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METALURGIA DO ALUMÍNIO

Campus Ouro Preto

Prof.ª Substituta: Mônica Suede S. Silva – Ano 2012

Produção Primária

Etapa de Redução

PROCESSO HALL-HÉROULT

Processo Hall-Héroult

GENERALIDADESProcesso desenvolvido paralela e simultaneamente por Hall e Héroult, sendo ambos patenteados em 1886.


PRINCÍPIO FUNDAMENTALRedução do ÓXIDO DE ALUMÍNIO (Al2O3) em alumínio metálico (Al) dentro de cubas eletrolíticas, empregando-se um banho de sais fundidos, notadamente fluoretos de metais mais eletropositivos que o alumínio.


GENERALIDADESCuba Eletrolítica – Esquema representativo


GENERALIDADESPor quê não se utilizam carbono ou gases (CO, CO2) para reduzi a alumina



Devido à grande afinidade do alumínio com o oxigênio, não é possível reduzir a alumina pelos redutores usuais: carbono e óxido de

carbono.


Processo Hall-HéroultGENERALIDADESA redução de Al2O3 em Al consiste na dissociação eletrolítica da alumina dissolvida num banho de sais fundidos a baixa tensão.A alumina se decompõe em:O2 – combina-se com o carbono do eletrodo positivo (anodo), desprendendo-se na forma de CO2;

Al – precipita-se no fundo da cuba eletrolítica, sendo a sua remoção feita periodicamente.

GENERALIDADESReação do processo a 960ºC é:



O alumínio depositado no fundo da cuba tem pureza entre 99,4% e 99,85%, sendo as principais impurezas: Fe, Si, Cu, Mn, Ti.

2 Al203 (dissolv.) + 3 C(s) 4 Al + 3C02(g)

OBSERVAÇÃO: O principal agente de redução da alumina é a energia elétrica, e não o carbono!



ISUMOS na produção de alumínio metálico. Fonte: Boletim Técnico – ABAL/PA.


Processo Hall-HéroultISUMOS

Uma cuba eletrolítica produz 300 kg de alumínio por dia, demandando circuitos em série para produção em larga escala. Um aspecto interessante do processo é que cada cuba consome de 4V a 6V de tensão elétrica, sendo que se gasta apenas 1,6V na produção de Al, e o restante é empregado para vencer a resistência do circuito e manter o eletrólito fundido.


Processo Hall-HéroultISUMOS – Sais fundidos

Criolita – Na3AlF6: alta condutividade elétrica quando fundida;

Fluoreto de alumínio (AlF3) e Fluoreto de cálcio (CaF2) : abaixam o ponto de fusão e regulam pH do banho.

A composição típica do banho de uma célula eletrolítica:Criolita: 80% - 90%Fluoreto de alumínio: 2% - 10%;Fluoreto de cálcio: 3% - 10%;Alumina: 2% - 7%.



À base de material carbonáceo - pasta soderberg ou pré-cozido, trata-se de uma mistura de coque de petróleo e piche, sob composições distintas.Pólo positivo da cuba, sendo consumidodurante o processo a uma taxa em torno de 420 Kg C/ton. Al trocados com freqüência aproximada de 25 dias.

ISUMOS – Eletrodo Positivo - ANODO



PRINCIPAIS REAÇÕES:

ISUMOS – Eletrodo Positivo - ANODO

FUNÇÕES BÁSICAS: Fornecer carbono para a reação com o oxigênio da decomposição da alumina; Conduzir eletricidade.


Processo Hall-HéroultComparativo dos tipos de células

Célula SoderbergMenor investimento – custo baixo de produção.Apresenta como limitante principal a emissão de gases durante o cozimento da pasta dentro da célula.

Célula Ano Pré-cozidoExige recursos adicionais para a conformação, resfriamento e disposição de elementos elétricos.Maior produção, e menor consumo energético.


Processo Hall-HéroultISUMOS – Eletrodo Negativo - CATODO

Normalmente composto de cobre com altíssima pureza. Já a parte carbonácea é feita de bloco pré-cozido de antracito (carvão mineral).Vida máxima do revestimento de 7 anos que pode ser reduzida por contaminação com elementos como Fe, ou vazamento Al.Pólo negativo da cuba eletrolítica, situando-se em sua parte inferior.


Processo Hall-HéroultISUMOS – Eletrodo Negativo - CATODO

PRINCIPAL REAÇÃO:

O alumínio obtido na célula, acumula-se numa camada de 10 cm a 12 cm de espessura é transferido para uma panela.


Processo Hall-HéroultCONTROLE AMBEINTALAmbiente mais limpo: células eletrolíticas fechadas – maior eficiência de tratamento dos gases coletados: função de: automação da alimentação de alumina e eliminação do efeito anódico.

Gases coletados são tratados em lavadores.

LAVAGEM A SECO: leito de Al2O3 + filtros de manga. Particulado coletado é realimentado na célula economia em fluoreto de alumínio.


Processo Hall-HéroultISUMOS – Energia Elétrica

A redução da alumina a alumínio metálico requer a passagem contínua de corrente elétrica pelo banho de sais fundidos. Caracteristicamente, as condições de processo definem: alta amperagem e baixa voltagem: i V



QUANTIDADE DE METAL: determinada pela Lei de Faraday

em que se destacam: i – corrente elétrica (A); t – tempo de eletrólise (s); E – equivalente-grama do elemento: P.M/Valência – EAl = 9g; E.C. – eficiência de corrente.



A eficiência de corrente é um parâmetro que mede a quantidade de metal reoxidado: 85% - 92%.A voltagem, efetivamente, empregada na decomposição da alumina é de 1,75V, sendo o restante da escala 4V a 5V destinado a aquecimento do banho e vencimento de resistências no circuito.

Função da tecnologia adotado: sistemas automáticos ou semi-automáticos – ciclos de até 60 minutos – formação de crosta que necessita ser quebrada, devido o caráter isolante e para manutenção do teor de Al2O3 do ELETRÓLITO.


Processo Hall-Héroult O PROCESSO - Alimentação

ELETRÓLITO COMPOSIÇÃO: quando o teor de Al2O3 é muito baixo (2%), há elevação da temperatura aparecimento de chama viva em torno do eletrodo banho perde sua fluidez retenção de glóbulos de alumínio:Prejuízos operacionais. ASSIM: a alumina é continuamente introduzida a uma taxa de 1,7 kg/min. para manter o teor normal de operação de Al.



TEOR DE ALUMINA: mantido dentro de limites específicos, ASSIM:

“Equilíbrio entre Alimentação, Ciclo de Quebra da Crosta e Alimentação”



1) Muita Alumina Adicionada: ineficiência de dissolução do Al2O3 depósito no fundo da célula prejuízos operacionais;

2) Alumina Abaixo de 2%: ocorrência do EFEITO ANÓDICO.



EFEITO ANÓDICO – fenômeno associado com a queda do teor de alumina no eletrólito, havendo dificuldades no transporte de oxigênio para o anodo reação com dificuldades de manutenção.Desprendimento do íon F- e formação de filme gasoso no anodo aumento da voltagem na célula.



EFEITO ANÓDICO – contramedidas principais são: a) aumento da dissolução da alumina; b) quebra do filme de gás no anodo.

EFEITO ANÓDICO - provocado em intervalos constantes para manutenção

da segurança operacional da célula eletrolítica.

Metalurgia do AlumínioEtapa de Refino

O metal obtido no processo Hall-Héroult tem pureza entre 99,5% e 99,8%.OJETIVANDO elevação da pureza do metal para, aproximadamente, 99,9%, realiza-se o seu refino em FORNOS DE REVÉRBERO.

A célula é diferente da vista na eletrólise, mas o eletrólito e o anodo possuem as seguintes particularidades: eletrólito: composto de criolita, fluoreto de

Al, fluoreto de Ba e Al2O3 ; o anodo é um liga cobre-alumínio de baixo

teor de Fe-Ti, contendo Si .

REFINO

REFINO DO ALUMÍNIOGENERALIDADES

a) Adição de elementos de liga;b) Homogeneização do metal;c) Fluxação - eliminação de hidrogênio

dissolvido e inclusões:2 Al(l) + 3 H2O(g) Al2O3(s) + 6 H

d) Repouso;e) Refino de grão - boreto de titânio - TiB;f) Filtração do metal – leito de alumina.

REFINO

REFINO DO ALUMÍNIOETAPAS

Ao fim do refino do metal:1) ocorre o seu vazamento em moldes ou lingoteiras;2) tem-se iniciados os processos de conformação mecânica;3) fabricação de bens de consumo.

REFINO

REFINO DO ALUMÍNIOESTÁGIOS FINAIS

Metalurgia do Alumínio

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Principais Ligas do Alumínio

Ligas de Alumínio

CONFORMAÇÃO MECÂNICA

O alumínio, em função de suas excelentes

características de conformabilidade, pode ser :

laminado em qualquer espessura;

extrudado numa infinidade de perfis de seção

transversal;

forjado em inúmeras peças, a partir de

tarugos;

trefilado em arames, e estes transformados

em cabos condutores, etc.

PROCESSOS INDUSTRIAIS

Ligas de Alumínio

PROCESSOS INDUSTRIAIS

Agrupamento das

operações de

transformação do

alumínio metálico.

Fonte: Site ALCOA(3).

Ligas de Alumínio

Todos os métodos de união são aplicáveis ao alumínio. Segundo Modenesi(4), o alumínio e suas ligas são de difícil soldagem, devido às propriedades do alumínio, tais como o baixo ponto de fusão, e a formação da camada de alumina em sua superfície quando em contato com o oxigênio.Os processos mais utilizados para soldagem em alumínio pertencem à classe arco elétrico com proteção gasosa:TIG – Tungsten Inert Gas;MIG – Metal Inert Gas.

SOLDAGEM

Ligas de Alumínio

CLASSIFICAÇÃOGrande número de ligas de alumínio com propriedades distintas, sendo classificadas de modo diverso. Ex.: sistema de quatro dígitos desenvolvido pela Aluminum Association – AA:o primeiro, da esquerda para a direita, indica o elemento majoritário da liga;

o segundo, exprime uma liga normal; 1, 2, 3, etc. indica uma variante específica: teor (máx. ou mín.) de um certo elemento;

os últimos algarismos diferenciam as ligas do grupo.

Ligas de Alumínio

ELEMENTOS DE LIGAPrincipais são: Cu, Mg, Si, Zn, Ni, Ti, Cr, Mn e outros, conferindo características benéficas como: Cu - aumenta a usinabilidade; Si - aumenta a resistência a corrosão; Mn – aumenta a fluidez de fundição.OBSERVAÇÃO: A percentagem de elementos de liga raramente ultrapassa 15%, e pouco altera o perfil do Diagrama de Fases.

Ligas de Alumínio

Grupos de ligas de alumínio. Fonte: Modenesi(4).

Não há um padrão reconhecido internacionalmente. NORMAS Alcan, ASTM, DIN, ABNT, AA.

CLASSIFICAÇÃO

Ligas de Alumínio

Lig

as d

e

Alu

mín

io

Trabalhadas Mecanicamente

Tratáveis Termicamente

Al-Cu

Al-Cu-Si

Al-Mg-Si

Al-Zn-Cu

Não-Tratáveis Termicamente

Al-Mg

Al-Mn

Al-Si

Destinadas à Fundição

Al-Cu

Al-Si

Al-Mg

Al-Zn

CLASSIFICAÇÃO

Ligas de Alumínio

TRATAMENTOS TÉRMICOSObjetivam a redução do nível de segregações, produzir estruturas estáveis e controlar certas características metalúrgicas.Para o alumínio e suas ligas, os principais tipos de tratamento térmico são:Alívio de tensões: T= 130ºC - 150°C, t é

função da espessura da peça;Recozimento para recristalização ehomogeneização: T= 300ºC - 400°C;Solubilização/Envelhecimento: T é função

do tipo de liga.

Ligas de Alumínio

TRATAMENTOS TÉRMICOSAs ligas de alumínio dos grupos 1XXX,

3XXX, 4XXX e 5XXX não são tratáveis termicamente. Para essas ligas, emprega-se os métodos de endurecimento por solução sólida e por encruamento.

As ligas dos grupos 2XXX, 6XXX e 7XXX podem ser tratadas termicamente. Nesse grupo, o principal tratamento térmico é o de solubilização e envelhecimento, que promove o endurecimento por precipitação de segunda fase.

Ligas de Alumínio

Representações: (acima) Diagrama de fases da liga Al-Cu e Ciclo de tratamento

térmico; (abaixo); Efeito da temperatura nas propriedades mecânicas de liga de

alumínio (1100H18) e Aspectos dos grãos na microestrutura. Fonte: Site ALCOA(3).

Alumínio: Tratamentos térmicos

Metalurgia do Alumínio

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Abordagem Ambiental: RECICLAGEM

A reciclagem do alumínio é uma combinação única de vantagens: ECONOMIA de recursos naturais, energia elétrica no processo, pois se consomem apenas 5% da energia necessária para produção do alumínio primário + GANHOS sociais e econômicos.

RECICLAGEM DO ALUMÍNIO

O alumínio pode ser reciclado tanto a partir de sucatas de produtos de vida útil esgotada como de sobras do processo produtivo: 20% do alumínio utilizado no mundo vem da reciclagem. O valor da sucata chega a ser da mesma ordem de grandeza do lingote primário, impossibilitando que se destine ao lixo.


Brasil é líder absoluto em reciclagem de latas de alumínio


REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1.ARENARE, D. S., “Caracterização de amostras de bauxita visando a aplicação de métodos de concentração gravítica”. Dissertação de Mestrado pela Escola de Engenharia, UFMG. Belo Horizonte, MG. Março, 2008.

2.ESCOBAR, E. M., “Determinação Simultânea, em Linha, da Concentração de Soda Cáustica e de Alumina em Solução de Aluminato de Sódio do Processo Bayer de produção do Óxido de Alumínio”. Dissertação de Mestrado pelo Instituto de Química, UNICAMP. Campinas, SP. Agosto, 2004.

3.Site ALCOA: www.alcoa.com.4.MODENESI, P. J., “Soldabilidade de Algumas Ligas Metálicas”. Departamento de Engenharia Metalúrgica da Universidade Federal de Minas Gerais. Belo Horizonte, MG. Maio, 2008.

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