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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.
ALUMÍNIO – Aluminas ALUMÍNIO – Aluminas
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.
ALUMÍNIO – Aluminas ALUMÍNIO – Aluminas
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
ALUMÍNIO – Processo ALUMÍNIO – Processo
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 – Processo ALUMÍNIO – Processo
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
ALUMÍNIO – Processo ALUMÍNIO – Processo
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
ALUMÍNIO – Processo ALUMÍNIO – Processo
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
ALUMÍNIO – Processo ALUMÍNIO – Processo
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 ];
ALUMÍNIO – Processo BayerALUMÍNIO – Processo Bayer
- 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 ]
ALUMÍNIO – Processo BayerALUMÍNIO – Processo Bayer
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
ALUMÍNIO – Processo ALUMÍNIO – Processo
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%
ALUMÍNIO – Processo ALUMÍNIO – Processo
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
ALUMÍNIO – Processo ALUMÍNIO – Processo
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).
ALUMÍNIO – Processo ALUMÍNIO – Processo
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)