CAPÍTULO 2 PROCESSO DE PRODUÇÃO DO ALUMÍNIO PRIMÁRIO
2.2 P ROCESSO H ALL H ÉROULT
2.2.1 Etapas do Processo Hall-Héroult
O processo Hall-Héroult é iniciado com a dissolução da alumina pura em um banho de criolita (Na3AlF6), cujo ponto de fusão é 1009ºC. Para reduzir a temperatura de fusão do banho eletrolítico para a faixa de 940ºC a 980ºC, são adicionados fluorita (CaF2) e um excesso de fluoreto de alumínio (AlF3) (SHREVE; BRINK JÚNIOR, 1997). Uma corrente elétrica é passada pelo eletrólito em baixa voltagem, de modo que o banho eletrolítico seja fundido em baixa tensão.
A reação eletrolítica de produção de alumínio se processa em grandes vasos de aço, com formato de tanque, conhecidos como cuba eletrolítica. Uma cuba eletrolítica é formada de duas partes: 1ª) carcaça em aço recoberta por coque metalúrgico e piche, sendo que o revestimento da carcaça metálica funciona como catodo da célula eletrolítica (ou pólo negativo); uma camada de tijolos refratários é colocada entre o revestimento e a carcaça de aço e funciona como isolante térmico; 2ª) bloco de carbono constituído de uma mistura de coque e piche, que funciona como anodo da célula eletrolítica (ou pólo positivo), ficando suspenso na cuba por barras metálicas. A Figura 2.5 mostra o esquema de uma cuba eletrolítica.
27 Figura 2.5: Esquema de uma cuba eletrolítica
Fonte: ABAL (2010c)
Na cuba eletrolítica, a corrente elétrica passa pelo anodo, atravessa o catodo e segue para o anodo da cuba seguinte formando um circuito em série. A voltagem em cada uma das cubas varia de 4 a 5 Volts, dos quais apenas 1,6 Volts são necessários para a eletrólise propriamente dita. O restante da voltagem é usado para vencer as resistências do circuito e gerar calor para manter o eletrólito fundido (ABAL, 2010). Apesar de as células operarem a uma baixa voltagem, necessitam de valores de corrente altíssimos, da ordem de 50.000 a 350.000 àmperes (IAI, 2010). Na Figura 2.6, apresenta-se uma vista de uma sala de cubas eletrolíticas.
Os materiais do eletrólito são adicionados no espaço existente entre o anodo e o catodo da célula e à medida que vão sendo fundidos, os anodos são levantados para que a célula comece a operar. O eletrólito fundido é composto por criolita, 6 a 10% ponderais de fluorita, excesso de fluoreto de alumínio e alumina na concentração de 2 a 6% (SHREVE; BRINK JÚNIOR 1997).
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Figura 2.6: Vista de uma sala de cubas
Fonte: ABAL ( 2010c)
A reação 2.7 representa a reação global do processo eletroquímico que acontece no interior da cuba. Na eletrólise, os íons de alumínio migram para o catodo, onde são reduzidos a alumínio metálico, enquanto que o oxigênio liberado reage com o carbono do anodo, formando CO e CO2, com predominância para o CO2.
2 Al2O3 + 3 C(s) → 4 Al(l) + 3 CO2(g) (2.7)
No entanto, algum metal, ao invés de ser depositado no fundo da célula, é dissolvido no eletrólito e reoxidado pelo CO2 liberado no anodo, de acordo com a reação da equação (2.8).
2 Al + 3 CO2 → Al2O3 + 3 CO (2.8)
Essa reação pode reduzir a eficiência da célula, assim como aumentar o consumo de carbono da cuba eletrolítica (IAI, 2010).
Não seria possível reduzir a alumina com carvão, como é feito com o minério de ferro, pois, para tanto seria necessária uma temperatura muito elevada, o que faria com que o alumínio se desprendesse como vapor e fosse arrastado pelo monóxido de carbono. O vapor metálico não poderia ser condensado mediante o resfriamento, pois em temperaturas
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mais baixas, a reação se inverteria, e o alumínio seria reconvertido em alumina (SHREVE; BRINK JÚNIOR, 1997).
A adição de alumina nas cubas deve ser feita periodicamente por alimentadores, de acordo com as necessidades operacionais da cuba. A concentração ideal gira em torno de 2% a 6% (SHREVE; BRINK JÚNIOR, 1997). Altas concentrações de alumina no banho eletrolítico provocam uma deposição da alumina não dissolvida no catodo da cuba, chamada de lama. Para temperaturas normais de operação, o banho eletrolítico atinge a saturação em alumina em torno de 7% e, uma vez atingindo essa condição, a alumina não consegue mais ser dissolvida. Os depósitos de lama no catodo podem alterar o fluxo de corrente vertical desejado na cuba, levando a perdas de energia ou de eficiência de corrente. Tais depósitos, normalmente causam a elevação repentina da temperatura da cuba, podendo atingir valores superiores a 1000 °C (TARCY; STEPHESON; MARTIN, 2002 apud BRAGA 2008 )
Baixas concentrações de alumina (inferior a 2%), por sua vez, ocasionam o efeito de anodo. Esse efeito é atribuído à falta de íons oxigênio na superfície anódica. Íons fluoretados ocupam o seu lugar, transformando a superfície anódica em algo parecido com o teflon. Tal comportamento faz com que o banho não possa mais “molhar” a superfície anódica e as bolhas de gás coagulam-se nessa região, formando uma barreira entre o anodo e o banho. A barreira resulta num grande aumento de tensão da cuba (em torno de 25 a 40 Volts) até que a barreira de gás seja quebrada.
As conseqüências da tensão extremamente alta de um efeito anódico são uma queda na corrente da linha de cubas, o que resulta numa queda eletromagnética e na perda da produção no resto da linha de cubas, e uma grande adição de calor na cuba, resultando em um grande distúrbio em seu equilíbrio térmico12 e num período prolongado de baixa eficiência de corrente (BRAGA, 2008).
Outro resultado do efeito anódico é a combinação do carbono do anodo com o flúor dissociado do banho de criolita, de acordo com as reações 2.9 e 2.10, formando compostos fluoretados de carbono CF4 e C2F6, que são reconhecidos como gases com elevado potencial de efeito estufa (LMRC, 2009).
12 O distúrbio no equilíbrio térmico significa que grande parte, senão toda a aresta da cuba pode ser fundida,
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4 Na3AlF6 + 3 C → 4 Al + 12 NaF + 3 CF4 (2.9)
2 Na3AlF6 + 2 C → 2 Al + 6 NaF + C2F6 (2.10)
O alumínio metálico, à medida que vai se formado, se deposita na parte inferior da cuba, por diferença de densidade, de onde é, de tempos em tempos, vazado para cadinhos e destinado ao transporte. A Tabela 2.2 mostra os insumos necessários ao processo eletrolítico Hall-Héroult.
Tabela 2.2: Insumos necessários para a produção de 1 t de alumínio primário
Fonte: ABAL (2010c)
Após a produção de alumínio primário na sala de cubas, o metal é enviado para o setor de fundição, onde são ajustadas a sua composição química e a forma física do produto (lingote, tarugo, rolo, caster e vergalhão), o qual é, então, enviado para a área de transformação mecânica (extrusão, laminação, cabos) onde será dada a forma final do metal, de acordo com a demanda do cliente (ABAL, 2008).
A etapa de eletrólise consome muita energia elétrica, em níveis tais que a fabricação de alumínio é um processo industrial chamado de eletrointensivo. Por conta disso, muitas empresas, após a reestruturação do setor elétrico nacional – iniciado em meados da década de 1990, e que permitiu a entrada de capital privado – construíram centrais hidrelétricas próprias para suprir parte da demanda de energia elétrica necessária à fabricação do alumínio primário (FERNANDES, 2005).
O fluxograma simplificado do Processo Hall-Héroult é apresentado na Figura 2.7.
Insumos para a produção de 1 tonelada de alumínio
Alumina 1.919kg Energia elétrica 15,0MWhcc Criolita 8kg Coque de petróleo 384kg Piche 117kg Óleo combustível 44,2kg
31 Figura 2.7: Fluxograma simplificado do processo Hall-Héroult
Fonte: Silva (2010)