RELAÇÃO ENTRE O TEOR DE ALUMÍNIO E A GRANULOMETRÍA DE UMA
ESCÓRIA BRANCA DE ALUMÍNIO
A. Gómez(*;**), O. Thomaz(*), A. C. da Cruz(*), J. A. Tenório(**)
Avenida Professor Mello Moraes No. 2463, São Paulo/SP, CEP: 05508 -900 –agomez@usp.br (*) - Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo, IPT
(**) - Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica, USP
RESUMO
O objetivo deste trabalho é relacionar diferentes granulometrías de uma escória branca de alumínio com seus respectiv os teores de alumínio metálico. Para esta finalidade, tomou- se uma alíquota de aproximadamente 10 kg de material homogeneizada e quarteada. Separou- se este material em nove faixas granulométricas entre 0.42mm e 25.4mm. Cada amostra foi levada a um moinho de martelo e finalmente a um moinho de ágata até obter o tamanho adequado para a realização dos ensaios. Foi feita uma análise qualitativa por fluorescência de raios -X associada a difratometria de raios -X, a quantificação do material foi também conduzida por difração de raios -X. Encontrou-se para os materiais com granulometrías inferiores a 3.35 mm teores de alumínio metálico que crescem no mesmo sentido das dimensões granulométricas, a partir de 3.35 mm alcançam- se os teores máximos de alumínio, superiores a 67%. Conclui- se que as frações maiores que 3.35 mm apresentaram teores de alumínio máximos enquanto as frações menores apresentaram teores de alumínio variados e inferiores aos primeiros sugerindo assim que a borra pode ser separada em pelo menos duas c lasses que produzirão rendimentos diferentes durante o processamento de reciclagem.
Palavras-Chaves: Escória, Alumínio, Granulometría, Caracterização, Difração de Raios-X.
INTRODUÇÃO
A escória de alumínio é gerada pela reação do alumínio com o oxigênio, sua composição variará dependendo do tipo de elementos de liga, geralmente tem de 60 a 70% de alumínio metálico,
entre 20 e 35% de óxido de alumínio (Al2O3), nitreto de alumínio e outros compostos, principalmente
óxidos em menor proporção (1). As escór ias podem ser classificadas em três tipos(2): branca, preta e saltcake. A preta é obtida da reciclagem e é de cor escura, a saltcake vem da reciclagem das escórias brancas e pretas, seu nome é devido aos sais usados em este processo para melhorar a eficiência de recuperação de alumínio. A escória estudada em este trabalho é do primeiro tipo (branca) é gerada na industria primaria, não contem sais e é de cor clara, e possui maiores quantidades de alumínio metálico, em comparação com os outros tipos de escórias.
A escória é um produto inevitável em qualquer processo que implique fundição de alumínio e
representa o 5.5% da produção total, por isso a importância da sua reciclagem (1). Muitos esforços
são feitos visando a diminuição da geração de escória e a otimização do processo de reciclagem. O teor de alumínio metálico na escória é um processo complicado e requer muito tempo, alguns métodos para quantificar o alumínio estão baseados na separação magnética ou mecánica. Este trabalho propõe uma metodologia para quantificar o alumínio metálico na escória, além de mostrar a relação entre o tamanho granulométrico com o teor de alumínio presente na escória, e pretende dar uma estimativa das faixas granulométricas mais indicadas para ser usadas no processo de reciclagem, com a finalidade de aumentar a eficiência do processo.
MATERIAIS E MÉTODOS
Para escolher uma amostra representativa do material deve-se fazer uma homogeneização e quarteamento de ele, o qual foi feito pelo método da pilha alongada, que consiste em formar uma pilha com o total do material (326.6 kg), formando fileiras longas de material em camadas sucessivas. Para tomar finalmente uma alíquota do material (9975 g), a qual foi usada para fazer as análises.
Análise granulométrica
Para a análise granulométrica foram usadas as peneiras de laboratório mostradas na tabela I. Foi feito peneiramento mecânico, usando um peneirador vibratório. A tabela I também mostra o tamanho médio de partícula, segundo as peneiras usadas.
Tabela I. Peneiras Usadas na Análise Granulométrica da Borra de Alumínio Designação ABNT (mm) < 0.42 0.42 0.85 1.68 3.35 6.35 12.7 25.4 Tamanho Médio de Partícula (mm) < 0.42 0.635 1.265 2.515 4.850 9.525 19.050 >25.4 Moagem
Para fazer as análises de difração de raios -X o material deve estar em pó. Com a finalidade de obter o tamanho adequado das amostras, se usou um moinho de ágata. As frações mais finas (desde <0.42 mm, até 1.68 mm) foram facilmente moídas. Foi preciso moer as frações mais grossas num moinho de martelos, devido a seu tamanho. Durante a moagem formaram-se pequenas esferas de alumínio (consideradas 100% alumínio), o material restante ficou em pó e foi reduzido num moinho de ágata, assim como as frações mais finas (< 1.68 mm). A Figura 1 mostra o material > 3.35 mm após a moagem e peneiramento, à direita aparece o pó, e a esquerda as esferas de alumínio.
Figura 1. Borra de alumínio após moagem num moinho de martelo.
Análise química por fluorescência
Esta análise é de tipo qualitativo, e faz- se para saber quais os elementos contidos nas amostras, com a finalidade de ajudar nas análises de difração de raios -x.
Análise de difração de raios -x
As análises de difração foram feitas usando um difratómetro, com radiação ka de cobre,
Para fazer a curva de calibração, misturaram-se quantidades conhecidas de alumín io (25%, 50% e
75%) com um material padrão, neste caso calcita (CaCO3), fizeram- se amostras de difração e foram
medidas as intensidades (áreas dos picos de 2.34 Å para o alumínio e 3.03 Å para a calcita); conhecendo as frações mássicas de alumínio e calcita na mistura padrão, foi desenhada a curva mostrada na Figura 2, a qual é representada pela equação (1):
C Al C Al
w
w
k
I
I
=
(1) Onde as variáveis:IAl e IC são as intensidades do picos de alumínio e calcita respectivamente.
wAL e wC são as frações mássicas de alumínio e calcita respectivamente.
E a incógnita.
k é uma constante de proporcionalidade relativa ao coeficiente de absorção mássico médio.
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 wAl / wC IAl/IC
Figura 2. Curva de calibração para escória de alumínio, usando CaCO3 como material padrão.
Para encontrar o teor de alumínio obtemos wAl da equação 1, assim:
k
w
I
I
w
C C Al Al=
×
(2)Para quantificar o teor de alumínio, foram feitas amostras contendo 60% de escória com 40% calcita para cada uma das nove frações granulométricas, foi feita a difração e medidas as intensidades dos picos para o alumínio e a calcita; sabendo a fração mássica de calcita nas amostras
(wC = 0.4), conhecendo o valor de k obtido da curva de calibração (k = 1.4164), e substituindo esses
dados na eq uação 2 e obtemos a fração mássica de alumínio na escória.
RESULTADOS E DISCUSÃO
A Figura 3, assim como a Figura 4 mostram a porcentagem da massa achada para cada fração granulométrica. O material mais fino, menor do que 0.42 mm, encontra-se em maior quantidade (21.4 %), seguido por o material mais grosso, maior do que 25.4 mm (13.7%).
Pode ser visto ainda que a distribuição de tamanhos das partículas é acentuadamente
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 Porcentagem em Massa (%) > 25.400 19.050 9.525 4.850 2.515 1.265 0.635 < 0.42 Tamanho Médio de Partícula (mm)
Figura 3. Histograma de distribuição granulométrica de uma escória branca de alumínio.
Na análise química por fluorescência, o elemento preponderante foi o alumínio. Foram encontrados também em menores proporções: Mg, Si, K, Fe, Na, Ti, Ca, Zr. S e traços de: Mn, Ni, Cu, P, Zn, Cr, Ga, F. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0
Tamanho Médio de Partícula (mm)
Fração Acumulada das Partículas (%). Amostra Modelo de distribuicao homogenea Distribução R. P. Roberts
Figura 4. Distribuição granulométrica acumulada de uma escória branca de alumínio.
100 1000 10000 100000
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Ângulo de 2Θ (para radiação Kα do cobre)
Intensidade > 1.68 > 3.35 > 6.35 > 12.7 > 25.4
composição de todas as amostras é relativamente similar, variando apenas em concentração. Alem de compostos amorfos, que são provavelmente oxido de silício, as amostras possuem as seguintes fases cristalinas.
• Alumínio metálico;
• Oxido de alumínio (coríndon);
• Aluminato de Magnésio (Espinelio);
• Oxinitreto de alumínio;
• Nitreto de alumínio (Hexagonal e cúbico);
• Nitreto de silício;
• E Uma das a mostras (>25.4 mm), possui um pouco de quartzo.
A composição sugere que esta escória esteve submetida dentro do forno atmosferas nitretantes. E sabido que isto pode ocorrer por meio do próprio nitrogênio presente no ar, desde que as concentrações de oxigê nio na atmosfera sejam muito baixas. Isto indica que o oxigênio disponível no ar foi consumido quase todo na oxidação do alumínio, o nitrogênio restante causou então a nitretaçäo de uma parte do alumínio do forno, pode -se notar ainda que o processo de remoção da escória arrastou uma grande quantidade de alumínio.
100 1000 10000 100000
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Ângulo de 2Θ (para radiação Kα do cobre)
Intensidade
<0.177 >0.177 >0.42 >0.85
Figura 6 . Difratogramas das frações finas da escória de alumínio.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 5 10 15 20 25 30
Tamanho médio de partículas (mm)
Fração de alumínio (% em massa)
Amostra R. P. Roberts
A Figura 7 mostra certa correlação entre os diâmetros médios de partículas e as frações de alumínio que estas contêm. Em esta Figura a linha pontilhada indica uma tendência à estabilização dos teores de alumínio para partículas maiores que 3.35 mm em torno de 70% de alumínio. Para partículas de dimensões inferiores, nota -se que o teor de alumínio decresce rapidamente em razão inversa ao de crescimento de partículas. Ponderando os teores de alumina, chega- se a um teor total
de alumínio na escória de 39%, R. P. Roberts (4) em um estudo relativo a análise de um sistema para
a reciclagem de borras de alumínio, tratou deste assunto e levantou uma das curvas que aparecem na Figura 7. Note que após tratamento em neste sistema, denominado Aros, a diferença entre os teores de alumínio nas frações grossa e fina é ainda mais acentuada. O tratamento proposto e conduzido por Roberts envolve moagem de escória e por isto sua curva granulométrica é também mais acentuada que a de uma escória não tratada como a amostra utilizada neste trabalho (vide Figura 4).
Outro aspecto importante a ser notado é que pelo menos 50% da amostra é formada por partículas de baixos diâmetros e cujo teor de alumínio também é baixo.
CONCLUSÕES
• A distribuição de tamanhos de partículas da escória pos sui alta concentração de finos. Cerca
de 70% em massa do material é formado por partículas menores que 3.35mm.
• A escória é formada basicamente por alumínio, óxido de alumínio, aluminatos de magnésio e
formas nitretadas do alumínio, alem de algumas impurezas .
• A escória analisada contém teores altos de alumínio metálico, cerca de 39%.
• As frações de partículas maiores que 3.35 mm contém 70% de alumínio metálico, enquanto o
restante do material contém apenas 16% deste metal.
REFERENCIAS
1. A. Filleti. Minimização da Perda de Fusão, na Fundição de Alumínio e suas Ligas. IV Seminário da Associação Brasileira do Alumínio – ABAL. Tecnologia da Industria do Alumínio (1993). São Paulo – SP. 103 – 116.
2. G. J. Kulik, J. C. Daley. Aluminum Dross Processing in the 90´s. Second International Symposium – Recycling of Metals and Engineered Materials, (1990) 427 – 437.
3. B. D. Cullity. Elements of X- Ray Diffraction. Second Edition. Addison-Wesley Publishing Company, Inc. United States of America (1978). 415 – 419.
4. R. P. Roberts. A System for Processing Aluminum Dross in a Reduced Oxygen Enviroment. SECO/WARWICK Corporation, Meadville, PA. AFS Transactions, 37 (1989). 281 – 284. 5. J. A.. Tenório, Aspectos Fundamentais e Tecnológicos do Processo de Reciclagem de Latas
CORRELATION BETWEN THE METALLIC ALUMINUM AMOUNT AND THE
GRANULOMETRIC SIZE OF A ALUMINUM WHITE SLAG
A. Gómez(*;**), O. Thomaz(*), A. C. da Cruz(*), J. A. Tenório(**)
Avenida Professor Mello Moraes No. 2463, São Paulo/SP, CEP: 05508 -900 –agomez@usp.br (*) - Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo, IPT
(**) - Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica, USP
ABSTRACT
The aim of this work is to correlate different grain size of one aluminum white slag to their respective levels of metallic aluminum. For this purpose, it was considered a part of material (10 kg), took after homogenizing of total. This material was separated into nin e grain size from 0.42 mm and 25.4 mm. Each sample was taken to a hammer mill then to another mill so that an appropriate size for testing was reached. Qualitative analysis was carried out using ray fluorescence associated with x-ray diffraction, quantitative analysis was carried out using x-x-ray diffraction. It was found that for materials presenting grain sizes below 3.35mm, levels of metallic aluminum increased in the same direction of grain size, from 3.35mm the highest levels of aluminum (more than 67%), were achieved. Therefore, fractions above 3.35mm showed the highest levels of aluminum, whereas, fractions below 3.35mm showed several lower levels of aluminum, suggesting that slag could be separated into two categories at least, which could provide different performances during recycling processing.
