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Este documento fornece uma visão abrangente sobre a produção de alumínio, abordando desde a mineração e beneficiamento da bauxita até a fabricação de ligas de alumínio. Ele detalha as etapas do processo hall-héroult, a função dos ânodos e cátodos, as emissões e preocupações ambientais, bem como os diferentes tipos de ligas de alumínio e suas aplicações, com ênfase na indústria automotiva. O documento também apresenta informações sobre a produção de alumínio primário na valesul, incluindo detalhes sobre a lingotagem e a composição das ligas. Com uma descrição detalhada e informativa, este documento pode ser útil para estudantes e profissionais interessados em compreender os aspectos técnicos e ambientais da produção de alumínio.
Tipologia: Notas de estudo
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Este programa visa capacitar tecnicamente profissionais da VALESUL na
Metalurgia do Alumínio, tendo como metas principais:
i. A conscientização do pessoal técnico e operadores do processo
produtivo da VALESUL como um todo;
ii. O aprofundamento de conhecimentos técnicos dos operadores
(através de módulos avançados) sobre processos específicos.
O curso será dividido em 04 (quatro) módulos, sendo um módulo de Visão
geral do processo Produtivo da Valesul e 03 (três) módulos avançados de Fabricação de
Eletrodos, Produção de Alumínio e Fundição de Alumínio e suas Ligas.
Visão Geral do Processo Produtivo VALESUL
O Processo Produtivo do Alumínio
1. O Alumínio na Natureza
O Alumínio, terceiro elemento químico mais abundante na crosta terrestre,
se encontra normalmente combinado com silício e oxigênio em silicatos minerais. Quando
os minerais, alumino silicatos, estão sujeitos ao desgaste tropical, minerais de hidróxido de
alumínio podem ser formados. A rocha que contém altas concentrações desses hidróxidos é
conhecida como bauxita. É a matéria-prima principal na produção de alumina.
1.1. Minérios de Alumínio
Em 1821, o químico francês Berthier investigou uma rocha ferruginosa
contendo alumínio, encontrada próximo à aldeia de Les Baux, na França Meridional. Ele
observou que a alumina ocorria como um mineral di-hidratado. Em 1844, o
cientista francês Dufrenoy descreveu o mineral de Les Baux como bauxita. O termo
bauxita é geralmente utilizado nas rochas que contêm quantidades significativas minerais
de hidróxido de alumínio.
A bauxita se tornou o minério primário para produção de alumínio após a
descorberta de Hall e Héroult, em 1886, do processo econômico para extrair alumínio de
alumina pura. Em 1887, Bayer desenvolveu um processo para produzir alumina pura a
partir de bauxita. A figura 1, a seguir, mostra o aspecto superficial de uma amostra de
bauxita.
Fig. 1- Amostra de bauxita.
1.1.1. Principais Características e Propriedades
Os minérios utilizados para a obtenção do alumínio são a bauxita e a criolita.
a) Bauxita
A primeira obtenção industrial do alumínio por via química foi realizada, em
06.02.1854, por Sainte-Claire Deville, que no ano seguinte, em uma exposição em Paris,
mostrou o primeiro lingote de um metal muito mais leve que o ferro.
O processo químico inicial utilizado por Deville, usando cloreto duplo de
alumínio e sódio fundido, reduzindo-o com sódio, foi substituído com sucesso pelo
processo eletrolítico por meio de corrente elétrica, descoberto por Paul Louis Heroult
(Normandia-França) e Charles Martin Hall (Ohio-Estados Unidos). Heroult e Hall, sem se
conhecerem, inventaram ao mesmo tempo o procedimento que marcou o início da
produção de alumínio.
1.2.2 Principais características e propriedades
O alumínio apresenta inúmeras características e qualidades em relação a
outros metais não ferrosos.
1 Pequena massa volumétrica
Nos transportes, representa menor consumo de combustível e menor
desgaste do veículo, além de proporcionar mais eficiência e capacidade de carga.
Nas embalagens, dá praticidade e portabilidade, por seu peso reduzido em
relação a outros materiais.
2. Forte resistência à corrosão
Facilita a conservação e a manutenção das obras, em produtos como
portas, janelas, forros, partes e estruturas de veículos de qualquer porte.
Nas embalagens, é fator decisivo quanto à higienização e barreira de
contaminação.
3. Ponto de fusão normal, que ajuda na obtenção
das ligas
4. Alta condutibilidade elétrica e térmica
A condutividade elétrica é um atributo fundamental para a aplicação do
alumínio na transmissão de energia em fios e cabos. Nas embalagens, nenhum outro
material é tão bom condutor térmico quanto o alumínio.
5. Ótimo refletor
6. Moldabilidade e soldabilidade
Facilidade de conformação, devido à alta maleabilidade e ductilidade,
possibilitando formas adequadas aos mais variados projetos.
7. Resistência e dureza
A robustez do alumínio se traduz em qualidades estruturais, com excelente
comportamento mecânico, aprovado em aplicações com aviões e trens.
8. Reciclável
Depois de muitos anos de vida útil, segura e eficiente, o alumínio pode ser
reciclado, com recuperação de parte significativa do investimento e poupança de energia,
como já acontece largamente no caso da lata de alumínio. Além disso, o meio ambiente é
beneficiado pela redução de resíduos.
9. Propriedades Físicas do Alumínio
Número Atômico................................................................13,
Peso Atômico. ..................................................................26,
Peso Específico (g/cm
3
) ................................................... ..2,
Ponto de Fusão (C) ........................................................ 660,
Ponto de Ebulição (C).................................................. 2450,
Calor Específico (cal/g-C) ................................................0,
Calor Específico (J/kg-K)...................…...........................900,
Calor de Fusão (cal/g) .......................................................94,
Calor de Fusão (Btu/lb) ....................................................170,
Coeficiente linear de expansão térmica (uin/in/C) ............23,
Condutividade Térmica (cal/cm
2 /cm/sec/C) ........................0,
Resistividade Térmica (uohm-cm) ............................ ......2,
Módulo de elasticidade na tensão (psi) .......................9,000,
2. Produção de Alumínio pelo processo Hall-Heroult
2.1. Visão Geral do processo
Desde a descoberta do processo Hall- Héroult, quase todo alumínio tem sido
produzido por eletrólise da alumina (Al 2
) dissolvido em um banho de criolita
(Na 3
AlF 6
O alumínio fundido é depositado sobre um catodo de carbono, que serve
também como o recipiente que retém o metal fundido. Simultaneamente, oxigênio é
depositado no ânodo que contribui para o seu consumo.
A criolita pura funde a 1012°C, mais alumina e aditivos, precisamente de 5-
7% de fluoreto de cálcio, de 5-7% fluoreto de alumínio e de 0-7% lítio fluoreto,
responsável pelo abaixamento do ponto de fusão, permitindo que o processo de eletrólise
ocorra na faixa de 940 a 980°C. O sistema Na 3
AlF 6
tem um eutético em 10.5 %
Al 2
a 960°C, como mostra a Figura 2.
A alumina se dissolve em concentrações baixas, formando íons oxifluoreto
com uma relação de alumínio para oxigênio de 2:1 (Al 2
2n
4-2n ); em elevadas
concentrações de alumina, íons oxifluoreto com uma relação de alumínio para oxigênio de
1:1 (AlOF n
1-n ) são formados.
As células são geralmente operadas com A1 203 participando na quantidade 2
a 6 % em peso no eletrólito. As faixas de saturação entre 7 e 12% de Al 2
dependem da
composição e temperatura.
As medidas de transporte de íons indicam que os íons Na
conduzem a maioria
da corrente; porém, o alumínio é depositado.
A reação global é:
2.1.1.1. Eficiência de Corrente
De acordo com a lei de Faraday, um Faraday (26,80 Ah) deveria depositar,
teoricamente, um equivalente grama (8,994 g) de alumínio. Na prática só de 85 a 95%
desta quantia é obtida.
A perda na eficiência de corrente (Faraday) é causada, principalmente, pelas
espécies reduzidas (Al, Na, ou AlF) dissolvidas e dispersas no eletrólito (banho) próximo
ao catodo e sendo transportadas em direção ao ânodo onde são re-oxidadas por gás
carbônico, formando monóxido de carbono e óxidos metálicos que se dissolvem no
eletrólito.
Certos aditivos do banho, particularmente fluoreto de alumínio, diminuem o
conteúdo de espécies reduzidas no eletrólito, melhorando, assim, a eficiência de corrente.
A Figura 3, abaixo, mostra, de forma esquemática, o processo eletrolítico de
produção de alumínio metálico.
Fig. 3- Processo de fabricação de alumínio.
A chave para a reação química necessária converter a alumina em alumínio
metálico é a passagem de uma corrente elétrica através da mistura criolita/alumina. O
processo exige o uso de corrente contínua. A grande quantidade de energia necessária para
produzir alumínio é a razão por que plantas de alumínio estão quase sempre localizadas em
áreas onde a aquisição de energia elétrica está prontamente disponível. Alguns peritos
afirmam, por exemplo, que um por cento de toda a energia usada nos Estados Unidos é
utilizada na fabricação de alumínio.
A voltagem elétrica usada em uma célula ( pot ) de redução típica é de apenas
5,25 volts, mas a amperagem é MUITO alta - geralmente na faixa de 100.000 a 150.
amperes ou mais. Os fluxos de corrente entre um ânodo de carbono (carregado
positivamente), feito de coque de petróleo e piche, e um catodo (carregado
negativamente), formado pelo revestimento interno em carbono ou em grafita da célula
(pot), promovem a eletrólise. A Figura 4 mostra uma seção transversal do sistema
reacional utilizado na produção de alumínio.
carbônico. O alumínio fundido se acumula na base da célula ( pot ) de onde é
periodicamente sifonado para cadinhos, enquanto o gás carbônico (CO 2 ) é expelido. Muito
pouco da criolita é perdido no processo, e a alumina é constantemente reposta de
recipientes de armazenamento situados acima das células de redução.
O metal está agora pronto para ser forjado, produzir ligas, ou extrudado nas
formas necessárias para produzir eletrodomésticos, produtos eletrônicos, automóveis,
aviões e centenas de outros utensílios domésticos, como mostra a Figura 5, a seguir:
Fig. 5- Equipamentos e utensílios domésticos produzidos com alumínio.
O alumínio é formado a 900 °C, aproximadamente, mas, uma vez formado,
tem um ponto de fusão de apenas 660 °C. Em algumas fundidoras, esse calor sobressalente
é utilizado para fundir metal reciclado, que é então misturado com o novo metal. O metal
reciclado exige somente 5 por cento da energia exigida para produzir novo metal. A
mistura do metal reciclado com metal recém-produzido permite uma economia de energia
considerável, como também o uso eficiente do calor excedente disponível. Com relação à
qualidade do metal, não existe nenhuma diferença entre metal primário e metal reciclado.
O processo de fusão necessário para produzir alumínio a partir da alumina é
contínuo, desse modo o revestimento da célula eletrolítica ( potline ) é normalmente
mantido em produção por 24 horas ao dia durante todo o ano. Uma fundição não pode ser
facilmente parada e reiniciada. Se a produção é interrompida, devido a uma parada de
suprimento de energia, por mais de quatro horas, o metal nessas panelas ( pots ) solidificará,
exigindo freqüentemente um processo de reconstrução caro. O custo de construção de uma
fundição típica e moderna é em torno $1.6 bilhão.
A maioria das fundições produz alumínio com 99,7% de pureza - aceitável para
a maioria das aplicações. Porém, alumínio superpuro (99,99%) é exigido para algumas
aplicações especiais, tipicamente aqueles onde alta ductilidade ou condutividade é exigida.
Deve ser observado que o que pode parecer ser diferenças marginais nas purezas do
alumínio de grau de fundição e o alumínio de alta pureza pode resultar em mudanças
significativas nas propriedades do metal.
2.1.2. Insumos necessários – Função e proporção
Para a produção de uma tonelada de alumínio são necessárias cerca de duas
toneladas de alumina. Estas duas toneladas, para serem produzidas, consumirão 4,5 de
toneladas de bauxita.
2.1.2.1. Alumina, Criolita e Aditivos
1 – Alumina
A produção mundial de alumina em 1995 totalizou cerca de 40 milhões de
toneladas. Praticamente toda essa quantidade foi obtida através do processamento de
bauxita. Já se sabe que a primeira extração comercial de bauxita foi a de Sainte-Claire
Deville, na França, em 1865, mas esse método deu lugar àquele do químico austríaco
Bayer, em 1887. O processo de Bayer, que continua a ser o método mais econômico,
aproveita-se da reação do hidróxido de alumínio e óxido-hidróxido de alumínio com
solução de hidróxido de sódio (soda cáustica) para formar aluminato de sódio:
O equilíbrio da reação se desloca para a direita com o aumento da concentração
da solução de hidróxido de sódio e com a temperatura. As operações seguintes são
executadas na seguinte ordem: (1) dissolução da alumina em uma temperatura elevada, (2)
separação e lavagem das impurezas insolúveis presentes na bauxita (lamas vermelhas) e
recuperação da alumina solúvel e soda cáustica, (3) hidrólise parcial do aluminato de
sódio, em uma temperatura mais baixa, para precipitar o hidróxido de alumínio, (4)
regeneração das soluções para reciclar a etapa (1) por evaporação da água introduzida na
operação de lavagem e (5) transformação do hidróxido de alumínio em alumina anidra por
calcinação a aproximadamente 1100
o
C.
A Figura 6, a seguir, mostra o carregamento da bauxita, após ser minerada, em
caminhões apropriados que a conduzirão para o processo de britagem.
2 – Criolita
É um sal natural utilizado como eletrólito no processo de obtenção de
alumínio.
3 – Aditivos
No processo de obtenção de alumínio metálico Hall-Heroult, o eletrólito
(banho de sais fundidos) deve reunir vários requisitos para que o processo se realize em
condições ótimas:
Todas estas propriedades serão dificilmente conseguidas com um solo
componente, no qual o eletrólito estará constituído pela mistura de uma série de
compostos, em proporção tal que se obtenha o “eletrólito ideal”.
O sal que constitui a maior parte do eletrólito é a Criolita, dada a solubilidade
da alumina nesse mineral. No entanto, com o propósito de misturar uma boa solubilidade
com o resto das propriedades desejadas, se adicionam outros componentes, que no
eletrólito convencional são o fluoruro de alumínio e fluoruro de cálcio. Além disso
existem outros aditivos, qualificados de não convencionais, entre os quais podemos
destacar o carbonato de lítio.
Aditivos Potenciais
Entre os aditivos potenciais, assinalamos como mais apropriados, por suas
propriedades físico-químicas, os seguintes.
. Fluoreto de lítio. . Fluoreto de sódio . Fluoreto de magnésio.
. Fluoreto de cálcio. . Fluoreto de alumínio. . Cloreto de sódio.
2.2. Ânodo
Elemento feito de carbono, empregado em um processo de eletrólise.
2.2.1. Função dentro do processo de obtenção do alumínio
O ânodo é um dos eletrodos do processo de obtenção do alumínio, a função
deste é liberar o oxigênio que se combina com o carbono, motivo pelo qual se consome
gradualmente.
2.2.2. Composição
Os ânodos consistem em coque de petróleo e alcatrão de hulha. Estas matérias-
primas, misturadas em certa proporção e condições e com uma determinada granulometria
do sólido, se misturam intimamente quando aquecidas, em temperaturas de até 1250°C,
produzindo blocos que, esfriados e solidificados, se armazenam para serem usados
subseqüentemente como ânodos eletricamente condutores.
2.2.3. Características que influenciam o processo
Temos várias características que influenciam o processo, entre as quais
podemos enunciar:
a ) Granulometria do coque
A granulometria do coque é fundamental para as boas propriedades do
ânodo, em particular sua resistência mecânica, densidade e seu consumo específico.
b) A qualidade do alcatrão
É o ligante principal dos eletrodos de carbono, particularmente na indústria do
alumínio. Seu papel é fazer de aglomerante aquecido do material carbono sólido dos
ânodos.
2.3. Catodo
O recipiente que contém o metal e o banho, fundidos à temperatura de 950°C,
se denomina catodo da cuba, e é o lugar onde se leva a efeito a reação catódica.
2.3.1. Função dentro do processo de obtenção do alumínio
O catodo deve cumprir duas missões: ser um condutor para o aporte eletrônico
da dita reação, e, ao mesmo tempo, ser um forno resistente ao metal alumínio fundido e, o
que é mais complexo, aos sais fundidos de base criolita.
2.3.2. Composição
O potencial de decomposição padrão para esta reação é de 1,16V a 1010°C.
2.4.2. Reação Catódica.
Por mais simples que possa aparecer, o verdadeiro mecanismo da reação
catódica não está estabelecido atualmente. O alumínio não se encontra livre, se não
formando complexos do tipo Al-O-F carregados negativamente. Por outra parte, o Na
está
presente como cátion livre, o que levou a muitos investigadores a pensar que o produto
primário da reação catódica era o sódio. Considerações termodinâmicas têm permitido
estabelecer que o produto primário é o alumínio, que se deposita numa mistura alumínio-
sódio, de muito baixo conteúdo de sódio.
Dado que o alumínio, como vimos, não se encontra livre, mas formando
complexos que participam na reação catódica, de uma maneira geral, podemos escrever:
2AlF 6
3-
+ 6Na
+
+ 6e
-
2Al + 6(Na
+
,F
-
) + 6F
-
O excesso de íons F
reação total como:
AlF 6
3-
AlF
-
+ 2F
-
3AlF 4
- + 6Na
**+
- 2Al + 6(Na
+ ,F
- ) + AlF 6
3-
Têm sido muitos os trabalhos dedicados ao estudo dos mecanismos da reação
catódica, e apesar do esforço aplicado não se tem chegado a conclusões definitivas.
2.5. Geração de gases e partículas durante o processo
O alumínio é produzido pela eletrólise de alumina que é normalmente obtida a
partir do minério de bauxita. Essa produção, referida como sendo produção primária de
alumínio, envolve várias operações e cada uma delas tendo associado resíduos sólidos,
lodos, efluentes, e/ou emissões atmosféricas. Além disso, o alumínio fundido pode
representar um perigo especial devido a fatores térmicos e de controle de qualidade.
2.5.1. Tipos de gases e partículas geradas
As emissões na indústria de alumínio que trazem preocupação incluem os
hidrocarbonetos, particulados em geral, fluoretos particulados, e fluoretos gasosos. Os
dispositivos típicos de controle de emissões incluem as torres de lavagem, lavadores de
leito flutuante, lavadores hidroventuri, torres de resfriamento, precipitadores eletrostáticos,
ciclones múltiplos etc. Os controles do pré-tratamento de efluentes incluem o
condicionamento, espessamento, desaguamento, conversão e processos de secagem que
devem ser projetados considerando os parâmetros relacionados ao lodo e efluentes.
Além da indústria de fundição de alumínio primário, os padrões de descarte de
efluentes líquidos, gasosos e sólidos podem ser aplicáveis e/ou relevantes para outras
indústrias metalúrgicas que utilizam o alumínio como matéria-prima.
A indústria de fundição secundária de alumínio é essencialmente composta de
empresas envolvidas com a fundição e reciclagem desse metal (como lingotamento de
alumínio, refugos de fundição e sucata). O processo engloba a fusão escorificante,
formação de ligas, extração de gases (degaseificação) etc. As tintas, sujeiras, óleos, graxas,
fluxos degaseificantes, e fluxos redutores de magnésio (como cloro) podem contribuir,
adicionalmente, como fontes potenciais de poluição ambiental e perigos adicionais. Os
controles selecionados são geralmente semelhantes àqueles encontrados na indústria de
fundição primária de alumínio.
2.5.1.1. Impacto Ambiental
Para a obtenção do alumínio, utilizam-se tecnologias que geram resíduos ao
meio ambiente que, por conseguinte, são predudiciais para a saúde do ser humano, tanto na
fábrica de eletrodos como na fundição, o que exige a adoção de medidas corretoras
eficazes. Nesse sentido, o esforço da indústria do alumínio para minimizar esses efeitos
tem sido uma constante nos últimos vinte anos.
As partículas de alumínio depositadas no olho podem causar destruição do
tecido local. Os sais de alumínio podem causar eczema, conjuntivite, dermatoses, e
irritação do sistema respiratório superior, pelos ácidos liberados por hidrólise. O alumínio
não é geralmente considerado como um veneno industrial, embora a inalação de pó de
alumínio finamente dividido tem sido reportado como uma causa de pneumoconiosis. No
entanto, na maioria dos casos investigados, era achado que esse tipo de exposição não
estava somente associada ao alumínio, mas a uma mistura de alumínio, sílica, pós de ferro
e outros materiais.
O alumínio em aerossóis tem sido referenciado em estudos envolvendo doença
de Alzheimer. A maioria de exposições ao alumínio acontece nos processos de fundição e
refino. Visto que o alumínio pode ser ligado com vários metais (por exemplo, cobre, zinco,
magnésio, manganês, níquel, cromo, chumbo etc.), cada um desses pode apresentar
possivelmente seus próprios perigos à saúde.
O pó de alumínio é fortemente fibrogênico. O pó de alumínio metálico pode
causar fibrose pulmonar nodular, fibrose pulmonar intersticial e enfisema como indicado
em experimentação animal e os efeitos parecem ser correlacionados ao tamanho de
partícula do pó; porém, quando se estuda a exposição do homem a pós de alumínio, na
maioria das vezes, observa-se também essa exposição a outras substâncias químicas além
do alumínio_._
As indústrias envolvidas na produção ou utilização de alumínio podem precisar
de critérios específicos de projeto de instalações, considerando a poluição ambiental
proveniente do processo produtivo e os perigos da utilização de alumínio. Por exemplo, a
coleta de pó de alumínio é aconselhável para reduzir as emissões de particulados; porém, o
pó coletado de um processo pode apresentar os perigos físico e químico do alumínio.
A inertização de atmosferas potencialmente inflamáveis, como aquelas
encontradas em processos envolvendo misturas de pós, pode ser apropriada. Os processos
envolvendo rotas úmidas e secas (como controle de poluição, moagem etc.) devem ter
também considerações de projeto relativas às propriedades do pó de alumínio. As práticas
de trabalho para empregados devem englobar procedimentos de emergência, administração
interna geral, procedimentos de disposição de resíduos e quaisquer precauções especiais
exigidas no estabelecimento de um dado trabalho.
2.5.1.2. – Tratamento de gases e partículas
Como já mencionado anteriormente, o processo de produção de alumínio,
também conhecido como processo Hall-Héroult, consiste, basicamente, na dissolução da
alumina em um banho de sais fundidos, constituído por criolita e fluoreto de alumínio, em
uma célula de aço chamada pot. O interior da célula é revestido com um material