Alumínio Dados Gerais Produção de Alumina - Processo Bayer Eletrólise da Alumina Processo Hall- Heroult

Transcrição

1 Dados Gerais Produção de Alumina - Processo Bayer Eletrólise da Alumina Processo Hall- Heroult

2 Etapas da metalurgia extrativa do alumínio :

3 Custos de produção de cada processo da metalurgia extrativa do alumínio

4 Processo de produção da alumina (Al 2 O 3 ) 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

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7 Propriedades da gibsita, boemita e diasporita

8 FLUXOGRAMA de PRODUÇÃO Miraí Moega Silo Britador Primário Alimentador de Sapatas Britador Secundário Alimentador de Sapatas Scrubber Peneira Primária Peneira Secundária Rejeito Pilha de Minério Beneficiado Barragem de Rejeito

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10 Composição típica da bauxita

11 Extração de alumina da bauxita : Processo Bayer Processo desenvolvido por Karl Josef Bayer, em 1892

12 Processo Bayer

13 Processo Bayer

14 Processo Bayer - Lixiviação da bauxita Tamanho média da bauxita após pré-tratamentos de britagem e de moagem : mesh Aproximadamente: 2 t bauxita = 1 t Al 2 O t lama vermelha = 0,5 t Al Reações típicas : Al(OH) 3 + OH - = [AlO(OH) 2 ] - + H 2 O AlOOH + OH - = [AlO(OH) 2 ] -

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

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

17 Processo Bayer - Lixiviação da bauxita Os parâmetros empregados na lixiviação estão associados aos minerais presentes na bauxita

18 Processo Bayer - Lixiviação da bauxita Distribuição das impurezas

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

20 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

21 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 Al 2 O H 2 O

22 Processo Hall - Héroult

23 Processo Hall - Héroult Eletrólito A criolita (Na 3 AlF 6 ) 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

24 Processo Hall - Héroult Eletrólito

25 Processo Hall - Héroult 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/AlF 3 NaF/AlF 3 Eficiência de corrente Volatilização do eletrólito NaF/AlF3 = 2 a 3 Temperatura de operação = 940 C a 980 C

26 Processo Hall - Héroult 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 AlF 3 Reduz o ponto de fusão da criolita Neutraliza a soda presente na alumina (0,6% Na2O), resultando em criolita MgF 2, LiF, NaF, LiF Reduz o ponto de fusão da criolita

27 Processo Hall - Héroult Efeito da corrente Valores de tensão e de corrente empregados: Tensão: 800V Corrente: a A 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

28 Processo Hall - Héroult 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 + AlF 3 2Al + AlF = 3AlF 2Al + 3CO 2 = Al 2 O 3 + 3CO Reação química entre o alumínio líquido e a superfície do catodo, formando carbeto de alumínio

29 Processo Hall - Héroult Consumo de energia por kg de alumínio produzido

30 Processo Hall - Héroult Anodos Cuba eletrolítica com anodos pré-cozidos

31 Processo Hall - Héroult Anodos Cuba eletrolítica com anodos Söderberg

32 Processo Hall - Héroult 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.

33 Processo Hall - Héroult 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.

34 Processo Hall - Héroult 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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36 Processo Hall - Héroult 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.

37 Processo Hall - Héroult Refino eletrolítico. Temperatura de banho : 740 C a 1000 C Anodo : Al % Cu (densidade maior) Eletrodo : mistura de fluoreto de sódio com fluoreto de alumínio

38 Processo Hall - Héroult Processo de Segregação Processo industrializado inicialmente pela empresa Pechiney, em Pureza atingida : 99,98% a 99,99% Existem 2 tipos de processos de segregação: Processo de cristalização fracionada Processo de solidificação direcionada

39 Processo Hall - Héroult 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 AlF 3 do eletrólito Reação do íon flúor com a umidade do ar, conduzindo à formação de HF Operação inadequada da cuba eletrolítica

40 Processo Hall - Héroult 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/m 3 para uma faixa de 0,5 mg/m 3

41 Processo Hall - Héroult 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.

42 Processo Hall - Héroult 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 CaSO 4 e posterior injeção em fornos, para a formação de CaF 2

43 Processo Hall - Héroult 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.