ICTR 2004 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina

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1 ICTR 2004 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina RECICLAGEM DE LATAS DE ALUMÍNIO VISANDO A OBTENÇÃO DE MATÉRIAS PRIMAS COM QUALIDADE PARA APLICAÇÃO EM PROCESSOS METALÚRGICOS DE FABRICAÇÃO Guilherme Ourique Verran Udo Kurzawa Wagner Arcaro Pescador PRÓXIMA Realização: ICTR Instituto de Ciência e Tecnologia em Resíduos e Desenvolvimento Sustentável NISAM - USP Núcleo de Informações em Saúde Ambiental da USP

2 RECICLAGEM DE LATAS DE ALUMÍNIO VISANDO A OBTENÇÃO DE MATÉRIAS PRIMAS COM QUALIDADE PARA APLICAÇÃO EM PROCESSOS METALÚRGICOS DE FABRICAÇÃO Guilherme Ourique Verran 2, Udo Kurzawa 3, Wagner Arcaro Pescador 4 Resumo: O emprego do alumínio na fabricação de embalagens para bebidas e a sua reciclagem visando à reutilização deste alumínio como matéria-prima na indústria metalúrgica é atualmente uma atividade econômica que conta com a atuação de diversos setores da sociedade. Este artigo descreve um estudo experimental envolvendo os procedimentos utilizados para a recuperação deste alumínio, analisando a influência dos parâmetros de processamento sobre o rendimento obtido, definido aqui como a relação entre as quantidades de alumínio obtido a partir da reciclagem destas latas e a utilizada na sua fabricação, e avaliando a qualidade metalúrgica deste alumínio. A metodologia utilizada envolveu, a prensagem das latas de alumínio em pacotes, a fusão do material para separação entre as partes metálicas e não metálicas que constituem a lata, vazamento do metal líquido em moldes adequados e a caracterização do metal obtido. Na fusão foram avaliadas as influências da temperatura e do tempo de fusão sobre a eficiência do procedimento de reciclagem e a utilização de fluxos para tratamento do metal líquido. A qualidade metalúrgica foi determinada através de análises químicas e de observações na macroestrutura dos lingotes fundidos. Os resultados obtidos indicam que houve um acréscimo de onze pontos percentuais no rendimento de alumínio recuperado em relação à média das fundições e o metal recuperado apresenta uma boa qualidade metalúrgica, podendo ser reintroduzido no ciclo produtivo mediante pequenos ajustes na sua composição química. Palavras-chave: alumínio, latas, reciclagem, fundição. 2 Dr. Eng. Met. Prof. do DEM/PGCEM/UDESC gverran@joinville.udesc.br 3 Eng. Químico Mestrando do PGCEM/UDESC udok@terra.com.br 4 Acad. Eng. Mec. Bolsista PIBIC/CNPq wapescador@yahoo.com.br 4291

3 INTRODUÇÃO O processo de reciclagem de alumínio a partir da refusão de latas de bebidas descartadas é uma atividade que vem apresentando um crescimento significativo em função do avanço na utilização desde tipo de embalagens e da redução dos custos de consumo de energia relacionados com esta reciclagem em comparação com a produção de alumínio primário, onde se utiliza um processo de refino eletrolítico que envolve um elevado consumo de energia. A economia de energia associada com a reciclagem de 1Kg de alumínio representa uma redução no consumo de energia elétrica da ordem de 95% com relação à produção da mesma quantidade de alumínio primário, (...) cerca de GWh/ano, o que equivale a 0,5% de toda a energia gerada pelo País, suficiente para abastecer uma cidade como Campinas SP, de um milhão de habitantes(...) 5. Desta forma qualquer incremento no rendimento do processo de recuperação do alumínio, por menor que seja, pode representar um ganho econômico significativo para as empresas que trabalham com a refusão destas latas visando à obtenção de alumínio em lingotes. Outro aspecto importante é o que está relacionada com a qualidade do alumínio obtido a partir da refusão das latas, a grande maioria das empresas não realizam um controle de qualidade rigoroso do material produzido, o que pode levar a uma série de problemas a medida que este material seja reintroduzido na cadeia produtiva, envolvendo conseqüências como o comprometimento da composição química e do desempenho das peças obtidas usando este material, sem contar o fato de que a falta de controle sobre a composição química e a presença de óxidos pode ter um efeito danoso para as indústrias que trabalham com a reciclagem de alumínio. Segundo a Associação Brasileira do Alumínio o Brasil desde 2001 detém a liderança mundial na reciclagem de latas de alumínio, com índices de 85% em 2001, 87% em 2002 e 89% em , o que representa um volume de 121,1 mil toneladas sobre o total de latas consumidas 7. O gráfico da Figura 01 mostra a evolução da reciclagem de latas de alumínio a nível mundial desde Figura 01: Evolução na reciclagem de latas de alumínio nos países com maiores índices de reciclagem. 5 VOGEL, C., Brasil recicla 89% das latas. ANotícia, Florianópolis, mar ABAL, Acesso ABAL, Acesso

4 A importância da reciclagem está fundamentada no aumento crescente do consumo de latas de alumínio, (...) promovendo atividades de trabalho e renda (aproximadamente R$ 850 milhões/ano), economia de energia, criação de novos mercados, conscientização ambiental e inclusão social 8. O alumínio possui uma grande importância industrial, pois (...)é um metal leve (densidade = 2,7g/cm 3, ou seja, um terço da densidade do aço), com baixo ponto de fusão (660 0 C), com elevada resistência específica, principalmente na forma de ligas, além de outras propriedades como longa vida útil, resistência à corrosão, excelente condutor térmico e elétrico, boas propriedades refletivas e totalmente reciclável 9. Este trabalho mostra parte dos resultados de um estudo experimental sobre a reciclagem do alumínio utilizado na fabricação de embalagens de bebidas, usando um forno elétrico a indução para a fusão das latas de alumínio, observando-se (...) a força motriz relacionada com a tentativa do fundido entrar em equilíbrio com o meio que o cerca (...) 10 através de posterior análise química. Foram avaliados alguns dos parâmetros utilizados no processo de refusão destes materiais com o objetivo de obter os melhores rendimentos possíveis em termos da quantidade de alumínio recuperado, bem como se preocupando com a qualidade deste alumínio afim de que o mesmo possa ser reutilizado para aplicações mais nobres sem o comprometimento dos produtos obtidos a partir da sua reutilização. METODOLOGIA EXPERIMENTAL Para realização das experiências de fusão de latas de alumínio descartadas após sua utilização foi elaborado um planejamento experimental que envolveu as seguintes etapas: 1. Definição das condições de acondicionamento da carga (latas de Al) no forno para fusão: quanto a este aspecto foram utilizadas duas condições experimentais, tendo sido fundidas latas soltas somente amassadas para sua colocação no cadinho do forno e latas na forma de pacotes conforme mostra a Figura 02. Para obtenção dos pacotes foi projetada e construída uma matriz de compactação, de modo a permitir a obtenção de pacotes de latas com uma geometria muito à cavidade do cadinho, possibilitando desta forma um melhor acondicionamento da carga no mesmo. Adicionalmente o uso de uma carga mais compacta permite uma melhor eficiência na fusão, uma vez que numa carga mais compacta existe uma menor relação superfície/volume, e conseqüentemente, uma menor tendência à ocorrência de perdas por oxidação. Figura 02: Pacote contendo 50 latas de alumínio com o formato semelhante ao cadinho do forno. 8 ABAL, Acesso PERRY, H. R., Manual de engenharia química, CAMPBELL, J., Castings: Metal ractions, p. 1-25,

5 2. Definição dos parâmetros de fusão: temperatura máxima do metal após a fusão, tempo de manutenção no estado líquido e utilização de fluxos para melhorar a separação entre o metal líquido e as escórias formadas. Foram inicialmente realizadas diversas corridas nas quais estes parâmetros foram variados aleatoriamente, para posteriormente definir os parâmetros a serem utilizados no restante dos experimentos. A fusão foi realizada em um Forno de Indução com potência de 40Kw usando um cadinho de grafite com capacidade para fundir até 1,3Kg de alumínio por corrida, foram utilizadas potências da ordem de 5 a 6 Kw o que resultou em tempos totais de fusão de aproximadamente 10 minutos. Após a fusão total do material carregado foi realizado o procedimento de separação e retirada da escória e vazado o alumínio obtido em moldes adequados para obtenção dos corpos de prova para análise química, conforme mostra esquematicamente a Figura 03, e em moldes com cavidades tronco cônicas (diâmetro superior = 40mm, diâmetro inferior = 35mm e altura = 80mm) para análises metalográficas e outras futuras avaliações. Corpo de Prova Figura 03: Representação esquemática do molde para obtenção dos corpos de prova para análise química. Os corpos de prova para análise química foram usinados em uma superfície e submetidos a análises químicas via Espectroscopia de Emissão Óptica usando um Espectrômetro Shimadzu OES 5500 II, tendo sido feitas entre 03 a 05 medições para cada condição experimental testada. A Figura 04 apresenta as superfícies de duas amostras submetidas a análise química, mostrando a marca da queima resultante da descarga elétrica efetuada pela equipamento durante cada medição realizada. (a) 03 medições. (b) 05 medições. Figura 04: Amostras mostrando as marcas das medições realizadas usando espectroscopia de emissão ótica. 4294

6 A Tabela I apresenta o programa de experiências realizadas, indicando os parâmetros variados em cada corrida experimental. Tabela I: Quadro demonstrativo dos parâmetros utilizados nas diferentes corridas realizadas. Número da Corrida Condição da Carga Composição da Carga Fluxo Escorificador (%) Temperatura Máxima ( 0 C) 01 Solta Corpo + Tampa não 02 Solta Corpo + Tampa não 03 Solta Corpo + Tampa 1% 04 Solta Corpo + Tampa 1% 05 Pacote Corpo + Tampa 1% 06 Pacote Corpo + Tampa 1% 07 Pacote Corpo + Tampa 1% Pacote Corpo + Tampa 10% Pacote Corpo + Tampa 10% Pacote Corpo + Tampa + Selo 10% Pacote Corpo + Tampa + Selo 10% Pacote Corpo + Tampa + Selo 10% Pacote Corpo + Tampa + Selo 10% Pacote Corpo + Tampa + Selo 10% Pacote Corpo + Tampa + Selo 10% Pacote Corpo + Tampa + Selo 10% Pacote Corpo + Tampa + Selo 10% Pacote Corpo + Tampa + Selo 10% 750 As latas são fabricadas a partir de três diferentes partes, corpo (liga 3004), tampa (liga 5182) e selo (liga 5082). A Tabela II apresenta as composições químicas destas ligas de acordo com a ASTM (American Society for Testing Metals). Tabela II: Composições químicas das ligas utilizadas na fabricação das latas de alumínio. Componente (liga) Si Fe Cu Mn Mg Zn Cr Ti Outros (cada) Outros (total) Corpo (ASTM3004) 0,3 0,7 0,25 1,0-1,5 0,8-1,3 0, ,05 0,15 Tampa (ASTM5182) 0,2 0,35 0,15 0,2-0,5 4,0-5,0 0,25 0,10 0,10 0,05 0,15 Selo (ASTM5082) 0,2 0,35 0,15 0,25-0,4 3,3-4,0 0,25 0,15 0,10 0,05 0,15 Os valores apresentados indicam as porcentagens máximas admissíveis como impurezas, com exceção das indicadas por faixas (que representam os elementos de liga). Com o objetivo de conhecer a composição química aproximada do material de partida efetuou-se um procedimento de cálculo usando-se o percentual em peso de cada um destes componentes no peso de uma lata e suas respectivas composições químicas, considerando apenas os elementos principais de liga Mn e Mg. Isto permitiu uma melhor avaliação das variações químicas ocorridas durante o processo de reciclagem. A Tabela III mostra os resultados obtidos usando os valores médios obtidos a partir da pesagem de quatro lotes de quarenta latas. 4295

7 Tabela III: Composições químicas aproximadas das cargas iniciais. Tipo de Carga Mn (% em peso) Mg (% em peso) Corpo +Tampa + Selo 1,04 1,78 Corpo + Tampa 1,05 1,74 O rendimento do processo foi calculado através da relação entre o peso em lingotes de alumínio obtido a cada corrida experimental e o peso total da carga adicionada ao forno para fusão, considerando-se aqui como peso total da carga a lata recoberta com tinta e verniz. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados obtidos na determinação do rendimento na fusão nas diferentes corridas experimentais realizadas são mostrados na Tabela IV. Tabela IV: Rendimento obtido nas diferentes corridas experimentais realizadas. Número da Corrida Peso Inicial da carga (g) Peso em Alumínio (g) Peso do Fluxo (g) Peso do Resíduo + Perdas (g) Rendimento (%) ,49 476,25 0,00 252,24 65, ,47 498,50 0,00 229,97 68, ,31 516,17 7,40 225,14 69, ,26 499,35 7,67 297,61 65, ,88 436,61 6,40 204,27 68, ,14 451,04 6,40 189,10 70, ,01 411,00 6,46 235,01 63, ,05 432,24 64,10 208,81 67, ,45 477,47 63,94 161,98 74, ,30 515,77 65,73 193,99 78, ,97 526,13 64,79 178,51 79, ,81 552,11 65,08 152,77 84, ,10 478,84 65,41 214,58 73, ,86 497,73 63,78 188,58 78, ,89 480,48 63,98 214,76 75, ,78 507,50 64,07 184,91 79, ,75 483,54 63,77 208,62 75, ,50 426,61 64,05 258,02 66,61 Média ,45 DesvPad ,11 Corrida 12 Houve um aumento do rendimento em função de posterior refusão. Corrida 18 Rendimento aquém do esperado em função de fluxo inadequado. Os valores de rendimento apresentados na tabela acima indicam a ocorrência de um excelente rendimento na reciclagem de alumínio usando a fusão em forno elétrico a indução, rendimento este muito superior aos valores médios obtidos pelas indústrias que trabalham com reciclagem de latas de alumínio usando processos de fusão em fornos com queima de combustíveis. De acordo com informações obtidas junto a algumas empresas que trabalham com reciclagem de latas de alumínio os rendimentos máximos obtidos usando fornos a óleo são da ordem de 60% e em forno a carvão ou gás são da ordem de 55%. Outra vantagem associada à utilização de fusão em forno elétrico a indução é a redução na emissão de gases resultantes da queima de combustíveis e dos seus impactos sobre a atmosfera. 4296

8 A análise dos rendimentos obtidos em função de variações nos parâmetros de fusão indica a ocorrência de melhores rendimentos quando se utilizou 10% em peso de fluxo escorificante e temperaturas máximas do metal líquido em torno de 780 ºC a 800 ºC. O gráfico da Figura 05 apresenta os valores de rendimento em função do uso ou não de fluxo e da variação na quantidade de fluxo utilizado, o que permite uma melhor visualização do efeito destas variáveis sobre o rendimento obtido. 90 Rendimento (%) Solta s/fluxo Solta -1% Fluxo Pacote - 1% Fluxo Pacote - 10% Fluxo Figura 05: Valores médios dos rendimentos obitidos na fusão de latas em função dos parâmetros testados. Os corpos de prova obtidos das 18 corridas da Tabela I foram submetidos à análise química por Espectroscopia de Emissão Óptica num Espectrômetro Shimadzu OES 5500 II, os resultados obtidos são mostrados na Tabela IV. Tabela V: Composição química dos corpos de prova. Amostra Si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Zn Ti V Pb Sn Al% 1 0,14 0,35 0,11 0,74 0,57 0,02 0,01 0,03 0,03 0,01 0,01 0,003 97,97 2 0,14 0,35 0,11 0,73 0,62 0,02 0,01 0,02 0,02 0,01 0,01 0,002 97,96 3 0,14 0,35 0,11 0,73 0,60 0,02 0,01 0,03 0,02 0,01 0,01 0,003 97,96 4 0,15 0,37 0,12 0,73 0,63 0,02 0,01 0,03 0,02 0,01 0,01 0,005 97,88 5 0,14 0,34 0,11 0,73 0,61 0,01 0,01 0,03 0,01 0,01 0,01 0,003 97,96 6 0,15 0,37 0,12 0,74 0,66 0,02 0,01 0,03 0,02 0,01 0,01 0,003 97,86 7 0,14 0,36 0,11 0,75 0,60 0,02 0,01 0,03 0,02 0,01 0,01 0,003 97,94 8 0,15 0,36 0,11 0,73 0,71 0,02 0,01 0,03 0,02 0,01 0,01 0,003 97,84 9 0,14 0,35 0,11 0,73 0,63 0,02 0,01 0,02 0,03 0,01 0,01 0,002 97, ,15 0,37 0,12 0,72 0,64 0,02 0,01 0,03 0,02 0,01 0,02 0,007 97, ,14 0,34 0,11 0,72 0,67 0,02 0,01 0,03 0,02 0,01 0,01 0,004 97, ,15 0,36 0,12 0,73 0,61 0,02 0,01 0,03 0,02 0,01 0,01 0,004 97, ,15 0,38 0,12 0,71 0,68 0,02 0,01 0,04 0,02 0,01 0,02 0,007 97, ,14 0,34 0,11 0,75 0,47 0,02 0,01 0,02 0,02 0,01 0,01 0,001 98, ,14 0,34 0,11 0,73 0,67 0,02 0,01 0,03 0,02 0,01 0,01 0,002 97, ,15 0,37 0,11 0,74 0,59 0,02 0,01 0,03 0,03 0,01 0,01 0,003 97, ,15 0,37 0,11 0,73 0,69 0,02 0,01 0,03 0,02 0,01 0,01 0,003 97, ,15 0,37 0,12 0,74 0,62 0,02 0,01 0,03 0,03 0,01 0,01 0,003 97,87 A mostras A Latas sem anel Amostras B Latas inteiras. Comparando-se os valores apresentados nas Tabelas III e V, observa-se que o alumínio reciclado apresenta uma composição química muito daquela 4297

9 prevista como composição inicial da carga, sendo que os percentuais do elemento manganês apresentam pequenas variações entre as diferentes corridas experimentais realizadas e em média uma redução muito pequena com relação à composição inicial. Para o elemento magnésio ocorreram maiores variações com relação à composição inicial, o que pode ser explicado pelo fato de que o magnésio é um elemento químico extremamente reativo com o oxigênio e sua perda durante operações de fusão e refusão de ligas metálicas é bastante comum e de difícil controle. Quanto aos outros elementos que aparecem na forma de impurezas pode-se afirmar que os valores encontrados estão dentro dos limites permitidos em todas as normas que definem especificação de composição química para ligas de alumínio trabalháveis. Elementos como Ni, Pb, Sn, V e Cr, que poderiam ser incorporados ao metal através das resinas utilizadas na confecção dos rótulos das embalagens, não apresentaram variações significativas nas análises realizadas, o que se constitui em mais um indicativo da vantagem de se utilizar a fusão em forno elétrico a indução para a reciclagem de latas de alumínio. O gráfico da Figura 06 mostra os teores de manganês e magnésio obtidos nas diferentes corridas experimentais realizadas. 1,2 1 % do peso 0,8 0,6 0,4 %Mn %Mg 0, Corridas Figura 06: Variações nos teores de manganês e magnésio no alumínio obtido a partir da reciclagem de latas. CONCLUSÃO De acordo com os resultados obtidos, pode-se concluir que o uso da fusão em forno elétrico a indução permite a obtenção de melhores rendimentos na reciclagem de latas de alumínio em comparação com o método usado convencionalmente pelas empresas que trabalham com este tipo de atividade. O uso de fluxos escorificantes em teores da ordem 10% com relação ao peso da carga inicial permitiu a obtenção de melhoras significativas neste rendimento. Quanto a qualidade metalúrgica do alumínio obtido por reciclagem em forno elétrico a indução conclui-se que as composições químicas obtidas permitem qualificar este alumínio como uma matéria prima com qualidade metalúrgica aceitável, podendo o mesmo ser reintroduzido na cadeia produtiva sem causar 4298

10 maiores problemas de contaminações que possam gerar defeitos e redução no desempenho mecânico das ligas fabricadas a partir deste alumínio reciclado. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a Universidade do Estado de Santa Catarina UDESC pelo apoio financeiro através do Programa de Apoio à Pesquisa e ao programa PIBIC-CNPq pela bolsa concedida. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABAL: Associação Brasileira do Alumínio, < Acesso em ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, Normas para apresentação de trabalhos acadêmicos. NBR CAMPBELL, J., Castings: Metal ractions. Birmingham: Butterworth Heinemann, Cap. 1, p CAMPOS FILHO, M. P. e GRAEME, J. D., Solidificação e fundição de metais e suas ligas. São Paulo: EDUSP, CARVALHO, Berenice Ap., (alumínio@abal.org.br). (2004/05/24). Informações sobre reciclagem de latas de alumínio. to: Udo Kurzawa (udok@terra.com.br). EAA: The European Aluminium Association, < Acesso em FUNDIÇÃO SANTA BÁRBARA. (sbarbara@terra.com.br). (2004/05/18). Informações sobre rendimento na reciclagem de latas de alumínio. to: Udo Kurzawa (udok@terra.com.br). Periódico: Alumínio para futuras gerações < Acesso em PERRY, H. R., Manual de engenharia química. 5a ed., Rio de Janeiro, Guanabara Dois, RUSSEL, B. J., Química geral. São Paulo: McGraw-Hill, SANT ANNA, J. P., Processo limpo. Metalurgia & Materiais, São Paulo, p , out TOMRA/LACTASA. < Acesso em VOGEL, C., Brasil recicla 89% das latas. ANotícia, Florianópolis, mar WORLD-ALUMINIUM: The International Aluminium Institute, < Acesso em

11 RECYCLING OF ALUMINUM CANS AIMING AT OBTAINING QUALITY RAWS MATERIALS FOR METALLURGICAL PROCESS ABSTRACT Use of aluminium to manufacture drink containers and its recycling aiming at reusing the aluminium as raw material for metallurgic industries has been an economic activity which has involved several society sectors. This paper describes an experimental study of the procedures for aluminium recovery based on the analysis of the effect of the processing parameters on efficiency of the recovered aluminium, defined here as a relation between the recovered and original amount of aluminium, and assessment of its metallurgical quality. The methodology involves the pressing of aluminium cans in "packages", melting and separation of metallic and non-metallic parts, pouring of the molten metal in dies and characterisation of the final product. During the melting phase, it was assessed the influence of the temperature and melting time on the efficiency of the recycling procedure and the use of flows to treat the melt. The metallurgical quality was assessed by chemical analysis using optical emission spectroscopy.the results indicate an increase of the efficiency of the recovered aluminium, presenting good metallurgical quality, able to be reintroduced in the productive cycle by means of small adjustments in its chemical composition. Key-words: aluminum, cans, recycling, casting. 4300