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ALUMÍNIO

O alumínio é um metal muito leve, maleável, dúctil e resistente. Possui um aspecto cinza prateado e fosco, devido à fina camada de óxidos que se forma rapidamente quando exposto ao ar, a qual lhe confere resistência à corrosão.

Ligas com: Fe, Cu, Si, Mn, Mg e outros.

Potencialmente é o metal mais abundante da crosta terrestre (8,05%) mas, na maioria dos compostos que contem alumínio ainda não é rentável a extração.

As fontes de alumínio são: Bauxita (minério heterogêneo), nefelina, alunita e anortosito

ALUMÍNIOALUMÍNIO

- Baixo peso aliado a elevada resistência mecânica (em liga);

- Elevada resistência à corrosão atmosférica e química;

- Boa condução térmica e elétricas não sendo magnético;

- Capacidade de refletir a luz e ondas de calor;

-Fácil fabricação e soldadura;

- Proteção não-tóxica face a umidade e vapor, apesar de se oxidar facilmente;

- Baixa resistência à ruptura o que permite um fácil manuseamento;

- Reciclável;

- Amplo leque de acabamentos possíveis.

Características

Elemento químico metálico de símbolo Al, com número atômico 13, massa atômica relativa 26.98184 e temperatura de fusão de 658ºC. Sendo o terceiro elemento e o primeiro metal mais abundante na crosta terrestre e constituindo cerca de 8.1% da sua massa, as principais características são:

ALUMÍNIOALUMÍNIO

Minério bauxita (bruto ou sinterizada)

Intermediário alumina

Metal: metal primário

metal reciclado

sucatas

produtos semi-acabados e outros

Principais transformados:

chapas e laminas ; extrusão ; fundição ; folhas ; fios/cabos ; destrutivos ; outros.

Comercialização:

ALUMÍNIOALUMÍNIO

Utilização final do alumínio:

Vasilhames e embalagem

Telhados

Revestimento de paredes

Isolamentos

Utensílios de cozinha

Equipamentos de frio

Mobiliário

Acessórios e aplicações elétricas

Motores de viaturas

Carroçarias / transportes

Indústria militar / explosivos

Navios

Indústria alimentar

Indústria farmacêutica

Equipamento desportivo

Tubagens

Cabos de alta tensão

Água potável

Construção

Reciclagem

ALUMÍNIOALUMÍNIO

ALUMÍNIOALUMÍNIO

MINÉRIO DE BAUXITA (Principal fonte para produção de alumínio): Material heterogêneo, composto de hidróxidos de alumínio hidratados ([AlOx(OH)3-2x], 0< x <1) e com misturas de outras espécies minerais consideradas impurezas como são a sílica, compostos de ferro, titanita, manganês, vanádio, alumino-silicatos, carbonatos e gálio.

O descobrimento da bauxita ocorreu em 1821 e é creditado a Pierre Berthier (1782-1861), que foi professor da Escola de Minas de Paris. Mas Berthier acredito que foi uma ocorrência in-usual de alumina hidratada. Em 1858 Sainte-Claire Deville, utiliza o minério como fonte de alumínio, dando logo a denominação de bauxita (1861) pela província de Les Baux no sul da França.

ALUMÍNIOALUMÍNIO

Produção (Mt)Produção (Mt)AustráliaAustrália 64,064,0ChinaChina 34,034,0BrasilBrasil 25,0 (13%)25,0 (13%)GuinéGuiné 15,015,0ÍndiaÍndia 14,014,0........................................................MundialMundial 194,4194,4

ALUMÍNIOALUMÍNIO

Tri óxidos:Gibbisita γ-Al(OH)3

BayeritaNordstrandita

Óxido hidróxido:Boehmita γ-AlO(OH)Diaspório α -AlO(OH)

Bauxita tipo para alumínio:Água de constituição 12 a 30%Al2O3 40 a 70%Fe2O3 5 a 25% SiO2 1 a 8% ( 25%)TiO2 2 a 4%V2O3

ALUMÍNIOALUMÍNIO

A concentração desses minerais varia em função da gênese dos depósitos.

Europa: > bohemitaChina: > diásporoBrasil (clima tropical): > gibbsita

ALUMÍNIOALUMÍNIO

Minério Oxidado (Bauxita)

Moagem

Clarificação

Precipitação

Calcinação

Digestão

As principais fases de produção da alumina (matéria prima para produção do alumínio de grão metalúrgico) são: Lavra, beneficiamento e Refinamento.

A fase de obtenção do alumínio metálico lhe corresponde à eletrólise (ou redução).

ALUMÍNIOALUMÍNIO

Outros tratamentos são:

extrusão, anodização e lacagem

ALUMÍNIO – Mineração ALUMÍNIO – Mineração

95%95% 5%5% CalcinadaCalcinadaInd. QuímicaInd. QuímicaEtc.Etc.

Processo métodoProcesso método BayerBayer

(metalúrgico)(metalúrgico)

Lavra de bauxitaLavra de bauxita90% Metal90% Metal

10% Outros10% Outros

Grau metalúrgico: Alumínio metálico

Grau não - metalúrgico: Industria química, cimento, abrasivos e refrataria

ALUMÍNIOALUMÍNIO

Bauxita

Não metalúrgica (necessário)

Separação magnética

Polpas 25%Classificação úmida

Filtragem: sólidos de 25% 60%Vaporização: umidade até 5%

(Extrusão)calcinação

Metalúrgica

(Al2O3 / SiO2) > 10 (Al2O3 / SiO2) < 10

Processo Bayer (comumente)

Processo Eletrolítico

Impurezas:

Caulinita, pirofilita,

óxidos de titânio e

ferro e ilita

Processos físico ou físico-

químico

Alumínio

moagem

FONTE DE ALUMÍNIO PARA PROCESSO

Bauxita Metalúrgica Para alumínio metálico

Bauxita não Metalúrgica (alta pureza)

Para refratários, abrasivos, produtos químicos, cimentos de alta alumina e fabricação de aço.

Bauxita Calcinada Produto intermediário

Metal Reciclado Sucatas

ALUMÍNIOALUMÍNIO

Grau metalúrgico:Grau metalúrgico:

MINA (Bauxita) MINA (Bauxita) REFINARIA (alumina) REFINARIA (alumina) FUNDIÇÃO (Alumínio primário) FUNDIÇÃO (Alumínio primário)

Refratário:Refratário:

MINA (Bauxita) MINA (Bauxita) BENEFICIAMENTO BENEFICIAMENTO CALCINAÇÃO CALCINAÇÃO

ALUMÍNIO - BAUXITA REFRATÁRIA ALUMÍNIO - BAUXITA REFRATÁRIA

TiO2 - Fe2O3 ; SiO2 Baixos pontos de fusão, < 1300°C Refratário se deforma.SiO2 7 até 11% Formação de Mulita (3Al2O3.2SiO2) aumenta a resistência ao choque térmico.Álcalis Expansão do refratário

ALUMÍNIO – BAUXITA REFRATÁRIAALUMÍNIO – BAUXITA REFRATÁRIA

Moagem do Minério (barras), Moagem do Minério (barras), via úmidavia úmida

Bauxita: 40 – 60% Al(OH)Bauxita: 40 – 60% Al(OH)33

Dosador Dosador Solução concentrada de Solução concentrada de

Hidróxido de sódio NaOHHidróxido de sódio NaOH

Água Água

Barrilha Barrilha

Moagem do minério adequar a granulometria para o ataque com soda caustica no processo Bayer, empregado para a fabricação da alumina.

ALUMÍNIOALUMÍNIO

Digestão: a bauxita com a solução de hidróxido de sódio (NaOH) é colocada sob temperatura e pressão (comumente operam em temperaturas entre 200 e 240 °C ; pressão em torno de 30 atm ; > 30min) nestas condições a maioria das espécies contendo alumínio é dissolvida, formando um licor verde.

Digestor Digestor

Al(OH)3 (S) + NaOH(aq) NaAl(OH)4 (aq)

AlO(OH) (S) + NaOH (aq) + H2O NaAl(OH)4 (aq)

Digestão: Etapa do processo Bayer onde a gibbsita é dissolvida.

ALUMÍNIOALUMÍNIO

A clarificação é uma das etapas mais importantes do processo, nela ocorre a separação entre as fases sólida (resíduo insolúvel) e líquida (licor). Normalmente as técnicas empregadas envolvem espessamento seguido de filtração.

O espessamento é um processo de decantação, em que o resíduo proveniente da digestão é encaminhado para unidades denominadas de espessadores/lavadores. O objetivo destas unidades é adensar o resíduo, aumentando seu teor de sólidos, para recuperar a maior quantidade de NaOH possível e fornecer a alimentação para a filtragem.

Nesta fase é comum a adição de polímeros (como hidroxamatos e poliacrilamida) para induzir a floculação das partículas nos espessadores ou até mesmo a utilização de processos de separação com membranas poliméricas.

Clarificador Clarificador

ALUMÍNIOALUMÍNIO

O resíduo insolúvel formado durante a clarificação, chamado genericamente de lama vermelha pela indústria de refino da alumina, é composto por óxidos insolúveis de ferro, quartzo, aluminossilicatos de sódio, carbonatos e aluminatos de cálcio e dióxido de titânio (geralmente presente em traços).

A lama vermelha sofre uma lavagem, através de um processo de sedimentação com fluxo de água em contracorrente e posterior deságüe para a recuperação do NaOH. As principais técnicas adotadas para o deságüe da lama vermelha serão descritas mais adiante.

ALUMÍNIOALUMÍNIO

Precipitação Precipitação

Em seguida, ocorre a etapa de precipitação, quando se dá o esfriamento do licor verde. Após este esfriamento é feita adição de uma pequena quantidade de cristais de alumina (semeadura ou alumina hidratada) para estimular a precipitação, em uma operação reversa à digestão.

A alumina cristalizada é encaminhada para a calcinação e o licor residual contendo NaOH e alguma alumina é recirculada para a etapa de digestão.

NaAl(OH)4 (aq) Al(OH)3 (S) + NaOH(aq)

ALUMÍNIOALUMÍNIO

A calcinação é a etapa final do processo, em que a alumina é lavada para remover qualquer resíduo do licor e posteriormente seca. Em seguida a alumina é calcinada a aproximadamente 1000 °C para desidratar os cristais, formando cristais de alumina puros, de aspecto arenoso e branco.

ALUMÍNIOALUMÍNIO

Calcinação: É o processo de retirada da água de cristalização do hidróxido de alumínio (Gibbsita), transformando-o em alumina

ALUMÍNIOALUMÍNIO

Calcinação de um aglomerado de alumina:

Aproximadamente: 4 ton bauxita 2 ton alumina 1 ton alumínio

Alumina: Óxido de Alumínio, Al2O3

Alumina Alfa: Forma mais estável do óxido de alumínio com respeito a termodinâmica, também chamado coríndon.

Aluminas de Transição: Tipos Intermediários de óxido de alumínio obtidos antes da alumina alfa.

Alumina Grau Metalúrgico – SGA: Utilizada na fabricação de alumínio metálico. Contém cerca de 25% de alumina alfa e sua morfologia é semelhante a do hidróxido de alumínio

ALUMÍNIO – Aluminas ALUMÍNIO – Aluminas

Aluminas Especiais: Aluminas calcinadas com elevadas quantidades de fase alfa (75 a 100%) e controle específico de alguns parâmetros como quantidade de alumina alfa, tamanho de cristal primário, teor de sódio e fase de transição, área de superfície, etc.


Aluminas de Baixa Soda: Na2O<0,10% para aplicações elétricas e eletrônicas, como: velas de ignição, isolantes elétricos e circuitos integrados.

Alumina Tabular ou Sinterizada: Aluminas submetidas a um tratamento térmico a altas temperaturas (~1850°C) 100% fase alfa; Cristais grandes (50-500mm) ; Alta densidade, inércia química, resistência ao choque térmico.

Alumina Eletrofundida: Obtida a partir da fusão da alumina grau metalúrgico ou bauxita em fornos elétricos a arco Podem ser fundidas com silício (mulita), óxido de cálcio (cimento), óxido de magnésio (espinélio), óxido de zircônio, etc.


Alumina Reativa: Aluminas de elevada pureza (99,7 a 99,99% Al2O3) e pequeno tamanho de cristal primário (<1mm), obtidas a partir de processos especiais de precipitação e moagem Adequadas para produção de cerâmicas com alto grau de densidade e microestrutura homogênea.

Para a obtenção do alumínio a partir do minério não é possível recorrer-se a processos metalúrgicos devido a alta afinidade do elemento com o oxigênio. O processo empregado é o seguinte:

Fase química: extração do óxido (Al2O3) que contém o metal;

Fase eletrolítica: eletrólise da alumina dissolvida em uma sal.

A rota comercial mais importante na fase química para a purificação da bauxita é o processo Bayer, utilizado para a manufatura de hidróxido e de óxido de alumínio.

A rota do processo pode variar nos estágios dependendo da Planta de Processamento.

ALUMÍNIO – Processo ALUMÍNIO – Processo

BAUXITA

Beneficiamento

Ataque químico

Alumina

Processo eletrolítico

Alumínio


1.800: Volta descobre a pilha

1.807: Davy, eletrolise do sódio e potássio 1.809: Davy, fusão em liga ferro-alumínio

1.821: Berthier, descobre a bauxita

1.812: Silliman, observa glóbulos de alumínio ao maçarico1.821: Oersted, separação de cloreto de alumínio

1.827: Wohler, produção de pó de alumínio pela redução ao potássio do cloreto de alumínio

1.858: métodos econômicos para a obtenção de sódio; redescobrimento da bauxita como fonte de alumínio

1.858: Deville, primeiro lingote de alumínio

1.855: estudos das propriedades da criolita

1.872: Gramme, primeiro dínamo industrial 1.886: Héroult – Hall, descobrimento da

eletrólise da alumina dissolvida em criolita Na3AlF6

1.861: Deville-Chatelier, eletrólises de criolita fundida em NaCl

1.890: Bayer, produze alumina do ataque da bauxita pela NaOH1.926: Sodeberg, cubas de alumínio

1.932: Refino industrial eletrolítico do alumínio


ALUMÍNIO – ROTA DE PROCESSOALUMÍNIO – ROTA DE PROCESSO

Calcinação: 1000 - 1100ºC de uma mistura de bauxita moída e Na2CO3 (carbonato de sódio) transformação em NaAlO2 (aluminato de sódio) solúvel e deixando as impurezas in-solúveis.

Lixiviação: com água e separação por filtração em uma solução clara.

Precipitação: por meio de gás carbônico CO2 logo filtrado, lavado e calcinado

Custos elevados para a calcinaçãoCustosa recuperação do carbonato de sódio

Processo Sainte-Claire Deville


Obtenção de aluminato de cálcio a partir de mistura de bauxita e calcário, em forno elétrico a 1500 - 1600ºC. Lixiviação: com carbonato de sódio (30g/l) a 45ºC.

Aplicável onde a energia seja barata e com minérios compostos de diásporo, dificilmente atacável com o processo Bayer.

Processo Pedersen


Obtenção simultânea de alumínio e amoníaco a partir de nitrato de alumínio AlN. Calcinação: 1400ºC de uma mistura de bauxita e carvão numa atmosfera de nitrogênio.

AlN + 3H2O Al(OH)3 + NH3

Processo Serpek


Na fase química o processo mais comum é o método Bayer.

ALUMÍNIO – Processo BayerALUMÍNIO – Processo Bayer

Matéria prima para processo Bayer:

- Bauxita- Cal- Soda caustica (fresca e re-circulada)- Floculantes- Combustível

- moagem fina do minério (se fora necessário: < 208µm);- mistura com soda caustica (130 a 350g Na2O/l) polpa 50% sólidos a 80°C dissolução da sílica reativa (pré-dessilicação);- reação em autoclave ou reatores a 100 a 250°C e 4 a 8 atm. (digestão ate 5 horas);

“germinação” (decomposição em presença de hidróxido de alumínio) do aluminato de sódio obtido nas autoclaves, decompondo o aluminato em hidróxidos de alumínio e de sódio [ NaAl(OH)4 ------> Al(OH)2 + NaOH ];


- dois produtos (na última autoclave): solução (licor verde) e lama vermelha (sólido).

- Separação por decantação: a solução de aluminato de sódio é hidrolisada.

- A lama vermelha é resfriada e aproveitado o calor residual

Al2O3 .3H2O + 2NaOH Al2O3.Na2O + 4H2O

[ NaAl(OH)4 ------> Al(OH)2 + NaOH ];

[AlO2Na + H2O ------> Al(OH)3 + NaOH ]


Calcinação do hidróxido de alumínio separado a 1200°C obtendo a alumina c/ 99,5% de pureza [ 2Al(OH)2 ---> Al2O3 + 3H2O ]

Filtragem e lavagem

Processo Bayer Processo Bayer alumina alumina

Gibbsita: Al2O3 .3H2O + 2NaOH 2NaAlO2 + 4H2O Ξ Al2O3.Na2O + 4H2O

Boehmita: Al2O3 .H2O + 2NaOH 2NaAlO2 + 2H2O

Caulinita: 5{(Al2O3.2SiO2.2H2O)} + Al2O3.3H2O + 12NaOH

2{3Na2O.3Al2O3.5SiO2.5H2O} + 10H2O

Sílico - aluminato de sódio: Na2O.Al2O3.2SiO2 (na lama vermelha)

Adição de CaO precipitação de silicato de cálcio (na lama vermelha)

Óxidos e hidratos de ferro: Fe(OH)3 + NaOH FeO2Na + 2H2O (na lama vermelha)

Reação: Al2O3 .3H2O + 2NaOH 2NaAlO2 + 4H2O + lama vermelha

Clarificação

DIGESTÃO

Soda cáustica, cal, ácido clorídrico e ácido sulfúrico

Bauxita

Efluente líquido (lama vermelha)

PrecipitaçãoLavagem e filtração

Aluminato de sódio (NaAlO2)

Calcinação

Efluente líquido Resíduos sólidos Emissões atmosféricas

Alu

min

a

(Al2

O3)

Alumínio primárioCubas

eletrolíticas

A transformação da alumina em alumínio metálico recebe o nome de Redução, e se realiza em cubas eletrolíticas, em altas temperaturas (960ºC), em banho de criolita fundida. O processo foi patenteado em 1886 por Hall-Héroult, onde ocorrem as reações de eletrólise:

Nesse processo a alumina Al2O3 é fundida, misturada com principalmente criolita, Na3[AlF6] e fluorita (AlF3), e eletrolisada num tanque de aço revestido de grafita, que atua como cátodo. A alumina é dissolvida no banho de criolita numa proporção máxima de 20%


Os ânodos e catodos são feitos de grafita. A célula funciona continuamente, e a certos intervalos o alumínio fundido (ponto de fusão 660°C) é removido do fundo da célula, adicionando-se também novas quantidades de alumina.

Al(OH)3 + 3NaOH + 6HF Na3[AlF6] + 6H2O

Voltagem na cela: 4 a 6V = 1,6 para eletrolises + resistências

I: 30.000 A

Teoricamente: 2.600 Kg bauxita 1.000 Kg alumina

1.96 Kg alumina + 0,015 Kg criolita + 0,025 Kg fluoreto + 0,0002 Kg barrilha + 0,540 Kg pasta catodica 1,00 Kg Alumínio

13 a 19 KWH 1 Kg Alumínio


A criolita melhora a condutividade elétrica da célula, pois o Al2O3 não é um bom condutor de eletricidade. Além disso, a criolita é uma impureza adicionada que reduz o ponto de fusão da mistura à cerca de 960 °C.

No ânodo formam-se vários produtos, incluindo O2, CO2, F2 , compostos de carbono e flúor. Eles provocam desgaste do ânodo, que deve ser substituído periodicamente (50 – 100 horas).


Secção Transversal da Cela Eletrolítica Hall-HeroultSecção Transversal da Cela Eletrolítica Hall-Heroult

Anodo: (positive eletrodo)C(s) + 2O2-(l) ---> CO2(g) + 4e 3AlO2

- 3Al + 3O2 + 3e

Catodo: (negativo eletrodo)Al3+(l) + 3e ---> Al(l)

Overall Reaction:2Al2O3(l) + 3C(s) ---> 4Al(l) + 3CO2(g)

maybe-aula aluminio i min238 2010 i

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