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UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO
O Alumínio como Condutor Elétrico
Recife
2011
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UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO
O Alumínio como Condutor Elétrico
Alunos: Alex Carvalho
Isis Vanielle
Leonardo Almeida
Monielly Helena
Paulo Eduardo
Turma: ED
Disciplina: Materiais Elétricos
Docente: Carlos José Caldas Salviano
Recife
2011
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Apresentação
Este trabalho tem como principal objetivo apresentar aos seus respectivos
leitores uma leitura clara e objetiva sobre as principais características e aplicações do
alumínio, que é um dos metais mais abundantes da crosta terrestre. O alumínio é
utilizado nos mais diversos ramos da indústria devido a sua versatilidade e baixo custo.
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Sumário
1. Introdução......................................................................................................................5
2. O Alumínio....................................................................................................................7
3. Aspectos teóricos:..........................................................................................................7
3.1 Propriedades físicas e Químicas..............................................................................7
3.2 Propriedades Mecânicas..........................................................................................8
3.2.2 Dureza...............................................................................................................8
3.2.3 Ductibilidade.....................................................................................................8
3.2.4 Maleabilidade....................................................................................................9
3.2.5 Tenacidade........................................................................................................9
3.2.6 Brilho.................................................................................................................9
3.3 Propriedades Elétricas:............................................................................................9
3.3.1 Resistência.........................................................................................................9
3.3.2 Condutância.....................................................................................................11
3.3.3 Bandas de energia...........................................................................................12
4. Aspectos específicos:...................................................................................................13
4.1 Processo de Fabricação..........................................................................................13
4.1.1 Mineração........................................................................................................14
4.1.2 Refinaria..........................................................................................................14
4.1.3 Redução...........................................................................................................16
4.3 Ligas de Alumínio.................................................................................................17
4.4 Aplicações..............................................................................................................18
4.5 Reciclagem do alumínio........................................................................................19
5. Conclusão....................................................................................................................20
6. Bibliografia..................................................................................................................21
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1. Introdução
Há mais de sete mil anos, os ceramistas da Pérsia fabricavam vasos de barro com
óxido de alumínio (conhecido atualmente como alumina) e, trinta séculos mais tarde, os
egípcios e babilônicos utilizavam outro composto similar em seus cosméticos e
produtos medicinais. No entanto, a real existência e funcionalidade do alumínio ainda
eram desconhecidas.
Os rumores eram de que o alumínio fosse proveniente de colisões de átomos de
hidrogênio durante a formação do sistema solar. A história industrial do alumínio,
porém, é recente.
Apesar de ser o terceiro elemento mais abundante na crosta terrestre, o alumínio
é o metal mais jovem usado em escala industrial. Mesmo utilizado milênios antes de
Cristo, o alumínio começou a ser produzido comercialmente há cerca de 150 anos.
Em 1808, o químico inglês Humphrey Davy finalmente conseguiu provar a
existência do alumínio e, pouco tempo depois, Hans Oersted, físico alemão, conseguiu
produzir pequenas quantidades do metal. Em 1869, um grande avanço na produção
permitiu que o custo baixasse de US$ 545 para US$ 17 o grama, quase o mesmo valor
da prata. Nesta época, o alumínio decorou até a mesa da corte francesa, a coroa do rei da
Dinamarca e a capa do Monumento de Washington.
Começou, então, a existir a necessidade de ter uma grande quantidade de
produção a um preço muito baixo para que o alumínio pudesse ser um metal de primeira
categoria. Em 1880, ele era considerado semiprecioso, mais raro que a prata.
Então, o professor americano Frank Jewett mostrou aos seus alunos do Oberlin
College, de Ohio, um pequeno pedaço de alumínio e afirmou diante de todos que quem
conseguisse, de alguma forma, explorar o metal ficaria rico. Um de seus estudantes,
Charles Martin Hall, que vinha realizando experiências em um laboratório improvisado
desde os 12 anos de idade, continuou suas pesquisas depois de formado e aprendeu a
fazer óxido de alumínio: a alumina.
Em 1886, torna-se público o processo de
obtenção de alumínio por meio da redução eletrolítica da alumina dissolvida em banho
fundido de criolita. Esse procedimento foi desenvolvido separadamente pelo norte-
americano Charles Martin Hall e pelo francês Paul Louis Toussaint Héroult, que o
descobriram e o patentearam quase simultaneamente. Esse processo ficou conhecido
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como Hall-Heróult e foi o que permitiu o estabelecimento da indústria global do
alumínio.
O alumínio encabeça a lista dos metais não-ferrosos como o material mais
popular do mundo devido a variedade de aplicações possíveis de sua utilização, com
uma série de vantagens metalúrgicas. Os condutores elétricos são matérias que
permitem a movimentação de carga em seu interior. Um dos condutores mais utilizados
e conhecidos atualmente é o alumínio, e é sobre ele que falaremos mais a seguir.
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2. O Alumínio
O alumínio é um metal obtido a partir do minério chamado bauxita. O Brasil tem
a terceira maior reserva de bauxita no mundo.
O país também é o sexto maior produtor mundial de alumínio em sua forma
bruta e é o nono maior consumidor do metal no planeta.
3. Aspectos teóricos:
3.1 Propriedades físicas e Químicas
O alumínio, de símbolo químico Al, é um elemento químico metálico trivalente,
leve, sólido cristalino, de cor branco-prateada e sem odor característico. Este metal é
incluído no conjunto dos metais representativos, com número atômico igual a 13 (grupo
do boro) e uma massa atômica relativa de 26,98. O alumínio em temperatura ambiente é
encontrado no estado sólido com ponto de fusão 933,47k e ponto ebulição 2791k.
Tabela com propriedades gerais do alumínio:
Símbolo Al
Família IIIA (Boro)
Numero 13
Massa atômica 26,98
Densidade 2697 kg/m3
Configuração eletrônica [Ne] 3s2 3p1
Estado físico Sólido
Ponto de fusão 933,47K
Ponto de ebulição 2792K
Calor específico 900 J/(Kg.K)
Outra característica importante deste metal é a sua excelente resistência à
corrosão. Quando exposto a agentes oxidantes, forma-se rapidamente na sua superfície
uma película contínua, fina, resistente e protetora, de óxido de alumínio (alumina),
conferindo-lhe alta resistência à corrosão.
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3.2 Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas são determinadas por ensaios rotineiros de amostras
selecionadas como sendo representativas do produto. Estes ensaios mecânicos são
normalmente destrutivos de modo que não devem ser efetuados em produtos acabados,
pois alteram suas condições de funcionalidade, por isso utiliza-se corpos de prova para
realizar os testes.
As principais propriedades mecânicas que o alumínio possui são:
3.2.1 Limite de resistência a tração
É a máxima tensão que o material resiste antes de haver sua ruptura. Calcula-se
dividindo a carga máxima (em quilogramas) aplicada durante o ensaio, pela seção
transversal em milímetros quadrados do corpo-de-prova. Para o alumínio puro recozido,
essa razão é de aproximadamente 4,9 kg/mm2.
3.2.2 Dureza
Define-se como a medida da resistência de um material à penetração. Existem
várias maneiras de se determinar a dureza de um material. Não existe uma relação direta
entre o valor da dureza e as propriedades mecânicas das várias ligas de alumínio. Os
elementos de liga aumentam em muito sua resistência com o alumínio, assim como o
tratamento térmico e o endurecimento pelo trabalho a frio. Entretanto a dureza do
alumínio é significativamente mais baixa do que a maioria dos aços.
3.2.3 Ductibilidade
Refere-se a capacidade do material de deforma-se sem se fraturar quando
submetido a esforços de tração. É também conhecida como a propriedade que os metais
possuem de ser estirados em fios. A fabricação de fios e cabos condutores resulta da
aplicação dessa valiosa propriedade apresentada pelos metais, principalmente o
alumínio e o cobre que são amplamente utilizados na engenharia elétrica.
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3.2.4 Maleabilidade
Relaciona-se com a capacidade que tem o material de se deformar sem fraturar,
quando submetido a esforços de compressão, ou seja, é a propriedade que o possui o
material de ser redutível a lâminas, sem ruptura, sob efeito de martelagem ou da
laminação. A alta maleabilidade do alumínio permite à indústria utilizá-lo de diversas
formas e possibilitam a construção de formas adequadas aos mais variados projetos.
3.2.5 Tenacidade
É a medida de energia necessária para romper o material. Difere da resistência a
tração que é a medida da tensão necessária para romper o material.
3.2.6 Brilho
O brilho é uma propriedade física dos metais que esta associada à absorção,
refração ou reflexão da luz branca, ele é explicado porque os elétrons dos metais
ganham energia quando ocorre a incidência da luz branca sobre eles. Ao ganhar energia
o elétron “pula” para níveis mais elevados de energia e quando volta a sua camada de
origem, ele libera a mesma energia na forma de radiação luminosa. É essa luz que
produz a sensação do brilho.
Essa capacidade de reflexão da luz incidente que gera o brilho do alumínio tem
grande aplicabilidade na indústria de confecção de luminárias e refletores, os faróis dos
carros, por exemplo, são superfícies espelhadas com curvatura feitas de alumínio.
3.3 Propriedades Elétricas:
3.3.1 Resistência
Compreende o fator que indica a barreira ao fluxo de portadores cargas de um
condutor, que depende de suas características físicas.
O calculo da resistência em .m é feito através da seguinte fórmula:
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Onde R= resistência, = resistividade, L= comprimento do material, e A= seção
transversal do material.
O único fator extrínseco que altera a resistividade de um material é a
temperatura. Para variações de temperatura não excessivas (até cerca de 400oC), pode-se
admitir como linear a variação com . Nestas condições, a resistividade a uma
temperatura vem dada por:
= o [1 + (T- o)]
Onde = resistividade, o = resistividade do material na temperatura o e =
coeficiente de temperatura.
Classificação dos materiais quanto à resistividade:
Condutores: p= 0.0000001 a 0.00001 ex: cobre, prata;
Semicondutores: p= 0.0001 a 0.0000000001 ex: silício;
Isolantes: p= 0.000000001 tendendo a zero.
Na prática, quanto maior for o valor da resistividade () maior será a resistência
elétrica imposta pelo condutor à passagem de corrente elétrica.
Tabela com a resistividade de alguns materiais:
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MaterialResistividade a 20ºC (20) em
(.m = ohm.metro)
Coeficiente de temperatura
() em (1/ºC)
Prata 1,59 . 10-8 3,75 . 10-3
Cobre 1,673 . 10-8 4,05 . 10-3
Alumínio 2,655 . 10-8 4,03 . 10-3
Tungstênio 5,50 . 10-8 4,70 . 10-3
Ferro 9,71 . 10-8 5,76 . 10-3
Platina 9,83 . 10-8 3,64 . 10-3
Mercúrio 95,8 . 10-8 0,88 . 10-3
3.3.2 Condutância
Compreende o inverso da resistência sendo o fator que indica a facilidade ao
fluxo de portadores cargas de um condutor, que depende de suas características físicas.
O calculo da condutância em (.m)-1 é feito através da seguinte fórmula:
Onde G= condutância, R= resistência, = condutância específica do material,
L= comprimento do material, e A= seção transversal do material.
Do mesmo modo que a resistência o único fator extrínseco que altera a
resistividade de um material é a temperatura dada por:
= o [1 + (T- o)]
Tabela com a condutividade de alguns materiais:
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Metal Condutividade (.m)-1x107
Prata 6,8
Cobre 6,0
Ouro 4,3
Alumínio 3,8
Ferro 1,0
Platina 0,94
Aço puro 0,2
Fonte: LUNA. Aelfo Marques, Materiais de Engenharia Elétrica, vol 1
3.3.3 Bandas de energia
De acordo com a teoria das bandas de energia o alumínio, que é classificado
como metal, comporta-se como um condutor não havendo banda proibida (gap) entre as
bandas de Valencia e de condução que estão sobrepostas caracterizando um condutor de
acordo com o esquema:
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4. Aspectos específicos:
4.1 Processo de Fabricação
A obtenção do alumínio é feita a partir da bauxita, um minério que pode ser
encontrado em três principais grupos climáticos: o Mediterrâneo, o Tropical e o
Subtropical. A produção mundial de bauxita em 2004 foi de 157,4 milhões de toneladas,
sendo os principais países produtores Austrália, Brasil, Guiné e Jamaica. Ocupando a 2ª
posição no ranking mundial, em 2004, o Brasil produziu 21 milhões de toneladas de
bauxita. Possui também a terceira maior reserva mundial de bauxita, cujo potencial é da
ordem de 2,5 bilhões de toneladas, concentrada principalmente na região Norte do país
(estado do Pará), as quais tem como principal concessionária a empresa Mineração Rio
do Norte S.A. - MRN.
A bauxita deve apresentar no mínimo 30% de alumina aproveitável para que a
produção de alumínio seja economicamente viável. O processo de obtenção de alumínio
primário divide-se em três etapas: Mineração, Refinaria e Redução, conforme a imagem
a seguir:
Falaremos agora um pouco mais sobre cada uma dessas etapas:
14
4.1.1 Mineração
O alumínio não é encontrado diretamente em estado metálico na crosta terrestre.
Sua obtenção depende de etapas de processamento até chegar ao estado em que o vemos
normalmente. O processo da mineração da bauxita, que origina o alumínio, pode ser
exemplificado da seguinte maneira:
1) Remoção planejada da vegetação e do solo orgânico;
2) Retirada das camadas superficiais do solo (argilas e lateritas);
3) Beneficiamento:
3.1 Inicia-se na britagem, para redução de tamanho;
3.2 Lavagem do minério com água para reduzir (quando necessário) o teor de sílica
contida na parcela mais fina;
3.3 Secagem
4.1.2 Refinaria
A refinaria é a fase do processo que transforma a bauxita em alumina calcinada.
Esta é primeira etapa até se chegar ao alumínio metálico.
1) Dissolução da alumina em soda cáustica;
2) Filtração da alumina para separar o material sólido;
3) O filtrado é concentrado para a cristalização da alumina;
4) Os cristais são secados e calcinados para eliminar a água;
5) O pó branco de alumina pura é enviado à redução;
6) Na redução, ocorre o processo conhecido como Hall-Héroult, por meio da eletrólise,
para obtenção do alumínio.
As principais fases da produção de alumina, desde a entrada do minério até a
saída do produto final 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, conforme figura abaixo.
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Além da bauxita e de combustíveis energéticos, a produção de uma tonelada de
alumina requer outros insumos, cujo consumo depende da qualidade do minério.
Parâmetros de consumo da alumina
1,85 a 3,4
10 a 50
40 a 140
1,5 a 4,0
80 a 130
100 a 1000
150 a 400
0,5 a 3,0
0,5 a 2,0
Fonte: Boletim Técnico - ABAL/Produtores de Alumínio Primário
Bauxita (t/t)
Cal (kg/t)
Soda cáustica (kg/t)
Vapor (t/t)
Óleo combustível - calcinação (kg/t)
Floculante sintético (g/t)
Energia elétrica (kwh/t)
Produtividade (Hh/t)
Água m³/t
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4.1.3 Redução
Redução é o processo de transformação da alumina em alumínio metálico:
1) A alumina é dissolvida em um banho de criolita fundida e fluoreto de alumínio em
baixa tensão, decompondo-se em oxigênio;
2) O oxigênio se combina com o ânodo de carbono, desprendendo-se na forma de
dióxido de carbono, e em alumínio líquido, que se precipita no fundo da cuba
eletrolítica;
3) O metal líquido (já alumínio primário) é transferido para a refusão através de
cadinhos;
4) São produzidos os lingotes, as placas e os tarugos (alumínio primário).
A voltagem de cada uma das cubas, ligadas em série, varia de 4 V a 5 V, dos
quais apenas 1,6 V são necessários para a eletrólise propriamente dita. A diferença de
voltagem é necessária para vencer resistências do circuito e gerar calor para manter o
eletrólito em fusão.
Basicamente, são necessárias cerca de 5 t de bauxita para produzir 2 t de alumina
e 2 t de alumina para produzir 1 t de alumínio pelo processo de Redução.
Os principais insumos para a produção de alumínio primário durante o Processo
de Redução são indicados na tabela a seguir:
Insumos para a produção de alumínio primário (ano-base 2003)
1919 kg/t Al
15,0 MWhcc/t Al
8,0 kg/t
19,7 kg/t
0,384 kg/kg Al
0,117 kg/kg Al
44,2 kg/t
Alumina
Energia elétrica
Criolita
Fluoreto de alumínio
Coque de petróleo
Piche
Óleo combustível
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4.3 Ligas de Alumínio
Os principais elementos de liga das ligas de alumínio incluem combinações dos
seguintes elementos:
Cobre (Cu);
Magnésio (Mg);
Silício (Si);
Manganês (Mn)
Zinco (Zn).
De acordo com o produto, as ligas de alumínio podem ser divididas em dois
grupos:
LIGAS CONFORMADAS OU TRABALHADAS (wrought alloys) – ligas
destinadas à fabricação de produtos semi-acabados, como laminados planos (placas,
chapas e folhas), laminados não planos (tarugos, barras e arames perfis extrudados e
componentes forjados.
LIGAS FUNDIDAS (cast alloys) – ligas destinadas a fabricação de
componentes fundidos.
Somando-se as ligas conformadas e as ligas fundidas, existem mais de 600 ligas
reconhecidas industrialmente.
Estes dois grupos se subdividem em:
LIGAS NÃO-TRATÁVEIS - Não são endurecidas por meio de tratamento
térmico.
LIGAS TRATÁVEIS TERMICAMENTE – São endurecidas por meio de
tratamentos térmicos.
É importante destacar que termo “tratamento térmico” é, no seu sentido mais
amplo, qualquer operação de aquecimento ou resfriamento realizada para modificar as
propriedades mecânicas, estrutura metalúrgica ou estado te tensões internas de um
produto metálico. Nas ligas de alumínio, o tratamento térmico é restrito a operações
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específicas utilizadas para aumentar a resistência e dureza de ligas endurecíveis por
precipitação (conformadas ou fundidas).
4.4 Aplicações
As características do alumínio permitem que ele tenha uma diversa gama de
aplicações. Por isso, o metal é um dos mais utilizados no mundo todo. Material leve,
durável e bonito, o alumínio mostra uma excelente performance e propriedades
superiores na maioria das aplicações. Produtos que utilizam o alumínio ganham também
competitividade, em função dos inúmeros atributos que este metal, podendo ser
utilizado em:
• Embalagens de alimentos e remédios;
• Veículos;
• Utensílios domésticos;
• Construção civil;
• Condutores elétricos.
Pela combinação de elevada condutividade e baixa densidade, tem extensa
aplicação em circuitos aéreos, reduzindo sobremaneira as estruturas de sustentação
(particularmente em linhas de transmissão).
Os condutores de alumínio formados exclusivamente de fio de alumínio (CA)
encontram ainda aplicações como substitutos do cobre em cabos de potência, nas
situações em que o peso do cabo seja relevante, em que o diâmetro externo não seja
fator determinante, ou ainda quando o ambiente externo (em geral, pela presença de
agentes químicos) impeça o uso do cobre.
A pequena resistência à tração é contornada, quando necessário, pela adoção do
condutor de alumínio com alma de aço (CAA), esses cabos são formados por uma alma
central de fio de aço galvanizado, sobrepostas por uma coroa de fios de alumínio ou de
ligas de alumínio. A alma de aço galvanizado serve como um reforço mecânico
adicional por isso este cabo é muito utilizado nas linhas de transmissão aéreas e também
nas linhas de transmissão primaria e secundária.
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Os cabos de alumínio singelo são recomendados para instalações fixas em
circuitos de alimentação, ao ar livre, em locais úmidos ou secos. Pode ser instalado
diretamente enterrado ou em dutos subterrâneos. Eles possuem isolação em polietileno
termofixo.
Algumas conexões como: buchas, bucha de redução, arruelas, conduletes,
abraçadeiras, eletrodutos, luvas de redução e caixas de ligação também são de alumínio
e muito empregado nas instalações elétricas prediais.
O alumínio também é utilizado nas embalagens de alimentos, aumentando a vida
útil do conteúdo da embalagem ou isolando-o da ação da luz, umidade do ar, entrada de
odores externos. O alumínio confere beleza e durabilidade a utensílios domésticos,
móveis, imóveis e veículos entre outros.
4.5 Reciclagem do alumínio
A reciclagem do alumínio oferece muitas vantagens. Os benefícios da atividade
podem ser medidos pela economia de energia elétrica e da bauxita (minério que origina
o alumínio primário) e pelo aspecto social, tendo como base a geração de renda
promovida pela atividade e o número de famílias atendidas por projetos sociais ligados
à reciclagem.
Além dos benefícios sociais e econômicos, a reciclagem do alumínio também
favorece o meio ambiente. O processo de reciclagem utiliza apenas 5% da energia
elétrica e, segundo dados do International Aluminium Institute – IAI, libera somente 5%
das emissões de gás de efeito estufa quando comparado com a produção de alumínio
primário.
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5. Conclusão
O alumínio é amplamente utilizado pela indústria de diversas maneiras. Tal
versatilidade se deve às suas propriedades e excelente performance na maioria das
aplicações. Cada segmento utiliza o metal na forma mais adequada às suas finalidades,
de acordo com os diferenciais e propriedades de cada produto. Podendo ser empregado
desde a fabricação de embalagens de alimentos e remédios até na indústria
automobilística.
No setor elétrico o alumínio é bastante empregado devido a sua elevada
condutibilidade elétrica e leveza, características ideais para uma aplicação confiável na
transmissão de energia, com uma das menores taxas de desperdício de eletricidade ao
longo das redes de transmissão.
Além de todos estes atributos, o alumínio pode ser reciclado infinitas vezes, sem
perder suas características no processo de reaproveitamento. Gerando assim uma
economia de recursos naturais, energia elétrica (no processo, consome-se apenas 5% da
energia necessária para produção do alumínio primário) e oferecerendo ganhos sociais e
econômicos.
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6. Bibliografia
Química um curso universitário. MAHAN, MYERS. Tradução da 4º edição
norte americana, editora Edgard Blucher LTDA, 1996. Cap. 14, páginas 383, 384.
Princípios de Química. MASTERTON, SLOWINKI, STANITSKI. 6º edição,
editora LTC, 1990. Cap. 4, páginas 75 a 77.
http://www.abal.org.br/
Materiais para Engenharia Elétrica. AELFO MARQUES LUNA. Vol 1, 2006
http://www.nacionalcabos.com.br/cabos-de-aluminio.html
