasta. O carbonato de cálcio, adicionado em pequena quantidade, pode exercer essa função; 5) impermeabilizantes: são produtos que provocam a obstrução dos poros da massa de gesso proporcionando um certo grau de impermeabilidade à água; 6) umectantes: usados para evitar o surgimento de grumos indesejáveis, durante a preparação da pasta de gesso; 7) aerantes: usados em situações onde se deseja incorporar ar nas pastas de gesso; Gipsita 462 (3) Carga Mineral: O gesso tem sido utilizado como carga de alta qualidade ou diluente na fabricação de papel, plásticos, adesivos, tintas, madeira, têxteis e alimentos entre outros materiais. Algumas das características do gesso são importantes para esse uso como: inércia química; pouca abrasividade; baixo preço; baixo peso específico; alto índice de refração; absorção de óleo adequada; elevado grau de brancura; poder opacificante; baixa demanda de ligantes e compatibilidade com pigmentos e outras cargas minerais (Rivero, 1997). Em geral, o gesso carga é produzido a partir do hemidrato do tipo β. No caso do uso na indústria do papel, o gesso confere ao papel uma estrutura aberta e porosa, o que resulta em elevada absorção de tinta e rápida secagem. O uso da gipsita como carga mineral, em outros países, representa um importante mercado consumidor para o produto beneficiado (Jorgensen, 1994; Kebel, 1994); (4) Indústria Farmacêutica: O gesso possui características favoráveis ao uso farmacêutico, como facilidade de compressão e desagregação. Por isso, é utilizado como diluente em pastilhas prensadas e cápsulas ou na preparação de moldes (Velho et al., 1998). O gesso para uso farmacêutico tem elevado valor comercial, devendo atender às normas e especificações exigidas para produtos de alimentação e remédios (Fernández, 1997); (5) Decoração: Utilizado para confecção de elementos decorativos como estatuetas e imagens, sendo obtido a partir do gesso beta de fundição; (6) Escolar (giz): Utilizado em salas de aula e produzido a partir do gesso β de fundição, com o uso de aditivos; (7) Ortopédico: Obtido a partir do gesso α, após a adição de produtos químicos; (8) Dental: Usados para confecção de moldes e modelos. Pode ser dos tipos III e IV. Ambos obtidos a partir do gesso α, após a adição de produtos químicos. O gesso dental do tipo IV constitui-se no produto mais nobre do gesso, apresentando elevada resistência mecânica, excelente trabalhabilidade, baixa consistência e menor expansão; (9) Bandagens de alta resistência: Produto obtido a partir do gesso alfa; (10) Outros Usos: Indústria automobilística, fabricação de fósforos, fabricação de cerveja, indústria eletrônica etc. Rochas e Minerais Industriais – CETEM/2005 463 A obtenção de cada uma dessas variedades de produto requer condições específicas com relação ao tipo de gipsita, tipo de forno, condições de calcinação e tratamento posterior. No pólo gesseiro da região do Araripe, o gesso de fundição (tipo A) e de revestimento (tipo B) são produzidos sem a adição de produtos químicos. A partir do gesso β dos tipos A e B, considerados gessos básicos, são produzidos outros tipos de gessos para aplicações específicas: gesso cola; gesso projetado; gesso com pega retardada; gesso cerâmico; argamassa auto nivelante; giz. Além dos gessos cerâmico, ortopédico e dental, obtidos a partir do gesso α (Baltar et al., 2004a). Em cada caso, o processo envolve o uso de aditivos (agregados, produtos químicos, corantes etc.). No Brasil, 34% da gipsita produzida, em 2003 (Lyra Sobrinho et al., 2004), foram consumidas in natura pela indústria cimenteira, enquanto 61% foram utilizadas nas calcinadoras para a produção de gesso e 5% para gesso agrícola. A Tabela 4 mostra as aplicações do total do gesso produzido em 2001 (Luz et al., 2001). Tabela 4: Principais usos comerciais do gesso no Brasil. Usos Consumo (%) Pré-moldado 61 Revestimento 35 Moldes cerâmicos 3 Outros usos 1 Fonte: Sindusgesso (2001) 5. ESPECIFICAÇÕES 5.1. Gesso para construção civil A utilização do gesso na construção civil é regulada pela norma NBR – 13207: Gesso para Construção Civil, de outubro de 2004. Para a aplicação dessa norma é necessário consultar: - NBR 12127 – Gesso para construção – Determinação das propriedades físicas do pó – Método de ensaio. Gipsita 464 - NBR 12128 – Gesso para construção - Determinação das propriedades físicas da pasta – Método de Ensaio. - NBR 12129 – Gesso para construção - Determinação das propriedades físicas da pasta – Método de Ensaio. - NBR 12130 – Gesso para construção - Determinação de água livre e de cristalização e teores de óxido de cálcio e anidro sulfúrico – Método de ensaio. A norma define gesso para construção como: “Material moído em forma de pó, obtido da calcinação da gipsita, constituído predominantemente de sulfato de cálcio, podendo conter aditivos controladores de tempo de pega”. A Tabela 5 apresenta as exigências da NBR – 13207, com relação às propriedades químicas do gesso para uso em construção. As Tabelas 6 e 7 apresentam as especificações relacionadas às propriedades físicas e mecânicas. Tabela 5: Especificações químicas para uso de gesso na construção de acordo com a NBR-13207. Determinações Limites (%) Água livre 1,3 (máx.) Água de cristalização 4,2 – 6,2 Óxido de cálcio (CaO) 39,0 (mín) Anidrido sulfúrico (SO3) 53,0 (mín) Tabela 6: Exigências com relação às propriedades físicas e mecânicas do gesso para uso em construção. Determinações físicas e mecânicas Norma Llimite Resistência à compressão (MPa) NBR-12129 > 8,40 Dureza (MN/m2) NBR-12129 > 30 Massa Unitária (kg/m2) NBR-12127 > 700 Rochas e Minerais Industriais – CETEM/2005 467 Tabela 12: Especificações exigidas para o gesso dental (Rivero, 1997). Propriedade Limite Pureza 100% Expansão de presa < 0,3% Resistência à compressão > 20,5 MN/m2 Tempo de pega 2 – 20 minutos (*) Granulometria > 600 µm, 0,25% (máx.) (*) depende da utilização O gesso dental deve ainda resistir ao teste da água fervente, por 1 hora, sem deixar gretas ou fissuras e não pode causar reações tóxicas sobre os usuários. Tabela 13: Especificações exigidas para o gesso utilizado para fins farmacêuticos (Rivero, 1997). Propriedade Exigência Pureza 99% (mín.) Cor (alvura ISO) 89% (mín.) Granulometria (µm) > 150: 2,5% (máx.) 150 a 75: 10-25% < 75: 72,5-90% Composição química As: < 3 ppm Se: < 30 ppm F: < 30 ppm Fe: < 100 ppm Pb: < 10 ppm metais pesados: < 10 ppm Gipsita 468 Tabela 14: Especificações exigidas para o gesso utilizado como carga mineral em diversas aplicações industriais (Rivero, 1997). Propriedade Exigência Pureza 98,7% (mín.) Alvura (ISO) > 91% Índice de refração 1,54 Peso específico (g/cm3) 2,6 Abrasividade (mg) 10 a 14 Fe2O3 (%) 0,06 (máx.) SiO2 (%) 0,14 (máx.) Granulometria (µm) > 53 (1% max.) 6. MINERAIS E MATERIAIS ALTERNATIVOS O consumo de gipsita para fabricação de cimento é restrito à região nordeste, exceto no caso da produção de cimentos especiais. Isso se deve ao elevado custo do frete motivado pela grande distância que separa o pólo gesseiro do Araripe das fábricas de cimento de outras regiões do país. Nas fábricas de cimento das regiões sul e sudeste, a gipsita natural é substituída pelo fosfogesso, um subproduto obtido nos processos de produção de ácido fosfórico, nas indústrias de fertilizantes fosfatados. Algumas empresas da região sudeste utilizam o sulfato de sódio proveniente das salmouras obtidas em salinas (Lyra Sobrinho et al., 2004). No uso agrícola, a gipsita (CaSO4. 2H2O) pode ser substituída pelo calcário (Ca.CO3), nas camadas superficiais (até 20 cm) do solo. Nas camadas mais profundas (20 a 40 cm) é necessário o uso da gipsita, devido à sua maior solubilidade se comparada ao calcário. Por sua vez, o uso da gipsita/gesso como carga mineral em papel, plásticos, adesivos, tintas e outras aplicações industriais têm a concorrência do caulim e do carbonato de cálcio, entre outros. Rochas e Minerais Industriais – CETEM/2005 469 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BALTAR, C.A.M.; BASTOS, F. de F e LUZ, A. B.(2004). Diagnóstico do pólo gesseiro de Pernambuco (Brasil) com ênfase na produção de gipsita para fabricação de cimento. In.: IV Jornadas IBEROAMERICANAS DE MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN, Anais. Tegucigalpa, Honduras. BALTAR, C.A.M.; BASTOS, F.F. e BORGES, L.E.P.(2004). Variedades mineralógicas e processos utilizados na produção dos diferentes tipos de gesso. In.: Encontro Nacional de Tratamento de Minérios e Metalurgia Extrativa, Anais. Florianópolis. BASTOS, F. F. e BALTAR, C.A.M.(2003). Avaliação dos processos de calcinação para produção de gesso Beta. In XLIII Congresso Brasileiro de Química, Anais. Ouro Preto-MG, p. 329. CALVO, J.P.(2003). Yeso.. Curso Internacional de Técnico Especialista em Rocas y Minerales Industriales. Ilustre Colégio Oficial de Geólogos, Madrid, 16p.. DANA – HURLBUT (1976). Manual de Mineralogia. Editora da Universidade de São Paulo. 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