Alumínio – Dados Gerais

Produção de Alumina - Processo Bayer

Eletrólise da Alumina – Processo Hall- Heroult

Alumínio

Etapas da metalurgia extrativa do alumínio :

Alumínio

Custos de produção de cada processo da metalurgia extrativa

do alumínio

Alumínio

Processo de produção da alumina (Al2O3)

Principal fonte de alumínio: Bauxita

Bauxita : Conjunto de um ou mais minerais de alumínio, constituídos,

basicamente, por hidróxido de alumínio : gibsita, boemita e diasporita

Os maiores depósitos de bauxita encontram-se em:

• Jamaica, Suriname, Gana, Serra Leoa, Austrália, Rússia e Hungria

Alumínio

Alumínio

Alumínio

Propriedades da gibsita, boemita e diasporita

Alumínio

Moega

Alimentador

de Sapatas

Britador

Secundário

Britador

Primário

Barragem de

Rejeito

Rejeito

Pilha de Minério

Beneficiado

FLUXOGRAMA de PRODUÇÃO – Miraí

Scrubber

Silo

Alimentador

de Sapatas

Peneira

Secundária

Peneira

Primária

Alumínio

Alumínio

Composição típica da bauxita

Alumínio

Extração de alumina da bauxita : Processo Bayer

Processo desenvolvido por Karl Josef Bayer, em 1892

Processo Bayer

Alumínio

Processo Bayer

Alumínio

Processo Bayer - Lixiviação da bauxita

Tamanho média da bauxita após pré-tratamentos de britagem e de

moagem : 60 – 100 mesh

Aproximadamente:

• 2 t bauxita = 1 t Al2O3 + 1 t lama vermelha = 0,5 t Al

Reações típicas :

• Al(OH)3 + OH- = [AlO(OH)2]- + H2O

• AlOOH + OH- = [AlO(OH)2]-

Alumínio

Processo Bayer - Lixiviação da bauxita A etapa de lixiviação da bauxita é efetuada em autoclaves

Alumínio

Processo Bayer - Lixiviação da bauxita A etapa de lixiviação da bauxita é efetuada em autoclaves

Alumínio

Processo Bayer - Lixiviação da bauxita

Os parâmetros empregados na lixiviação estão associados aos

minerais presentes na bauxita

Alumínio

Processo Bayer - Lixiviação da bauxita

Distribuição das impurezas

Alumínio

Processo Bayer - Lixiviação da bauxita Precipitação da solução resultante da lixiviação

Alumínio

Processo Bayer - Lixiviação da bauxita Precipitação da solução resultante da lixiviação

• O processo de precipitação da solução resultante da lixiviação ocorre em

tanques de precipitação

Alumínio

Processo Bayer - Calcinação do hidróxido de alumínio

O processo de calcinação de hidróxido de alumínio é efetuado em

fornos rotativos e, em certos casos, em leitos fluidizados

O processo de calcinação é efetuado, aproximadamente, a 1000°C

2 Al(OH)3 Al2O3 + 3 H2O

Alumínio

Processo Hall - Héroult

Alumínio

Eletrólito

A criolita (Na3AlF6) corresponde ao melhor meio para a eletrólise da

alumina (redução eletrolítica), pelos seguintes motivos:

• É um bom solvente para a alumina

• Possui um potencial de decomposição superior ao da alumina

• É um bom condutor de eletricidade

• Possui um baixo ponto de fusão

• Possui boa fluidez

• Possui uma densidade inferior à do alumínio, nas temperaturas

operacionais empregadas

• Possui uma baixa pressão de vapor

• Não reage quimicamente com os eletrodos

• Não reage quimicamente com os produtos da eletrólise

Processo Hall - Héroult

Alumínio

Eletrólito

Processo Hall - Héroult

Alumínio

Eletrólito

A solubilidade da alumina é função da composição do eletrólito e da

temperatura de operação

A relação NaF/AlF3 é denominada razão da criolita e apresenta

valor igual a 3, para a condição de criolita no estado puro

NaF/AlF3 Eficiência de corrente

NaF/AlF3 Volatilização do eletrólito

NaF/AlF3 = 2 a 3

Temperatura de operação = 940 °C a 980 °C

Processo Hall - Héroult

Alumínio

Eletrólito

Diversos aditivos são incorporados ao eletrólito (criolita), no intuito de

permitir uma redução na temperatura de operação da cuba

eletrolítica e de conduzir a um incremento na eficiência de corrente

AlF3

• Reduz o ponto de fusão da criolita

• Neutraliza a soda presente na alumina (0,6% Na2O), resultando em

criolita

MgF2, LiF, NaF, LiF

• Reduz o ponto de fusão da criolita

Processo Hall - Héroult

Alumínio

Efeito da corrente

Valores de tensão e de corrente empregados:

• Tensão: 800V

• Corrente: 34000 a 130000A

A eficiência de corrente é função das seguintes variáveis:

• Temperatura do banho

• Razão da criolita

• Distância anodo-catodo

• Densidade de corrente

Teoricamente

• 1kAh de corrente elétrica = 0,3356 kg Al

Na prática

• 85% - 95% de eficiência de corrente

Processo Hall - Héroult

Alumínio

Efeito da corrente

Teoricamente

• 1kAh de corrente elétrica = 0,3356 kg Al

Na prática

• 85% - 95% de eficiência de corrente

Motivos

• Solubilidade do alumínio no próprio eletrólito (0,1%, aprox.)

– Al + 3NaF = 3Na + AlF3

– 2Al + AlF = 3AlF

– 2Al + 3CO2 = Al2O3 + 3CO

• Reação química entre o alumínio líquido e a superfície do catodo,

formando carbeto de alumínio

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Alumínio

Consumo de energia por kg de alumínio produzido

Processo Hall - Héroult

Alumínio

Anodos

Cuba eletrolítica com anodos pré-cozidos

Processo Hall - Héroult

Alumínio

Anodos

Cuba eletrolítica com anodos Söderberg

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Alumínio

Anodos pré-cozidos

São formados a partir de mistura de coque de petróleo, anodos

moídos já utilizados e piche. Tal mistura, após um processo de

prensagem, é aquecida a, aproximadamente, 1100 °C, em fornos

aquecidos a gás ou a óleo.

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Alumínio

Anodos Söderberg

São formados a partir de mistura de coque de petróleo e piche.

Tal mistura é adicionada a um recipiente de aço com dimensões

aproximadas de 6-8 m de comprimento, por 2 m de largura e 1 m de

altura.

O calor proveniente do eletrólito e da corrente elétrica efetuam o

cozimento da mistura, à medida que esta vai se desenvolvendo no

interior do recipiente, de modo a permitir a contínua substituição do

anodo posicionado na base do recipiente.

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Alumínio

Catodos

O alumínio líquido depositado na porção inferior da cuba eletrolítica

corresponde ao catodo da cuba.

O contato é efetuado a partir de barras de ferro fixadas à camada de

carbono abaixo do alumínio líquido

Os blocos de carbono são produzidos, basicamente, a partir de

carvão do tipo antracito, que é calcinado a, aproximadamente,

1200°C, moído e misturado com piche, moldado na forma de um

bloco e, finalmente, cozido entre 600 °C e 800°C.

O consumo de catodo é de, aproximadamente, 0,02 a 0,04 kg de

catodo por kg de alumínio produzido.

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Alumínio

Alumínio

Refino do alumínio

O alumínio produzido pelo processo Hall-Héroult apresenta um grau

de pureza que varia de 99,5% a 99,9%.

As principais impurezas presentes são silício e ferro. Alumínio com

pureza superior a 99,99% é obtido a partir de processo de refino do

alumínio gerado através da redução eletrolítica.

Existem 2 tipos de processo de refino empregados industrialmente:

refino eletrolítico e processo de segregação.

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Alumínio

Refino eletrolítico.

Temperatura de banho : 740 °C a 1000 °C

Anodo : Al + 25-33% Cu (densidade maior)

Eletrodo : mistura de fluoreto de sódio com fluoreto de alumínio

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Processo de Segregação

Processo industrializado inicialmente pela empresa Pechiney, em

1975.

Pureza atingida : 99,98% a 99,99%

Existem 2 tipos de processos de segregação:

• Processo de cristalização fracionada

• Processo de solidificação direcionada

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Alumínio

Aspectos ambientais - Fluoretos

A quantidade de fluoretos emitidos das cubas eletrolíticas é da

ordem de 30 kg por tonelada de alumínio produzido (2,4 milhões de

toneladas de fluoretos emitidos, mundialmente, ao ano).

Fontes de fluoretos:

• Volatilização de AlF3 do eletrólito

• Reação do íon flúor com a umidade do ar, conduzindo à formação de HF

• Operação inadequada da cuba eletrolítica

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Alumínio

Aspectos ambientais - Fluoretos

Existem sistemas que permitem a recuperação dos fluoretos

emitidos, de maneira a possibilitar a redução no teor destes de uma

faixa de 400 mg/m3 para uma faixa de 0,5 mg/m3

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Alumínio

Aspectos ambientais – Grafite (catodo)

Após certo período de utilização, o grafite que atua como catodo da

cuba eletrolítica se deteriora e tem que ser substituído.

O resíduo resultante é perigoso, pois contém a presença de cianetos,

que são solúveis em água.

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Alumínio

Aspectos ambientais – Grafite (catodo)

Existem potenciais rotas para a utilização do resíduo proveniente dos

catodos:

• Recuperação e reutilização dos compostos de fluoretos e de carbono

presentes.

• Utilização como material fluxante na indústria do aço.

• Destruição dos cianetos em soluções submetidas a elevadas condições

de temperatura e pressão.

• Britagem, moagem e mistura com CaSO4 e posterior injeção em fornos,

para a formação de CaF2

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Alumínio

Aspectos ambientais – Drosses

Formadas na superfície do metal líquido, em contato com a

atmosfera. Aproximadamente 5% do metal líquido é perdido na forma

de drosses, sendo que, aproximadamente, 75% do Al contido nas

drosses estão na forma oxidada, na forma de gotículas.

A remoção do Al contido nas drosses é efetuado através de fusão

em fornos rotativos aquecidos a óleo ou a gás, empregando a adição

de sais que conduzem a maiores rendimentos de recuperação, tais

como NaCl e KCl.

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