UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS – PGCEM

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E

ENGENHARIA DE MATERIAIS – PGCEM

Formação: Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR

Udo Kurzawa

ESTUDO DA RECICLAGEM DE LATAS DE ALUMÍNIO POR FUSÃO EM FORNO ELÉTRICO À INDUÇÃO

Apresentada em 21 / 07 / 2006 Perante a Banca Examinadora:

Dr. Guilherme Ourique Verran – Presidente (UDESC) Dra. Andréa Moura Bernardes (UFRGS)

Dr. César Edil da Costa (UDESC)

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS – PGCEM

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

Mestrando: UDO KURZAWA – Engenheiro Químico

Orientador: Prof. Dr. GUILHERME OURIQUE VERRAN

CCT/UDESC – JOINVILLE

ESTUDO DA RECICLAGEM DE LATAS DE ALUMÍNIO POR FUSÃO EM FORNO ELÉTRICO À INDUÇÃO

DISSERTAÇÃO APRESENTADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA, CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS, ORIENTADA PELO PROF. DR. GUILHERME OURIQUE VERRAN

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FICHA CATALOGRÁFICA NOME: KURZAWA, UDO

DATA DA DEFESA: 21/07/2006 LOCAL: Joinville, CCT/UDESC

NÍVEL: Mestrado Número de ordem: 58 – CCT/UDESC FORMAÇÃO: Ciência e Engenharia de Materiais

ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: Metais

TÍTULO: Estudo da Reciclagem de Latas de Alumínio por Fusão em Forno Elétrico à Indução

PALAVRAS – CHAVE: Alumínio, Latas de alumínio, Reciclagem, Fundição NÚMERO DE PÁGINAS: xvii, 57p.

CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC PROGRAMA: Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PGCEM CADASTRO NO CAPES: 4100201001P – 9

ORIENTADOR: Dr. Guilherme Ourique Verran

PRESIDENTE DA BANCA: Dr. Guilherme Ourique Verran

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vii AGRADECIMENTOS

• Ao Professor Dr. Guilherme Ourique Verran pelas aulas de CMA e na área de fundição que despertaram o senso científico, pela sua brilhante orientação, sua cobrança por resultados ainda mais produtivos e por sua compreensão de um verdadeiro amigo nos momentos difíceis no andamento do presente trabalho.

• À Professora Dra. Andréa Moura Bernardes da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, pela participação na Banca Examinadora desta dissertação.

• Ao atual Coordenador do Curso de Mestrado Professor Dr. César Edil da Costa pelas aulas, análises térmicas realizadas, pela participação na Banca Examinadora e principalmente por mostrar a importância de toda e qualquer anotação e observação realizada durante a pesquisa.

• À Professora Dra. Marilena Valadares Folgueras, pela participação na Banca Examinadora, aulas ministradas e análises realizadas em MEV e difração de raios-X.

• Ao Professor Dr. Sergio Henrique Pezzim por estar sempre disposto a cooperar em afastar as dúvidas e preocupações dos mestrandos.

• Ao Professor Dr. Luiz Veriano Oliveira Dalla Valentina, pela forma cordial com que trata a todos os mestrandos e por consentir nossa participação no projeto de pesquisa do então mestrando Luciano Senff e na atual colaboração na pesquisa da mestranda Luciana Faganello.

• Ao Professor Dr. Enori Gemelli, Coordenador do Curso de Mestrado quando de nossa admissão, pelas aulas e por sempre ser prestativo com os mestrandos.

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viii • Ao Professor Dr. Milton Procópio de Borba, pelas fantásticas aulas de MME,

proporcionando aos mestrandos ferramentas indispensáveis à elaboração das pesquisas.

• Aos demais professores que se aqui não foram citados, mas que de alguma forma colaboraram para o efetivo sucesso da pesquisa.

• À Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC e ao programa de pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PGCEM, pela oportunidade da realização da presente pesquisa.

• Ao Centro de Ciências Tecnológicas e ao Departamento de Engenharia Mecânica – CCT / DEM, pela infra-estrutura oferecida.

• A MIANO’S Produtos para Fundição, que gentilmente nos forneceu o fluxo escorificante Coveral 11.

• Às empresas Fundição Carvalho, Fundição Santa Bárbara, Tomra / Lactasa e Novelis, por permitirem a divulgação sobre dados de rendimentos médios obtidos na reciclagem de latas de alumino.

• Ao Sr. Gilmar Cordeiro da FOSECO, pela entrevista onde revelou dados relevantes para o desenvolvimento de futuras pesquisas.

• Aos meus pais, Otto Walter Kurzawa e Erica Kurzawa, pelo apoio moral e afetivo em todos os momentos da pesquisa.

• A todos os amigos, fora e dentro do mestrado que ingressaram em 2002 e que foram determinantes durante toda a fase inicial do trabalho.

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“Não há teorias eternas em ciência. Sempre acontece que alguns dos fatos previstos pela teoria são desaprovados pela experiência. Toda teoria tem o seu período de desenvolvimento gradativo e triunfo, após o qual poderá sofrer rápido declínio. Quase todo avanço da ciência surge de uma crise da velha teoria, através de um esforço para encontrar uma saída das dificuldades criadas. Devemos examinar as velhas idéias, as velhas teorias, embora pertençam ao passado, pois este é o único meio de compreender a importância das idéias e teorias novas, bem como a extensão

de sua legitimidade.”

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x SUMÁRIO

INTRODUÇÃO... 01

1. ABORDAGENS GERAIS SOBRE O ALUMÍNIO... 03

1.1. História do Alumínio... 03

1.2. Bauxita – Minério do Qual é Extraído o Alumínio... 04

1.3. Processos Para a Obtenção de Alumínio... 05

1.4. Propriedades Físicas e Químicas do Alumínio... 07

1.5. Produtos da Indústria de Alumínio Primário... 08

1.6. Números da Indústria de Alumínio... 09

1.7. Balança Comercial da Indústria Brasileira de Alumínio... 09

2. A INDÚSTRIA DAS LATAS DE ALUMÍNIO... 11

2.1. História da Lata... 11

2.2. Indústrias de Latas de Alumínio no Brasil... 11

2.2.1. Estrutura da Lata de Alumínio... 13

2.2.2. Produção de Latinhas com Laminados de Alumínio... 14

2.2.3. Ligas que Compõem as Latas de Alumínio... 16

3. RECICLAGEM DO ALUMÍNIO... 17

3.1. Reciclagem das Latas de Alumínio... 18

3.1.1. Processo de Reciclagem das Latas de Al... 19

3.1.2. O Ciclo da Reciclagem... 19

3.1.3. Importância da Reciclagem das Latas de Al... 20

4. ESTUDO E DEFINIÇÃO DOS PARÂMETROS DE INFLUÊNCIA NA REFUSÃO DE LATAS DE ALUMÍNIO... 23

4.1. Interações Gasosas na Fusão dos Metais... 23

4.1.1. Equilíbrio Químico... 23

4.1.2. Energia Livre de Gibbs (G)... 23

4.1.3. Influência da Concentração no Equilíbrio Químico... 24

4.1.4. Constante de Equilíbrio em Função das Pressões Parciais... 24

4.1.5. Influência da Temperatura Sobre o Equilíbrio Químico... 26

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4.1.7. Influência dos Fluxos Escorificantes... 28

4.1.8. Influência do Tipo de Forno Para a Refusão de Latas de Al... 30

5. MÉTODOS EXPERIMENTAIS... 33

5.1. Forno Elétrico a Indução... 33

5.2. Acondicionamento da Carga... 34

5.3. Definição dos Parâmetros de Fusão... 35

5.3.1. Definição das Temperaturas de Trabalho... 35

5.3.2. Tempo Total de Fusão... 35

5.4. Moldes Para a Obtenção dos Corpos de Prova... 36

5.5. Programa de Experiências Realizadas... 37

5.5.1. Primeira Fase da Pesquisa... 38

5.5.2. Segunda Fase da Pesquisa... 38

5.5.3. Terceira Fase da Pesquisa... 39

6. RESULTADOS E DISCUSSÕES... 41

6.1. Resultados da Primeira Fase Experimental... 41

6.2. Resultados da Segunda Fase Experimental... 45

6.3. Resultados da Terceira Fase Experimental... 46

7. CONCLUSÕES GERAIS... 52

8. TRABALHOS FUTUROS... 53

8.1. Atmosfera Inerte... 53

8.2. Transformação Química das Drosses em Sais Duplos de Alumínio e Potássio... 53

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xii LISTA DE FIGURAS

Figuras Páginas

1.1: Minério de bauxita, principal fonte de alumínio... 04

1.2: Esquema de mineração, beneficiamento e transformação da bauxita em alumínio... 05

1.3: Esquema de redução da alumina em banho de criolita para obtenção de alumínio primário... 06

1.4: Representa o consumo de alumínio primário por setor no Brasil... 10

2.1: Infograma da localização das principais indústrias produtoras de latinhas e a concentração das recicladoras... 12

2.2: Representa a capacidade de produção instalada e produção atual das três empresas... 12

2.3: Mostra detalhes da estrutura da latinha de alumínio... 13

2.4: Fluxograma da produção de latas a partir de lâminas de alumínio... 15

3.1: Representa a relação entre sucata recuperada e o consumo doméstico do metal... 17

3.2: Fluxograma da reciclagem de qualquer sucata de alumínio... 18

3.3: Porcentagem de latas de Al recicladas anualmente... 18

3.4: Fluxograma do ciclo da reciclagem das latas de alumínio... 20

3.5: Produção mundial de latas de alumínio... 21

3.6: Comparativo de economia entre alumínio e outros materiais... 22

4.1: Influência da pressão parcial de gases presentes no meio para atingir o equilíbrio... 25

4.2: Solubilidade do hidrogênio em alumínio a altas temperaturas, mas com rápido declínio quando o líquido passa para a fase sólida... 27

4.3: Coeficientes de difusão de alguns elementos no alumínio... 28

4.4: Esquema do processo de remoção do óxido de alumínio da superfície do banho... 30

4.5: Ilustração de um forno de cadinho com aquecimento elétrico... 31

4.6: Esquema da seção de um forno de reverberação... 31

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xiv LISTA DE TABELAS

Tabelas Páginas

1.1: Propriedades tecnológicas do alumínio... 07

1.2: Produtos manufaturados pela indústria com alumínio primário... 08

1.3: Produção Brasileira de alumínio primário... 09

1.4: Consumo doméstico de produtos transformados de alumínio... 09

1.5: Balança comercial da indústria de alumínio... 10

2.1: Composições químicas das ligas que compõem as latas de alumínio... 16

4.1: Freqüente composição química de escorificantes para a produção de alumínio primário... 29

5.1: Programa de experimentos realizados na primeira fase da pesquisa sobre reciclagem de latas de alumínio... 38

5.2: Programa de corridas realizadas na segunda fase da pesquisa sobre reciclagem de latas de alumínio... 39

5.3: Programa de ensaios realizados na terceira fase do estudo sobre a refusão de latas de alumínio, com parâmetros controlados... 40

5.4: Programa de ensaios realizados na terceira fase da pesquisa com variação no percentual de fluxo sob agitação... 40

6.1: Composição química prevista para cada carga... 41

6.2: Resultados do rendimento de alumínio secundário, obtidos da refusão das latas de alumínio descartáveis... 42

6.3: Quadro comparativo quanto ao tipo de forno, rendimento e contaminação do alumínio... 42

6.4: Resultados da composição química dos ensaios realizados na primeira fase... 43

6.5: Resultados do rendimento de alumínio secundário, obtidos da refusão das latas de alumínio descartáveis... 45

6.6: Composição química dos ensaios realizados na segunda fase do estudo com latas de alumínio... 46

6.7: Resultados do rendimento de alumínio secundário sem a mistura de fluxo escorificante no metal fundido... 47

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xv 6.9: Resultados dos experimentos realizados com controle sobre os parâmetros

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RESUMO

O crescente emprego do alumínio na fabricação de embalagens para bebidas (latas de alumínio), tornam interessante a reciclagem destas como matéria-prima na indústria metalúrgica. Esta atividade econômica envolve diversos setores da sociedade, desde a coleta dos vasilhames até etapas que requerem um conhecimento mais refinado dos processos metalúrgicos para um melhor aproveitamento do alumínio presente nestes recipientes. Esta pesquisa descreve um estudo experimental que investigou e analisou os procedimentos mais adequados para aumentar o rendimento do alumínio recuperado e qual a influência dos parâmetros de processamento sobre a qualidade e o rendimento final, definido aqui como a relação entre as quantidades de alumínio obtido a partir da reciclagem destas latas e a utilizada na sua produção. A metodologia envolveu etapas como a prensagem das latas de alumínio em “pacotes”; a fusão do material para a separação das partes metálicas e não metálicas que constituem as latas; o vazamento do metal líquido em moldes apropriados e a caracterização do metal resultante. Na fusão foram avaliadas as influências do tipo de forno, temperatura, tempo, a utilização de fluxos escorificantes e a mistura ou não dos fluxos com o metal fundido. A qualidade metalúrgica foi determinada através de análises químicas realizadas através de espectroscopia de emissão ótica. Os resultados obtidos indicam que houve um acréscimo significativo no rendimento de alumínio recuperado em relação à média das empresas de fundição e o metal recuperado apresenta uma boa qualidade metalúrgica, podendo ser reintroduzido no ciclo produtivo mediante pequenos ajustes na sua composição química.

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ABSTRACT

Nowadays it’s increasing the application of aluminium to manufacture drink disposable pack (aluminium cans) and that turn interesting the recycling of these as raw material for metallurgic industries. This economic activity witch has involved several society sectors, since the collect of the cans until stages where required the more refined understanding from the metallurgy processes it’s fundamental for a better reuse from the aluminium contained into the cans. This search describes an experimental study of the procedures to increase the efficiency of 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 adequate dies and characterization of the final product. During the melting phase, it was assessed the influence of the type of smelting furnace, the temperature, the melting time, the use of scorification flows to treat the melt and the chemical mixture or not from this flows into de melted aluminium. 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.

Figure

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