Fundição de alumínio - Aluminium smelting
A fundição de alumínio é o processo de extração do alumínio de seu óxido, alumina , geralmente pelo processo Hall-Héroult . A alumina é extraída do minério de bauxita pelo processo Bayer em uma refinaria de alumina .
Este é um processo eletrolítico , portanto, uma fundição de alumínio usa grandes quantidades de energia elétrica; as fundições tendem a estar localizadas perto de grandes usinas de energia, geralmente hidrelétricas , a fim de manter os custos baixos e reduzir a pegada de carbono geral . As fundições geralmente estão localizadas perto dos portos, já que muitas delas usam alumina importada.
Layout de uma fundição de alumínio
O processo de eletrólise Hall-Héroult é a principal rota de produção de alumínio primário. Uma célula eletrolítica é feita de uma concha de aço com uma série de revestimentos isolantes de materiais refratários. A célula consiste em uma concha externa de aço revestida de tijolos como um recipiente e suporte. Dentro da casca, os blocos catódicos são cimentados por pasta de compactação. O revestimento superior está em contato com o metal fundido e atua como cátodo. O eletrólito fundido é mantido em alta temperatura dentro da célula. O ânodo pré-cozido também é feito de carbono na forma de grandes blocos sinterizados suspensos no eletrólito. Um único eletrodo Soderberg ou vários blocos de carbono pré-cozidos são usados como ânodo, enquanto a formulação principal e as reações fundamentais que ocorrem em sua superfície são as mesmas.
Uma fundição de alumínio consiste em um grande número de células (potes) nas quais ocorre a eletrólise. Uma fundição típica contém de 300 a 720 potes, cada um produzindo cerca de uma tonelada de alumínio por dia, embora as maiores fundições propostas tenham até cinco vezes essa capacidade. A fundição é feita em lotes, com o metal de alumínio depositado no fundo dos potes e periodicamente sifonado. Particularmente na Austrália, essas fundições são usadas para controlar a demanda da rede elétrica e, como resultado, a energia é fornecida à fundição a um preço muito baixo. No entanto, a energia não deve ser interrompida por mais de 4–5 horas, uma vez que os potes devem ser consertados a um custo significativo se o metal líquido solidificar.
Princípio
O alumínio é produzido por redução eletrolítica do óxido de alumínio dissolvido na criolita fundida .
Ao mesmo tempo, o eletrodo de carbono é oxidado, inicialmente em monóxido de carbono
Embora a formação de monóxido de carbono (CO) seja termodinamicamente favorecida na temperatura de reação, a presença de sobretensão considerável (diferença entre potenciais reversíveis e de polarização) altera o equilíbrio termodinâmico e uma mistura de CO e CO
2é produzido. Assim, as reações globais idealizadas podem ser escritas como
Ao aumentar a densidade de corrente até 1 A / cm 2 , a proporção de CO
2 aumenta e o consumo de carbono diminui.
Como três elétrons são necessários para produzir cada átomo de alumínio, o processo consome uma grande quantidade de eletricidade. Por esse motivo, as fundições de alumínio estão localizadas perto de fontes de eletricidade de baixo custo, como hidrelétricas .
Componentes da célula
Eletrólito: O eletrólito é um banho fundido de criolita (Na 3 AlF 6 ) e alumina dissolvida. A criolita é um bom solvente para alumina com baixo ponto de fusão, viscosidade satisfatória e baixa pressão de vapor. Sua densidade também é menor que a do alumínio líquido (2 vs 2,3 g / cm 3 ), o que permite a separação natural do produto do sal no fundo da célula. A razão de criolita (NaF / AlF 3 ) na criolita pura é 3, com temperatura de fusão de 1010 ° C, e forma um eutético com 11% de alumina a 960 ° C. Em células industriais, a proporção de criolita é mantida entre 2 e 3 para diminuir sua temperatura de fusão para 940–980 ° C.
Cátodo: Os cátodos de carbono são essencialmente feitos de antracite, grafite e coque de petróleo, que são calcinados a cerca de 1200 ° C e triturados e peneirados antes de serem usados no fabrico do cátodo. Os agregados são misturados com piche de alcatrão de carvão, formados e cozidos. A pureza do carbono não é tão rigorosa quanto para o ânodo, porque a contaminação do metal do cátodo não é significativa. O cátodo de carbono deve ter resistência adequada, boa condutividade elétrica e alta resistência ao desgaste e à penetração de sódio. Os cátodos antracite têm maior resistência ao desgaste e fluência mais lenta com amplitude menor [15] do que os cátodos de coque de petróleo grafítico e grafitado. Em vez disso, cátodos densos com mais ordem grafítica têm maior condutividade elétrica, menor consumo de energia [14] e menor inchaço devido à penetração de sódio. O inchaço resulta na deterioração precoce e não uniforme dos blocos catódicos.
Ânodo: os ânodos de carbono têm uma situação específica na fundição de alumínio e, dependendo do tipo de ânodo, a fundição de alumínio é dividida em duas tecnologias diferentes; Ânodos “Soderberg” e “pré-cozidos”. Os ânodos também são feitos de coque de petróleo, misturado com piche de alcatrão de carvão, seguido de formação e cozimento em temperaturas elevadas. A qualidade do ânodo afeta os aspectos tecnológicos, econômicos e ambientais da produção de alumínio. A eficiência energética está relacionada à natureza dos materiais do ânodo, bem como à porosidade dos ânodos cozidos. Cerca de 10% da energia da célula é consumida para superar a resistência elétrica do ânodo pré-cozido (50–60 μΩm). O carbono é consumido mais do que o valor teórico devido à baixa eficiência de corrente e ao consumo não eletrolítico. A qualidade não homogênea do ânodo devido à variação nas matérias-primas e parâmetros de produção também afeta seu desempenho e a estabilidade celular.
Os ânodos de carbono consumíveis pré-cozidos são divididos em tipos grafitados e de coque. Para a fabricação dos ânodos grafitados, a antracita e o coque de petróleo são calcinados e classificados. Eles são então misturados com piche de alcatrão de carvão e prensados. O ânodo verde pressionado é então cozido a 1200 ° C e grafitado. Os ânodos de coque são feitos de coque de petróleo calcinado, pontas de ânodo recicladas e piche de alcatrão de carvão (aglutinante). Os ânodos são fabricados pela mistura de agregados com piche de alcatrão de carvão para formar uma pasta com consistência pastosa. Este material é mais frequentemente compactado com vibração, mas em algumas plantas prensado. O ânodo verde é então sinterizado a 1100–1200 ° C por 300–400 horas, sem grafitização, para aumentar sua resistência por meio da decomposição e carbonização do aglutinante. As temperaturas de cozimento mais altas aumentam as propriedades mecânicas e a condutividade térmica e diminuem a reatividade do ar e do CO 2 . A resistência elétrica específica dos ânodos do tipo coque é maior do que a dos grafitados, mas apresentam maior resistência à compressão e menor porosidade.
Os eletrodos Soderberg (cozimento in situ), usados pela primeira vez em 1923 na Noruega, são compostos por uma casca de aço e uma massa carbonosa que é cozida pelo calor que sai da célula de eletrólise. Materiais à base de carbono da Soderberg, como coque e antracita, são triturados, tratados termicamente e classificados. Esses agregados são misturados com piche ou óleo como aglutinante, briquetados e carregados na casca. A temperatura aumenta da base para o topo da coluna e o cozimento in situ ocorre quando o ânodo é baixado para o banho. Uma quantidade significativa de hidrocarbonetos é emitida durante o cozimento, o que é uma desvantagem deste tipo de eletrodos. A maioria das fundições modernas usa ânodos pré-cozidos, uma vez que o controle do processo é mais fácil e uma eficiência de energia ligeiramente melhor é alcançada, em comparação com os ânodos de Soderberg.
Questões ambientais de fundições de alumínio
O processo produz uma quantidade de resíduos de fluoreto : perfluorocarbonos e fluoreto de hidrogênio como gases, e fluoretos de sódio e alumínio e criolita não utilizada como partículas. Isso pode ser tão pequeno quanto 0,5 kg por tonelada de alumínio nas melhores fábricas em 2007, até 4 kg por tonelada de alumínio em projetos mais antigos em 1974. A menos que cuidadosamente controlados, os fluoretos de hidrogênio tendem a ser muito tóxicos para a vegetação ao redor das fábricas. Os gases perfluorcarbonetos são gases de efeito estufa fortes com uma longa vida.
O processo Soderberg que coze a mistura de antracito / piche à medida que o ânodo é consumido, produz emissões significativas de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos conforme o piche é consumido na fundição.
Os forros dos potes acabam contaminados com materiais formadores de cianeto; A Alcoa possui um processo de conversão de revestimentos usados em fluoreto de alumínio para reutilização e areia sintética utilizável para fins de construção e resíduos inertes.
Uso de energia
A fundição de alumínio consome muita energia e, em alguns países, só é econômica se houver fontes de eletricidade baratas. Em alguns países, as fundições recebem isenções à política energética, como metas de energia renovável .
Exemplo de fundições de alumínio
- Alcan Lynemouth Aluminium Smelter , alimentado pela Central Elétrica de Lynemouth a carvão , no Nordeste da Inglaterra
- Anglesey Aluminium , alimentado por usina nuclear Wylfa no noroeste do País de Gales (desativado em 30/09/09)
- A fundição de alumínio Valco em Gana , movida pelo Projeto Hidrelétrico Akosombo
- Fjarðaál na Islândia , alimentado pela Usina Hidrelétrica Kárahnjúkar
- Jharsuguda em Orissa, Índia , será alimentada por sua própria usina a carvão de 1.215 megawatts (1.629.000 hp).
- Aluminerie Alouette em Sept-Îles , Québec.
- Alba Smelter no Bahrein , alimentado por suas próprias quatro usinas com uma capacidade de geração total de 2.265 megawatts (3.037.000 HP).
Veja também
- Lista de fundições de alumínio
- Lista de refinarias de alumina
- Fundição de chumbo
- Poder nuclear
- Fundição de zinco
- Processo Hall-Héroult de óxido sólido