Aluminio

F a c u l d a d e d e T e c n o l o g i a d e M o g i M i r i m

Graduação em Tecnologia – Modalidade : Projetos

Prof. Gilberto Machado da Silva

Objetivos:

Reconhecer problemas, analisar e indicar o processo adequado a ser utilizado. Responsabilidade pelo processo.

Conteúdo:

• Fundição por gravidade • Fundição sob pressão

• Fundição em moldes metálicos • Fundição por centrifugação • Fundição de Precisão • Forjamento • Laminação • Trefilação • Estampagem • Injeção de Plásticos • Cerâmica

Bibliografia:

• CAMPOS FILHO, M. P. DEVIES J.; Solidificação e Fundição de Metais e suas Ligas. São Paulo Livros Técnicos e Científicos LTC, 1978. 246p.

• CHIAVERINI, V. Tecnologia Mecânica VOL I e VOLII. São Paulo Mc Graw Hill 2ª Ed. 1986. 313 p.

• GLANVIL, A B.; DENTON, E. N. Moldes de Injeção: Princípios Básicos e Projetos. São Paulo: Editora Edgard Blucher Ltda, 1970. 309 p.

• SIEGEL, M. Fundição. São Paulo: Associação Brasileira de Metais, 1984. 892 p

Critério de Avaliação:

Provas = (P1) + (P2), abordando todo conteúdo programático.

Serão avaliadas também as tarefas propostas em classe, como Estudo em Grupo, Trabalhos, Seminários ou Exercícios.

P1 – Prova1 (2,0 pts)

E – Estudo em Grupo, Trabalhos, Seminários, Exercícios ou Relatórios Técnicos (2,0 pts) P2 – Prova2 (6,0 pts)

Média = M = (P1 + E) + (P2)

Introdução – Metais e suas Ligas

Histórico

Com o domínio do fogo, surgia a possibilidade da metalurgia. Com exceção do ouro e, eventualmente, da prata, do cobre, da platina e do mercúrio, todos os metais(*) praticamente existem na natureza apenas na forma de minérios, isto é, combinados com outros elementos químicos e na forma oxidada, e para extraí-lo e "purificá-lo" (isso significa separar o metal da sua combinação inicial e transformar este em substância simples, ou seja, reduzir seu nox a zero) podemos ter como auxílio o processo de oxi-redução (eletrólise industrial).

O ouro compõe 1/200 000 000 da crosta terrestre, e é um dos metais mais raros. Mas provavelmente foi o primeiro metal a ser descoberto, exatamente por existir quase sempre em forma de pepita, cuja cor é um amarelo bonito e que chama a atenção. Era extremamente pesado, podia ser usado como ornamento por ser brilhante e podia ser moldado nas mais variadas formas, pois não era muito duro. Além disso, era permanente, uma vez que não oxidava nem deteriorava.

É provável que o ser humano tenha iniciado seu trabalho com o ouro há mais de dez mil anos. O ouro e, até certo ponto, a prata e o cobre eram valiosos devido à sua beleza e raridade e tornaram-se um meio de troca e uma ótima maneira de se armazenar riquezas. Por volta de 640 a.C., os lídios da Ásia Menor inventaram as moedas, pedaços de liga de ouro e prata com peso determinado, cunhados com um brasão do governo para garantir sua autenticidade.

Provavelmente, a primeira produção de metal foi obtida acidentalmente, ao se colocar certos minérios de estanho ou de chumbo numa fogueira. O calor de uma fogueira (cerca de 200 ºC) e o carvão são suficientes para derreter e purificar estes minérios, produzindo um pouco de metal.

O Cobre

O período calcolítico, ou idade do cobre, fica entre a idade da pedra polida, ou neolítico, e a idade do bronze.

O cobre nativo era conhecido por algumas das mais antigas civilizações que se tem notícia e tem sido utilizado pelo menos há dez mil anos - onde atualmente é o norte do Iraque foi encontrado um colar de cobre de 8.700 a.C.

Porém, o descobrimento acidental do metal pode ter ocorrido a vários milênios .

Havia alguns argumentos de que o cobre seria o primeiro metal a ter sido obtido acidentalmente em fogueiras, mas isso parece improvável, uma vez que fogueiras não são quentes o suficiente para derreter minérios de cobre nem cobre metálico. Um caminho mais provável pode ter sido através dos fornos de cerâmica, inventados na Pérsia (Irã) por volta de 6000 a.C. Fornos de cerâmicas, além de, logicamente, produzirem cerâmica, também podiam derreter certos quartzos de diferentes cores para vitrificar e tornar vasos de cerâmica coloridos; acontece que a malaquita (um minério de cobre oxidado) é uma pedra verde colorida, e um oleiro que tentasse produzir algum vidro com malaquita acabaria obtendo cobre metálico.

(*)

O cobre gerou algum impacto no mundo antigo, pois produzia boas armas e armaduras razoáveis, mas ainda era muito macio para produzir ferramentas de corte úteis. Conseqüentemente, a metalurgia do cobre não substituiu a manufatura de armas e ferramentas de pedra, que ainda produziam lâminas superiores.

Bronze

O bronze é uma liga de cobre com um metalóide chamado arsênio ou de cobre com o metal estanho. A adição de arsênio ou de estanho no cobre aumentou dramaticamente sua dureza, produzindo armas e armaduras excelentes. O conhecimento da metalurgia do bronze permitiu aos reis superar seus inimigos e causou tal revolução que marcou o fim da Idade da Pedra e o começo da Idade do Bronze. Entretanto, passaram-se milênios até que o bronze pudesse ser usado por soldados comuns e por cidadãos, tendo sido, por muito tempo, artigo de luxo da nobreza.

Como os ferreiros aprenderam a produzir bronze com cobre e estanho também é um mistério. Tal conhecimento provavelmente surgiu por um feliz acidente: pela contaminação de estanho em minérios de cobre, embora, por volta de 2000 a.C., saibamos que o estanho já era minerado para a produção de bronze. Isto é surpreendente, visto que o estanho é um metal semi-raro, e mesmo um minério rico em estanho como a cassiterita contém somente 5% dele. Igualmente, a cassiterita perece uma rocha comum, sendo necessário habilidades especiais (ou instrumentos especiais) para encontrá-la. Mas, quaisquer tenham sido os passos para se aprender sobre o estanho, ele já era bem compreendido em 2000 a.C.

Foi a primeira vez na história que os homens enfrentaram o esgotamento de um recurso natural; não apenas um esgotamento temporário, como o do alimento em tempos de seca, mas sim permanente. As minas de estanho esvaziaram-se e nunca mais tornariam a se encher.

Porém, nesse interim, desenvolvera-se uma técnica de obtenção do ferro a partir de seus minérios em 1300 a.C., na Ásia Menor. O ferro era de purificação mais difícil. Exigia uma temperatura mais alta, e a técnica da utilização do carvão vegetal para esse propósito levou algum tempo para se desenvolver.

Alguns afirmam que a Idade do Bronze começa no período calcolítico, porém a liga nesta época era pouco utilizada. A divisão do período ainda é polêmica, isto ocorre devido à diversidade cultural dos povos das mais diversas regiões.

A forma encontrada para minimizar a polêmica foi dividindo a Idade (Período) do Bronze em três períodos: Idade (Período) do bronze antigo, (Período) Idade do bronze média e Idade (Período) do bronze recente.

Outra liga metálica importante surgida no período entre 1600 e 600 a.C. é uma mistura de cobre e zinco, chamada latão. Esta foi utilizada mais recentemente pelos romanos na cunhagem de moedas. Polido, e dependendo de sua composição, o latão tem coloração praticamente idêntica à certas ligas de ouro-prata, diferindo apenas em sua massa.

Ferro

Como a maioria de meais, o ferro não é encontrado na crosta terrestre em seu estado elementar, e sim combinado com o oxigênio ou com o enxofre. Seus minérios mais comuns são a hematita (Fe2O3) e a pirita (FeS2). O ferro funde à temperatura de 1370°C e, em estado puro,

é um metal relativamente macio.

Encontra maior utilidade em ferramentas na forma de aço, uma liga de ferro com carbono variando entre 0,02 e 1,7%. Quando fundido na presença de carbono, o ferro dissolve, ao contrário do cobre, consideráveis quantidades de carbono, às vezes chegando a 6%. Tal quantidade de carbono no ferro torna-o quebradiço, e tais ligas não podem mais ser chamadas de aço.

A extração de ferro de seus minérios ocorre com a ligação das impurezas (oxigênio ou enxofre) com o carbono. Como a própria taxa

de oxidação aumenta rapidamente além do 800°C, é importante que a fundição ocorra em um ambiente com pouco oxigênio.

O artefato de ferro mais antigo do mundo é um instrumento de quatro lados datado de aproximadamente 5000 a.C. Foi encontrado numa sepultura de Samarra, norte do Iraque. Apenas outros treze objetos de ferro são mais antigos que 3000 a.C., todos encontrados em três sítios do Oriente Médio: três esferas pequenas foram encontradas no nível de habitações em Tepe Sialk, norte do Irã, datado de 4600-4100 a.C., nove contas foram encontradas nas sepulturas do Gerzeh (cemitéio do período pré-dinástico), Egito, datado de 3500-3100 a.C. e um anel aproximadamente desta mesma idade foi encontrado numa sepultura de Armant, também no Egito.

A produção deste do ferro poderia, entretanto, ter-se iniciado antes destas datas, uma vez que a má conservação das peças de ferro supõe que outras mais antigas, que poderiam ter existido, não teriam chegado ao nosso tempo. Com o tempo, o ferro se transforma em ferrugem e acaba se desfazendo em pó.

Mas o ferro não substituiu o bronze como principal metal usado para armas e ferramentas, apesar de algumas tentativas. A metalurgia do ferro exigia mais combustível e trabalho que a metalurgia do bronze, e a qualidade do ferro produzida pelos primeiros ferreiro pode ter sido inferior ao do bronze como material para ferramentas. Porém, entre 1200 e 1000 a.C., ferramentas e armas de ferro substituíram as de bronze em todo Oriente Médio. Este processo parece ter começado no império Hitita em torno de 1300 a.C., ou talvez no Chipre e sul da Grécia, onde artefatos de ferro dominam o registro arqueológico após 1050 a.C. Por volta de 900 a.C., a Mesopotâmia estava totalmente na Idade do Ferro, e a Europa Central por volta de 800 a.C. A razão para esta adoção repentina do ferro permanece um tópico do debate entre arqueólogos. Uma teoria proeminente é que as guerras e as maciças migrações que se iniciaram ao redor 1200 a.C. teriam interrompido o comércio regional de estanho, forçando a mudança do bronze para o ferro.

Siderurgia

É o ramo da metalurgia que se dedica à fabricação e tratamento do aço.

A metalurgia é o conjunto de técnicas que o homem desenvolveu com o decorrer do tempo que lhe permitiu extrair e manipular metais e gerar ligas metálicas. O aço é uma variante do ferro que tem em sua composição uma concentração levemente maior de carbono. A concentração de carbono gera uma liga de ferro com uma maleabilidade e dureza maiores do que o ferro puro. O ferro é achado na natureza sob a forma de vários compostos, como a hematita (Fe2O3), magnetita (Fe3O4), limonita (FeO[OH]), siderita (FeCO3), pirita (FeS2) e limenita (FeTiO3). Dentre todos esses compostos, a CSN (Companhia Siderúrgica Nacional), por exemplo, utiliza principalmente a hematita, por ser o mais abundante na natureza.O processo de produção do aço envolve um outro composto chamado coque. O coque é um combustível com altos teores de carbono. Ele chega à usina siderúrgica ainda com algumas impurezas e com uma concentração de carbono inferior à desejada. Portanto, faz-se uma purificação do coque para aumentar a concentração de carbono. Essa purificação é como destilar as impurezas do coque: ele é aquecido a 1300°C por 16 horas, removendo assim as impurezas, como alcatrão e

outros, por volatilização e vaporização O coque é usado como combustível e agente redutor nos altos-fornos e é dele que provém o carbono adicionado ao ferro, gerando o aço.

4. Laminação: os semi-acabados, lingotes e blocos são processados por equipamentos chamados laminadores e transformados em uma grande variedade de produtos siderúrgicos cuja nomenclatura depende de sua forma e/ou composição química.

3. Refino: aciarias a oxigênio ou elétricas são utilizadas para transformar o gusa líquido ou sólido e sucata de ferro e aço em aço líquido. Nesta etapa, parte do carbono contido no gusa é removida juntamente com impurezas. A maior parte do aço líquido é solidificada em equipamentos de lingotamento contínuo para produzir semi-acabados, lingotes e blocos.

1. Preparação da carga ou sinterização: grande parte do minério de ferro (finos) é aglomerada utilizando-se cal e finos de coque. O produto resultante é chamado de sinter. O carvão é processado na coqueria e transforma-se em coque.

O aço é produzido, basicamente, a partir de minério de ferro, coque e cal. A fabricação do aço pode ser dividida em quatro etapas: preparação da carga, redução, refino e laminação.

2. Redução: essas matérias-primas, agora preparadas, são carregadas no alto forno. O ar pré-aquecido a uma temperatura de 1000°C é soprado pela parte de baixo do alto forno. O coque, em contato com o oxigênio, produz calor que funde a carga metálica e dá início ao processo de redução do minério de ferro, transformando-o em um metal líquido: o ferro-gusa. O gusa é uma liga de ferro e carbono com um teor de carbono elevado.

E

Neste texto é de interesse mostrar como é produzido o aço, nesta finalidade o alto forno é o coração da usina siderurgica, portanto vamos complementar como se dá o funcionamento do alto forno.

O forno é construído na forma semelhante a uma chaminé, numa estrutura alta feita com tijolos refratários. Coque, pedra calcária e minério de ferro (óxido de ferro). No alto forno já bastante aquecido, o minério de ferro previamente processado é depositado em

camadas sucessivas, intercaladas com coque

(combustível) e calcário (fundente).

Estando o alto forno carregado, por meio de um sistema especial de elevação de carga, injeta-se ar quente e oxigenio em seu interior. O ar ajuda a queima do carvão coque, que ao atingir 200º C derrete o minério.

Isto reduz o óxido a metal que, sendo mais denso, se concentra na parte inferior do forno. A natureza exata da reação é:

Fe2O3 + 3 CO → 2Fe + 3CO2O

Ao material que se deposita no fundo do forno dá-se o nome ferro gusa ou simplesmente gusa. As impureas por serem mais leves, flutuam sobre o ferro gusa derretido. O alto-forno baseia-se no fato de que o silício indesejável e outras impurezas, são mais leves do que o ferro fundido.

Através de duas aberturas especiais em alturas diferentes são retiradas, primeiro a escória e em seguida o ferro gusa despejadas em panelas chamadas cadinhos. O ferro gusa derretido é levado no cadinho e despejado em formas denominadas lingoteiras. Uma vez resfriado, o ferro-gusa é retirado da lingoteira recebendo o nome de lingote de ferro gusa. São armazenados para receberem novos tratamentos, pois este tipo de ferro, nesta forma, é usado apenas na confecção matéria prima.

Alumínio

terceiro elemento mais abundante na crosta terrestre. A

isponibilidade de bauxita, o minério ínio, é praticamente inesgotável.

f necessárias 4 toneladas de bauxita para se obter 1 tonelada de alu Após a sua extração, a bauxita é trabalhada através d transformação do alumínio em produtos para o mercado.

O alumínio, metal tão amplamente usado nos dias de devido a características como leveza, resistência, aparência, e outras, tem como principal fonte a bauxita, mineral terroso e op encontrado mais comumente em regiões de clima tropical e sub-tropical. O beneficiamento da bauxita depende dos teores concentração do minério, além de outras características e p incluir a britagem, lavagem, etc., para que se torne adequado processamento posterior.

Essas atividades, aliadas peneiras de alta freqüênc máximo a bauxita contida boa parte das impurezas, resíduos.

O minério segue então pa bola. Nesse processo, acres água à bauxita, obtendo-se densa.

Essa mistura segue para os O alumínio é o

d

bruto do qual é obtido o alum

A bauxita é composta

principalmente de óxido de alumínio, além de sílica, óxidos de erro e titânio. Em média, são mínio.

e inúmeros processos, até a hoje ntre aco, de ode ao ao emprego de ciclones e ia, permitem aproveitar ao no minério bruto e separar

como argila, areia e outros ra moagem nos moinhos de centa-se soda cáustica, cal e uma mistura pastosa, a pasta autoclaves para cozimento. Nessa fase ocorre a formação do aluminato de sódio, composto instável obtido a partir da reação entre a soda cáustica e a alumina.

Após a filtragem, decantação e diminuição da temperatura do composto, ocorre a separação da soda cáustica e a formação do hidróxido de

lumín

a io, ou hidrato, de alta pureza.

A soda cáustica recuperada é reaproveitada no processo.

O hidrato segue então para o forno de calcinação, onde é transformado em alumina, o óxido de alumínio.

A alum , de

xido. A cuba eletrolítica constitui-se basicamente de um anodo de carbono, um catodo (alumínio fundido e blocos de carbono) e o eletrólito (ou banho) de criolita fundida onde é dissolvida a mina. A reação total, decorrente da passagem da

o o alumínio que é oxigênio lib no estado líquido, a é então transportado física. a a fabricação de todos os produtos. É lá também que se preparam as diferentes ligas de alumínio, destinadas a diferentes tipos de produtos

a A alu est

introduzido nos fornos de fusão, por meio de cadinhos com cap

ent lig

Na fundição são produzidos lingotes, tarugos, placas, vergalhões e chapas.

Tarugos Bobinas Lingotes Vergalhões Placas

ina é então levada às cubas eletrolíticas onde se obtém o alumínio, por meio de um processo de redução, que consiste em extrair o metal do seu ó

alu

corrente elétrica, que ocorre no forno, consiste na redução da alumina, liberand

depositado no catodo, e na oxidação do carbono do anodo devido ao erado no processo. O alumínio sai das cubas

aproximadamente 850ºC, e para a fundição, onde são ajustadas a sua composição química e forma

A fundição é o ponto de partida par

plicações.

principal matéria-prima utilizada na fundição é o mínio primário, vindo diretamente das salas fornos, no ado líquido, a aproximadamente 800 ºC. Ele é e

acidade média de 5 toneladas. O alumínio puro recebe ão a adição de outros elementos para a formação das as

Esses produtos tanto se destinam à comercial fabricação de produtos laminados, extrudados e cabos.

Fabricação de Chapas: o processo de

contínuo de chapas, utiliza equipamentos processo Continuous Casting between Durante o processo contínuo, o metal líq do forno escoa por uma calha onde rece refinadores de grão, passa por um filtro um filtro de bolas para então chegar ao distribui o metal entre os cilindros. Nes alumínio líquido perde calor e solidifica chapa.

F

o, alimentam o forno de espera que escoa o metal líquido por uma calha, passando por um sistema de desgaseificação e filtragem, até a mesa de vazamento, na qual o metal é

etal é adicionado no molde, formando o

equipamento contínuo por meio de um processo simples, em que o metal líquido é adicionado a uma esteira de vazamento composta de 200 moldes metálicos. O metal se solidifica em contato com o

olde, formando o lingote propriamente dito.

Cada lingote tem massa média de 22,5 kg e a máquina O desenho característico do lingote está relacionado com de de e ento e evitar para que haja acúmulo de água entre os mesmos.

vazamento baseado no Cylinders. uido dentro be adição de cerâmico e injetor que te contato, o na forma de

abricação de Tarugos: O metal líquido proveniente

dos fornos de fusão e salas de reduçã

distribuído por diversas cavidades onde estão localizados os moldes. Um pistão localizado abaixo da mesa inicia o procedimento de descida à medida que o m

tarugo.

produzidos num

Lingotes: os lingotes são

m

tem uma capacidade nominal de produção de 20 ton/h. a facilida mpilham