O aumento espetacular no consumo de alumínio é a prova do que este metal significa na indústria moderna.
O alumínio segue o ferro/aço entre os metais de maior consumo anual, sendo o mais importante dos metais não ferrosos. A variedade de usos do alumínio está relacionada com suas características físico-químicas, com destaque para seu baixo peso específico, comparando com outros metais de grande consumo, resistência à corrosão e alta condutibilidade elétrica/térmica.
O alumínio foi descoberto por Sir Humphrey Davy em 1809, tendo sido isolado pela primeira vez em 1825 por H. C. Oersted. Porém, apenas em 1886 foi desenvolvido um processo industrial econômico de redução. Neste ano, dois cientistas trabalhando independentemente, Charles Martin Hall, nos Estados Unidos, e Paul Louis Héroult, na França, inventaram o mesmo procedimento eletrolítico para reduzir a alumina em alumínio.
O procedimento Hall-Héroult é o que se usa atualmente e consome cerca de 14,8kWhcc (média brasileira) para a produção de um quilo de alumínio primário. O elemento “alumínio” é abundante na crosta terrestre na forma de óxido de alumínio (Al2O3) e as reservas minerais são quase limitadas.
O minério industrial mais importante é a “bauxita”, com um teor de óxido de alumínio entre 35% a 45%; suas jazidas localizam-se principalmente nas regiões tropicais e, no Brasil, concentram-se na área amazônica.
O Brasil tem vocação para produção de alumínio, pois além de abundante reserva de bauxita (o Brasil detém a terceira maior reserva de bauxita do mundo), tem um alto potencial de geração de energia hidrelétrica, que é um insumo primordial para obtenção do alumínio primário através da eletrólise, conforme já mencionado.
Quando o alumínio era ainda uma curiosidade com custo elevado de produção, as primeiras aplicações foram limitadas a trabalhos suntuosos, tais como, estatuetas e placas comemorativas. Então, quando o metal tornou-se disponível em grandes quantidades (embora ainda medido em quilos em vez de toneladas) passou a ser usado na decoração Vitoriana como ornamentais. No final do século 19, com o aumento da produção e preços menores, foi gradualmente utilizado em utensílios de cozinha e alguns dos primeiros automóveis que já possuíam painéis revestidos de alumínio comercialmente puro. Entretanto, a resistência limitada do metal comercialmente puro restringia sua aplicação, especialmente quando havia alguma dificuldade nas indústrias metalúrgicas em relação em favor de materiais tradicionais com os quais elas estavam mais familiarizadas.
Conseqüentemente, no início do Século as indústrias de alumínio começaram a trabalhar na produção de ligas de alumínio com propriedades mecânicas mais elevadas. Os primeiros experimentos foram através de tentativas e erros, aliados a observar perspicazes, conduzindo as experiências posteriores baseadas no aumento do conhecimento dos princípios metalúrgicos fundamentais envolvidos.
O rápido e notável crescimento da importância do alumínio na indústria é resultado de uma série de fatores:
- é um metal que possui excelente combinação de propriedades úteis resultando numa adequabilidade técnica para um campo extraordinário de aplicações em engenharia;
- pode ser facilmente transformado, através de todos os processos metalúrgicos normais, sendo assim, viável à indústria manufatureira em qualquer forma que seja requerida;
- as atividades de pesquisa desenvolvidas pela própria indústria do alumínio, pelos laboratórios acadêmicos e pelos seus usuários têm levado a um maior conhecimento das características de engenharia deste metal, além do que técnicas de fabricação, de soldagem e de acabamento têm sido desenvolvidas, fazendo com que o alumínio seja considerado um metal que não apresenta dificuldades nas suas aplicações;
- finalmente, um fator importante na aceitação geral do alumínio tem sido a livre divulgação da indústria quanto às recomendações aos usuários e potenciais usuários do metal. Isso tem sido feito pelos fabricantes individualmente, por centros de pesquisa e pela ABAL.
Obtenção do alumínio:
A obtenção do alumínio através da bauxita efetua-se em três etapas: Mineração, Refinaria e Redução.
A bauxita é extraída, lavada e secada antes de ser enviada à Refinaria onde se produz o alumínio.
O processo químico denominado Bayer é o mais utilizado na indústria do alumínio. Neste processo, a alumina é dissolvida em soda cáustica e, posteriormente, filtrada para separar todo o material sólido, concentrando-se o filtrado para a cristalização da alumina.
Os cristais são secados e calcinados para eliminar a água, sendo o pó branco de alumina pura enviado à Redução para a obtenção do alumínio, através da eletrólise, processo conhecido como Hall-Héroult, já mencionado do Capítulo 1.
As principais fases de produção de alumina, desde a entrada do minério até a saída do produto, são: moagem, digestão, filtração/evaporação, precipitação e calcinação.
As operações de alumina têm um fluxograma de certa complexidade, que pode ser resumido em um circuito básico simples. (figura 1).
No processo de eletrólise, para obtenção do alumínio, a alumina é carregada de forma controlada, em um eletrólito fundido, formado por sais de criolita e fluoreto de alumínio.
A passagem de corrente elétrica na célula eletrolítica promove a redução da alumina, decantando o alumínio metálico no fundo da célula e o oxigênio liberado reage com o ânodo de carbono, formando dióxido de carbono. A Figura 2 mostra o diagrama de uma célula de redução e a Figura 3, uma instalação típica de sala de cubas de redução. Em números redondos, são necessários 5kg de bauxita para produzir 2kg de alumina e 1kg de alumínio primário.
Os princípios de insumos para a produção de alumínio primário durante o processo de Redução estão indicados abaixo:
- Alumina: 1919 kg/t
- Energia elétrica: 15,0 MWhcc/t Al
- Criolita: 8,0 kg/t
- Fluoreto de alumínio: 19,7 kg/t
- Coque de petróleo: 0,384 kg/t
- Piche: 0,117 kg/kg Al
- Óleo combustível: 44,2 kg/t
Características do alumínio:
Uma excepcional combinação de propriedades faz do alumínio um dos mais versáteis materiais utilizados na engenharia, arquitetura e indústria em geral.
- Ponto de fusão: O alumínio possui ponto de fusão de 660ºC (quando na pureza de 99,80%) o que é relativamente baixo comparado ao do aço que é da origem de 1570ºC. Ligas de alumínio, devido à presença de outros metais, possuem, em geral, um ponto de fusão mais baixo que o alumínio puro. Por exemplo, a liga 6060 (com mais ou menos 2% de elementos de liga) funde-se entre 600ºC e 650ºC, enquanto a liga 7075 (com mais ou menos 10% de elementos de liga) funde-se entre 575ºC e 650ºC.
- Peso específico: A leveza é uma das principais características do alumínio. Seu peso específico é de cerca de 2,70 g/cm3, aproximadamente 35% do peso do aço e 30% do peso do cobre. Essa característica, aliada ao aumento da resistência mecânica por adição de elementos de liga/tratamentos térmicos, torna o alumínio, o metal de escolha para a indústria aeronáutica e de transportes.
- Características mecânicas: o alumínio comercialmente puro tem uma resistência à tração de aproximadamente 90 MPa. Sua utilização como material estrutural nesta condição é um tanto limitada, mas através do trabalho a frio, sua resistência mecânica pode ser praticamente dobrada. Aumentos maiores na sua resistência podem ser obtidos com pequenas adições de outros metais como elementos de liga, tais como: silício, cobre, manganês, magnésio, cromo, zinco, ferro, etc.
Como o alumínio puro, as “ligas não tratáveis” podem também ter sua resistência aumentada pelo trabalho a fio. E as “ligas tratáveis” podem ainda apresentar aumento de resistência através de tratamento térmico, tanto que hoje algumas ligas podem ter resistência à tração de aproximadamente 700MPa.
É possível obter-se uma grande variedade de características mecânicas ou têmperas em ligas de alumínio, através das várias combinações de trabalho a frio e de tratamento térmico, que serão tratadas em capítulos específicos.
O alumínio e suas ligas perdem parte de sua resistência a elevadas temperaturas, embora algumas ligas conservem boa resistência em temperaturas entre 200ºC e 260ºC.
Em temperaturas abaixo de zero, entretanto, sua resistência aumenta sem perder a ductilidade e a tenacidade, tanto que o alumínio é um metal particularmente utilizado em aplicações a baixas temperaturas.
- Resistência a corrosão: Quando o alumínio líquido é exposto à atmosfera, forma-se imediatamente uma fina e invisível camada de óxido, a qual protege o metal de oxidações posteriores. Essa característica de auto-proteção dá ao alumínio uma elevada resistência à corrosão.
A menos que seja exposto a uma determinada substância ou condição agressiva que destrua essa película de óxido de proteção, o metal fica totalmente protegido contra a corrosão.
O alumínio é altamente resistente ao tempo, mesmo em atmosferas industriais, que freqüentemente corroem outros metais. É também resistente a vários ácidos.
Os álcalis estão entre as poucas substâncias que atacam a camada de óxido e, conseqüentemente, podem corroer o alumínio. Embora o metal possa seguramente ser usado na presença de certos álcalis moderados com a ajuda de inibidores, em geral o contato direto com substâncias alcalina deve ser evitado.
Algumas ligas são menos resistentes à corrosão do que outras, particularmente certas ligas de elevada resistência mecânica. Tais ligas podem ser efetivamente protegidas da maioria das influências corrosivas, através do revestimento das superfícies expostas com uma fina camada de alumínio puro ou ligas de alta resistência à corrosão.
A pintura da superfície seria a alternativa mais simples.
Uma palavra de alerta deve ser mencionada com relação às características de resistência à corrosão do alumínio. Contatos diretos com alguns metais devem ser evitados na presença de um eletrólito, caso contrário, a corrosão galvânica do alumínio pode surgir na região da área de contato. Quando houver necessidade de se unir o alumínio com esses metais, recomenda-se o isolamento da área com pinturas betuminosas ou materiais isolantes.
Na série galvânica, mostrada na tabela ao lado, qualquer material tende a ser corroído através do contato com qualquer outro metal inferior a ele.
Apesar da sua baixa posição na série, o aço inoxidável pode ser seguramente acoplado ao alumínio em vários ambientes porque o aço é altamente polarizado. Em ambientes com elevados teores de cloretos, o aço inoxidável pode causar substancial corrosão de contato no alumínio.
- Coeficiente de dilatação térmica: O alumínio puro possui um coeficiente de dilatação térmica linear de 0,0000238 mm/ºC, na faixa de 20ºC a 100ºC. Este coeficiente é aproximadamente duas vezes o do aço.
Porém, devido ao baixo módulo de elasticidade do alumínio, induzem-se menores tenções na estrutura do alumínio, com a variação de temperatura, que na do aço.
A adição de outros metais afeta muito pouco o coeficiente de dilatação.
Série galvânica:
Ligas de Mg
Zinco
Ligas de AIZn
Ligas de AIMg
Ligas da série 1100, 3003, AIMgSi
Cádmio
Ligas de AICu
Aço doce, ferro maleável e ferro fundido
Cromo
Soldas de chumbo-estano
Chumbo
Estano
Latão
Cobre
Bronze
Liga monel
Níquel
Aços inoxidáveis
- Condutibilidade elétrica: O alumínio puro possui resistividade de 0,00000263 ohm/cm3 e condutividade elétrica de 62% da IACS (Internacional Annealed Copper Standard), a qual associada à sua baixa densidade significa que um condutor de alumínio pode conduzir tanta corrente quanto um condutor de cobre que é duas vezes mais pesado e proporcionalmente mais caro.
- Condutibilidade térmica: Essa característica é um importante meio de transferência de energia térmica, tanto no aquecimento, como no resfriamento. Assim, os trocadores ou disparadores de calor em alumínio são comuns nas indústrias alimentícia, química, petrolífera, aeronáutica, etc.
O alumínio é também um excelente refletor de energia radiante devido ao grande alcance dos comprimentos de onda desde os raios ultravioletas, através dos espectros visíveis, até os raios infravermelhos e ondas de calor, tanto quanto ondas eletromagnéticas de rádio e radar.
O alumínio puro possui uma condutibilidade térmica (k) de 0,53 calorias por segundo por centímetro quadrado por centímetro de espessura por graus Celsius, de forma que sua condutibilidade térmica é 4,5 vezes maior que a do aço doce.
A alta condutividade térmica do alumínio é um fator que influencia positivamente seu uso na indústria de alimentos e de produtos químicos.
- Refletividade: o alumínio tem uma refletividade acima de 80%, a qual permite ampla utilização de luminárias. Coberturas de alumínio refletem uma alta porcentagem do calor do sol, tanto que edificações cobertas com esse material são menos quentes no verão.
- Propriedade anti-magnética: O metal não é magnético sendo freqüentemente utilizado como proteção em equipamentos eletrônicos. Também não produz faíscas, o que é uma característica muito importante, sendo desta forma, bastante utilizado na estocagem de substâncias inflamáveis ou explosivas, bem como em caminhões-tanque de transporte de materiais combustíveis, aumentando a segurança em casos de acidentes de transito, pois o não faiscamento elimina o risco de incêndio/explosão.
- Característica de barreira: O alumínio é um importante elemento de barreira à luz, é também impermeável à ação da umidade do oxigênio, tornando a folha de alumínio um dos materiais mais versáteis no mercado de embalagens.
- Característica nuclear: uma propriedade de importância em engenharia nuclear é sua baixa absorção de nêutrons, de madeira que ele não impede significativamente a passagem de nêutrons os quais mantém a relação nuclear do combustível de urânio, tornando-o um material eficiente e de uso intensivo no núcleo dos reatores de baixa temperatura.
- Atoxidade: O fato do alumínio possuir características “não-tóxicas” permite que sua utilização em utensílios domésticos, sem qualquer efeito nocivo ao organismo humano, sendo muito utilizado em equipamentos da indústria alimentícia. É essa mesma característica que permite às folhas de alumínio serem utilizadas seguramente em contato direto com produtos alimentícios, como embalagens.
- Reciclagem: A característica de ser infinitamente reciclável, sem perda de suas propriedades físico-químicas, torna o alumínio o metal de escolha, principalmente em embalagens para bebidas carbonatadas.
Todas essas características apresentadas conferem ao metal alumínio uma extrema versatilidade. Na maioria das aplicações, duas ou mais destas características entram em jogo, como por exemplo: baixo peso combinado com resistência mecânica em aeronaves, vagões ferroviários, caminhões e outros equipamentos de transporte. A alta resistência a corrosão e a elevada condutibilidade térmica são importantes em equipamentos para a indústria química e petrolífera, propriedades que combinam com a atoxidade necessária em equipamentos de produção alimentícia.
Sua aparência atraente aliada à alta resistência às intempéries e baixos requisitos de manutenção proporcionam uma vasta utilização em todos os tipos de construção.
A alta refletividade, a excelente resistência às intempéries e seu baixo peso específico são muito importantes em materiais de cobertura, facilitando também o manuseio e os custos de transporte.
Muitas aplicações requerem extrema versatilidade que somente o alumínio possui. Diariamente, cada combinação de suas propriedades vem sendo trabalhada de novas formas.
A tabela a seguir compara as características dos três metais mais utilizados pela sociedade contemporânea.
Propriedades físicas típicas
Alumínio
Aço
Cobre
Densidade (g/cm3)
2,70
7,86
8,96
Temperatura de fusão (ºC)
660
1500
1083
Módulo de elasticidade (MPa)
70000
205000
110000
Coeficiente de dilatação térmica (L/ºC)
23.10 -6
11,7.10-6
16,5.10-6
Condutibilidade térmica a 25ºC (cal/cm/ºC)
0,53
0,12
0,94
Condutibilidade elétrica (%IACS)
61
14,5
100
