Luís Henrique Pizetta Zordão

Estudo da Influência dos Tipos de Sucata nos Fornos de Refusão de Alumínio

Lorena, 2015

Luís Henrique Pizetta Zordão

Estudo da Influência dos Tipos de Sucata nos Fornos de Refusão de

Alumínio

Projeto de monografia apresentado à Escola de Engenharia de Lorena – Universidade de São Paulo como requisito para obtenção de título de Engenheiro de Materiais Orientador: Profº.Dr. Luiz Tadeu Fernandes Eleno

Lorena, 2015

AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

Dedico este trabalho a minha avó Mercedes, que mesmo distante sempre intercede por mim.

Aos meus pais pelo apoio incondicional.

AGRADECIMENTOS

Primeiramente gostaria de agradecer a Deus, por sempre permanecer ao

meu lado, mesmo nos momentos difíceis, protegendo e guiando-me, afastando

todo mal do meu caminho, e dando-me força para continuar a lutar.

Agradeço a meus pais pelos anos de dedicação e sacrifícios que fizeram,

para poder proporcionar uma educação de excelência e qualidade para os filhos,

e por ofertarem apoio e suporte incondicional, para que eu possa realizar meus

sonhos. Agradeço a minha irmã Olivia que sempre me provocou a desafiar-me e

acreditar em mim.

Agradeço a meu orientador Profº. Dr. Luiz Tadeu Fernandes Eleno pela

oportunidade de desenvolver este projeto. Aproveito para agradecer a Profª. Drª.

Daniela Camargo Vernilli e ao Profº. Drº Fernando Vernilli Júnior por terem

acreditado em mim e terem me proporcionado a experiência de realizar um

projeto de Iniciação Científica durante a graduação, todos, sempre dispostos em

ajudar e transmitir conhecimento.

Agradeço a todos os meus amigos, em especial Ana Maria Ferreira,

Caroline Leal, Guilherme P. Bonfogo, João C. da Silva, Lais C. Rodrigues, Maria

Gabriela G. Dutra, Thais Witt Acosta pelo apoio, amizade, estudos e ajuda que

fizeram a graduação ser muito mais fácil com essa troca de experiências.

Agradeço a Companhia Brasileira de Alumínio, em especial a equipe da

Fundição, pela oportunidade de estagiar em uma empresa de referência como a

Votorantim Metais, e por permitirem a realização deste projeto junto à companhia,

sempre disponíveis a compartilharem seus conhecimentos para o

desenvolvimento deste projeto.

Agradeço a todos da EEL, professores e servidores, que possibilitam o

desenvolvimento pessoal e profissional de todos que passam por esta

Universidade.

A todos que contribuíram para o desenvolvimento deste projeto, meu

sincero agradecimento.

Cada segundo é tempo de mudar tudo para sempre.

Charles Chaplin.

RESUMO

O alumínio é referência quando se trata de reciclagem. Isto se deve ao seu

potencial infinito de reciclagem sem perder suas características e também pela

economia de energia elétrica necessária para sua produção, quando comparada

advinda do processo eletrolítico de produção de alumínio primário. O processo de

reciclagem é capaz de economizar 95% de energia e liberar somente 5% das

emissões de gases de efeito estufa quando comparado com a produção de

alumínio primário, segundo dados do International Aluminium Institute (IAI), além

de diminuir substancialmente o volume de resíduos que acabariam tendo como

destino os aterros sanitários. Segundo a Associação Brasileira de Alumínio do

Brasil a reciclagem de alumínio apresenta índices superiores à média mundial,

sendo capaz de reciclar quase toda a sucata disponível. A Companhia Brasileira

de Alumínio (CBA) pertencente ao grupo Votorantim possui em sua unidade

produtiva em Alumínio – SP, uma área responsável especificamente pela fusão

de sucata de alumínio proveniente dos processos internos bem como pela compra

desse tipo de matéria prima de terceiros. Essa sucata apresenta-se com variados

tipos e composições químicas de acordo com sua aplicação no mercado de

produtos acabados. Toda a sucata chega para este processo separada por liga e

tipo, é então disposta em áreas separadamente, para posterior carregamento em

fornos, onde ocorrerá o processo de fusão, alimentando os outros processos

produtivos da fábrica. A fim de reduzir o consumo de alumínio primário nos

processos de fundição, e aumentar o consumo de sucata, este estudo pretende

analisar a influência dos tipos de sucata e seu impacto nos fornos de refusão.

Palavras chaves: Alumínio; Sucata; Reciclagem

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................... 14

1.1. OBJETIVO....................................................................................................................... 16

2. REVISÃO DA LITERATURA .............................................................................. 17

2.1. ALUMÍNIO ....................................................................................................................... 17

2.2. CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS DE ALUMÍNIO ........................................................................... 20

2.2.1. Série 1XXX ........................................................................................................... 20

2.2.2. Série 2XXX a 7XXX .............................................................................................. 21

2.3 RECICLAGEM .................................................................................................................. 23

2.3.1. Matéria Prima ............................................................................................................. 24

2.4. RESÍDUOS SÓLIDOS DO PROCESSO DE FUSÃO DE SUCATA .................................................. 27

2.5. FATORES QUE AFETAM A FORMAÇÃO DE ESCÓRIA .............................................................. 28

3. MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................. 29

3.1 MATÉRIA- PRIMA................................................................................................................... 29

3.2 LOCAL DE TRABALHO E PROCESSAMENTO ............................................................................... 30

3.3. COLETA DE DADOS .............................................................................................................. 31

3.3.1 Rendimento Metálico e Geração de Escória................................................................. 32

3.3.2 Consumo de Gás ......................................................................................................... 32

3.3.3 Tabulação dos Dados .................................................................................................. 33

3.4 O FATOR DE CARGA E DE CARREGAMENTO ............................................................................. 34

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO .......................................................................... 36

4.1 MATÉRIA-PRIMA ................................................................................................................... 36

4.1.1 Forno A ....................................................................................................................... 37

4.1.2 Forno B ....................................................................................................................... 39

4.1.3 FORNO C .................................................................................................................... 42

4.1.4 Forno D ....................................................................................................................... 44

4.2 CONSUMO DE GÁS ................................................................................................................ 48

5. CONCLUSÃO ..................................................................................................... 54

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................... 57

Índice de Tabelas

Tabela 1 - Comparação de propriedades entre Al, Aço e Cu. [1]. _____________ 14

Tabela 2 - Importações Brasileiras de Alumínio (Peso Total) [1]. _____________ 15

Tabela 3 – Produção Mensal Nacional de Alumínio Primário. [1] _____________ 16

Tabela 4 - Classificação das ligas de Alumínio - NBR 6599:2000 ____________ 20

Tabela 5 - Comparação entre produção primária e reciclagem. [11] ___________ 24

Tabela 6 - Classificação de matéria-prima de acordo com o ciclo de utilização. _ 25

Tabela 7 - Classificação de sucatas de aluminio segundo a ABAL.[13]_________ 26

Tabela 8 - Classificação de Resíduos Segundo a NBR 10004/2004.[14] _______ 28

Tabela 9 - Composição química segundo a ASTM. _______________________ 29

Tabela 10 - Classificação dos tipos de sucata e fator correspondente. ________ 34

Tabela 11 - Tipos de sucata e ligas mais carregados no Forno A. ___________ 37

Tabela 12 - Tipos de sucata e ligas mais carregados no Forno B. ___________ 40

Tabela 13 - Tipos de sucata e ligas mais carregados no Forno C. ___________ 42

Tabela 14 - Tipos de sucata e ligas mais carregados no Forno D. ___________ 45

Tabela 15 - Fator de carregamento médio vs RM médio para os fornos. ______ 47

Índice de Figuras

Figura 1 – Consumo Doméstico de Alumínio por Setor no ano de 2013 [1]. _____ 14

Figura 2 - Diagrama simplificado do processo Bayer para produção de hidróxido

de alumínio e alumina a partir da bauxita. [3] ____________________________ 19

Figura 3 - Diagrama de Fases Al-Si. [10] ________________________________ 22

Figura 4 - Gráfico da porcentagem das ligas consumidas. _________________ 29

Figura 5 - Fluxograma do processo produtivo. ___________________________ 30

Figura 6 - Gráfico das ligas consumidas. _______________________________ 36

Figura 7 - Ligas consumidas nos carregamentos do Forno A. _______________ 37

Figura 8 - Histograma representativo do fator de carregamento do Forno A. ___ 38

Figura 9 - Gráfico da relação entre o fator de carregamento e rendimento metálico

(FORNO A). _____________________________________________________ 38

Figura 10 - Análise da regressão entre os dados do Forno A. _______________ 39

Figura 11 - Ligas consumidas nos carregamentos do Forno B. ______________ 39

Figura 12 - Histograma representativo do fator de carregamento do Forno B. __ 40

Figura 13 - Análise da regressão entre os dados do Forno B. _______________ 41

Figura 14 - Gráfico da relação entre o fator de carregamento e rendimento

metálico (FORNO B). ______________________________________________ 41

Figura 15 - Ligas consumidas nos carregamentos do Forno C. ______________ 42

Figura 16 - Histograma representativo do fator de carregamento do Forno C. __ 43

Figura 17 - Gráfico da relação entre o fator de carregamento e rendimento

metálico (FORNO C). ______________________________________________ 43

Figura 18 - Análise da regressão entre os dados do Forno C. _______________ 44

Figura 19 - Ligas consumidas nos carregamentos do Forno D. ______________ 44

Figura 20 - Histograma representativo do fator de carregamento do Forno D. __ 45

Figura 21 - Gráfico da relação entre o fator de carregamento e rendimento

metálico (FORNO D). ______________________________________________ 46

Figura 22 - Análise da regressão entre os dados do Forno D. _______________ 46

Figura 23 - Gráfico da relação entre o fator de carregamento e rendimento

metálico (GERAL). ________________________________________________ 46

Figura 24 - Análise da regressão entre os dados de todos os fornos. _________ 47

Figura 25 - Relação entre Fator de Carregamento e Consumo de Gás. a) Forno A;

b) Forno B c) Forno C e d) Forno D. __________________________________ 49

Figura 26 - Relação entre o tempo de ciclo e consumo de gás no Forno A. ____ 50

Figura 27 - Análise da regressão entre o tempo de ciclo e o consumo de gás do

Forno A. ________________________________________________________ 50

Figura 28 - Relação entre o tempo de ciclo e consumo de gás no Forno B. ____ 51

Figura 29 - Análise da regressão entre o tempo de ciclo e o consumo de gás do

Forno B. ________________________________________________________ 51

Figura 30 - Relação entre o tempo de ciclo e consumo de gás [no Forno C. ___ 51

Figura 31 - Análise da regressão entre o tempo de ciclo e o consumo de gás do

Forno C. ________________________________________________________ 52

Figura 32 - Relação entre o tempo de ciclo e consumo de gás no Forno D. ___ 52

Figura 33 - Análise da regressão entre o tempo de ciclo e o consumo de gás do

Forno D. ________________________________________________________ 52

Figura 34 - Relação entre o tempo de ciclo e consumo de gás de todas as

amostras selecionadas. ____________________________________________ 53

Figura 35 - Relação entre intervalos de fator de carregamento e rendimento

metálico. ________________________________________________________ 55

14

1. Introdução

A Companhia Brasileira de Alumínio, fábrica do grupo Votorantim Metais,

situada no município de Alumínio – SP, destaca-se nesses seus 60 anos de

atuação no mercado nacional e global com indicadores expressivos mostrando

toda sua força, sendo a maior fábrica integrada de alumínio do mundo,

realizando na mesma unidade desde o processamento da bauxita até ao

acabamento de sua manufatura entregue ao mercado.

Uma excepcional combinação de propriedades faz do alumínio um dos

mais versáteis materiais utilizados na engenharia, arquitetura e indústria em

geral (Figura 1) [1]. Isso o coloca em destaque quando comparado com outros

metais utilizados pela indústria (Tabela 1):

Propriedades físicas típicas Alumínio Aço Cobre

Densidade (g/cm³) 2,70 7,86 8,96

Temperatura de fusão (°C) 660 1500 1083

Módulo de elasticidade (MPa) 70.000 205.000 110.000

Condutibilidade térmica a 25°C (cal/cm/°C) 0,53 0,12 0,94

Condutibilidade elétrica (%IACS) 61 14,5 100

Tabela 1 - Comparação de propriedades entre Al, Aço e Cu. [1]

.

Figura 1 – Consumo Doméstico de Alumínio por Setor no ano de 2013

[1].

15

Além disso é um metal que pode ser infinitamente reciclável sem perder

suas propriedades físico-químicas. Essa característica confere ao metal uma

vantagem competitiva no mercado, pois a reciclagem de alumínio economiza

cerca de 95% da energia quando comparado ao processo eletrolítico e libera

somente 5% das emissões de gás de efeito estufa quando comparado com a

produção de alumínio primário, segundo dados do International Aluminium

Institute (IAI), e ainda beneficia o meio ambiente e a sociedade, pois reduz a

quantidade de resíduos que poderiam acabar em aterros ou simplesmente

descartados inadequadamente, diminuindo o consumo de matéria-prima

virgem. [2]

No ambiente da sustentabilidade e compromisso com a sociedade onde

estão inseridas, as empresas veem na reciclagem uma forma de se tornarem

mais competitivas fazendo dessa prática uma maneira de diminuir seus custos

de produção, refletindo no preço do produto acabado, e uma manchete para

seu marketing ecológico. Essa atitude já é perceptiva quando olhamos os

números do setor no país (Tabela 2 e 3):

Capítulo 76 da NCM

1º Semestre 2014

1º Semestre 2015

Variação 2015/2014 (%)

Volume

(1000 t)

Valor

FOB(milhões US$)

Volume

(1000 t)

Valor

FOB(milhões US$)

Volume Valor

FOB

Alumínio Primário / Ligas

190,6 413 196,2 461 2,9 11,6

Sucata 22,7 36 36,3 65 59,9 80,6

Semimanufaturados / Manufaturados

92,6 493 86,3 438 -6,8 -11,2

Total 305,9 942 318,8 964 4,2 2,3

Peso Alumínio (e) 306,0 - 319,8 - 4,5 -

Tabela 2 - Importações Brasileiras de Alumínio (Peso Total) [1]

.

Nota: (e) - estimado com base em pesquisa de mercado NAP/MA - Agosto/2015, inclui o volume de "rodas de alumínio", classificadas no item NCM/SH 8708.70.90.

Fonte: SISCOMEX - Sistema Integrado de Comércio Exterior - SECEX/MDIC.

16

Período

2013 /

2012

(%)

2014 /

2013

(%)

2015 /

2014

(%) Período

2013 /

2012

(%)

2014 /

2013

(%)

2015 /

2014

(%)

JANEIRO -5,5 -9,3 -32,3 JULHO -8 -36,5 -9,8

FEVEREIRO -8,6 -13,2 -31,4 AGOSTO -7,7 -37,7 -9,2

MARÇO -6,4 -13,6 -28,6 SETEMBRO -10,1 -34,9 -10,5

ABRIL -9,1 -18,4 -28,3 OUTUBRO -12,4 -32,4 -

MAIO -10,4 -26,5 -22,8 NOVEMBRO -10,5 -31,4 -

JUNHO -10,7 -31,7 -14,7 DEZEMBRO -11,3 -32 -

Total Ano -9,2 -26,2 -22,3

Tabela 3 – Produção Mensal Nacional de Alumínio Primário. [1]

Percebe-se que as importações brasileiras de sucata (Tabela 2) estão

em ritmo de crescimento apresentando uma variação positiva, em volume, de

aproximadamente 60%, enquanto que a produção nacional de alumínio

primário vem registrando quedas consecutivas nos últimos anos e para 2015 já

atingiu, até setembro, um acumulado negativo de 22,3%.

1.1. Objetivo

A fim de reduzir o consumo de alumínio primário nos processos de

fundição, e aumentar o consumo de sucata, diminuindo custos e tornando o

produto acabado mais competitivo ao mercado este estudo pretende analisar a

influência dos tipos de sucata e seu impacto nos fornos de refusão.

17

2. Revisão da Literatura

2.1. Alumínio

O alumínio é o terceiro elemento mais abundante na crosta terrestre mas

só começou a ser produzido comercialmente a cerca de 150 anos.

A produção de alumínio em escala industrial somente foi possível em

1886, quando Charles Martin Hall, nos Estados Unidos, e Louis Toussaint

Héroult, na França, obtiveram o metal puro a partir da eletrólise do óxido de

alumínio (alumina) em banho de criolita. O processo Hall-Héroult, como é

conhecido, ainda é o principal processo de produção de alumínio. [1]

Os compostos de alumínio, por outro lado, servem a humanidade há

mais de 4000 anos. Diversos compostos de íons Al3+ apresentam relevância

industrial no mundo atual, como, por exemplo: Al(OH)3, Al2O3, Na[Al(OH)4],

Al2(SO4)3 e haletos de alumínio, dos quais os dois primeiros, usados para a

produção do metal, são os de maior importância econômica. Dentre as

principais aplicações dos compostos de alumínio destacam-se o tratamento

para obtenção de água potável, o tingimento de tecidos, a manufatura de

produtos de higiene, medicamentos, refratários e catalisadores. [3]

O minério de importância industrial para obtenção do alumínio metálico e

de muitos compostos de alumínio é a bauxita. Os principais constituintes deste

material são a gibsita, ɣ-Al(OH)3, e os polimorfos boehmita, ɣ-AlO(OH), e

diaspório, α-AlO(OH)3, sendo que as proporções das três formas variam

dependendo da localização geográfica do minério. As impurezas presentes na

bauxita são óxidos de ferro (hematita, magnetita e goetita, entre outros), sílica,

óxido de titânio e aluminossilicatos. A composição típica da bauxita de uso

industrial é: 40-60% de Al2O3; 12-30% de H2O combinada; 1-15% de SiO2 livre

e combinada; 1-30% de Fe2O3; 3-4% de TiO2; 0,05-0,2% de outros elementos e

óxidos. [3]

As primeiras referências sobre a bauxita no Brasil estão nos Anais de

1928 da Escola de Minas de Ouro Preto. Naquela época estavam na corrida

para a produção de alumínio metálico no país duas iniciativas: a da Elquisa -

Eletro Química Brasileira S/A, de Ouro Preto (MG) e a da CBA - Companhia

18

Brasileira de Alumínio, em Alumínio (SP). Os registros mostram que, no

período, os primeiros quilos de alumínio primário foram produzidos no Brasil,

entretanto a produção era ínfima frente à necessidade do mercado. [1]

A Companhia Brasileira de Alumínio - CBA tinha suas reservas

mineralógicas de bauxita em Poços de Caldas, porém a unidade fabril para a

transformação do minério em alumínio primário se instalou em Alumínio, devido

à disponibilidade de energia elétrica e combustível.

A empresa paulista é uma das pioneiras que ainda permanece no mercado,

atuando como Votorantim Metais-CBA. [1]

Contudo, para produzir 1 tonelada de alumínio são necessárias 2

toneladas de alumina, provenientes, por sua vez, de 4-7 toneladas de bauxita.

Mostrando-se como um processo de pouca eficiência, alta geração de resíduos

e elevado consumo de energia. Aproximadamente, para cada tonelada de

alumina produzida, 5 toneladas de resíduos são gerados e o consumo

energético médio da indústria brasileira para a produção de alumínio é da

ordem de 15 MWh/t de alumínio. [4]

As principais reservas de bauxita são encontradas na América do Sul

(33%), África (27%), Ásia (17%) e Oceania (13%), sendo que as três maiores

localizam-se na Guiné (1ª), Brasil (2ª) e na Austrália (3ª). O Brasil, além de

possuir grandes reservas (especialmente na região de Trombetas, no Pará, e

em Minas Gerais), é também um dos maiores produtores do minério, ocupando

lugar de destaque no cenário mundial. [3]

A rota comercial mais importante para a purificação da bauxita é o

processo Bayer, que é utilizado para a manufatura de hidróxido e de óxido de

alumínio. A Figura 2 mostra um esquema simplificado desse processo: [3]

19

Figura 2 - Diagrama simplificado do processo Bayer para produção de hidróxido de alumínio e

alumina a partir da bauxita. [3]

As tecnologias usadas no processo Hall - Héroult são duas, e se

diferenciam pelo tipo de ânodo empregado. As cubas com ânodo pré-cozido e

as cubas com ânodo Söderberg. Os ânodos pré-cozidos são feitos em um

processo separado, empregando coque de petróleo e piche como matéria

prima. Estes ânodos são consumidos durante o processo e têm de ser trocados

intermitentemente. Como os ânodos Söderberg são cozidos pelo calor da

própria cuba eletrolítica, eles não precisam ser trocados e são consumidos

continuamente. [5]

O banho eletrolítico usado é criolita (Na3AlF6), que é o melhor solvente

da alumina. As funções principais do eletrólito são permitir uma boa dissolução

20

da alumina e permitir uma boa separação física das fases produzidas durante a

eletrólise (eletrólito – alumínio). [5]

2.2. Classificação das Ligas de Alumínio

A classificação das ligas de alumínio que é feita pela Associação

Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) de acordo com a NBR – 6599:2000 –

Alumínio e suas Ligas – Processos e Produtos – Terminologia, que classifica

as ligas de alumínio em grupos numéricos composto de 4 dígitos, em que o

primeiro dos quatros dígitos deve representar o elemento principal constituinte

da liga, de acordo com a tabela abaixo [6]:

GRUPO IDENTIFICAÇÃO

Alumínio puro (%Al mínimo = 99,00%) 1XXX

Cobre 2XXX

Manganês 3XXX

Silício 4XXX

Magnésio 5XXX

Magnésio e Silício 6XXX

Zinco 7XXX

Outros elementos 8XXX

Série não utilizada 9XXX Tabela 4 - Classificação das ligas de Alumínio - NBR 6599:2000

2.2.1. Série 1XXX

O segundo dígito da classificação representa os limites de impurezas ou

elementos de liga. A nulidade deste número é indicativa que o alumínio é não

ligado e contém impurezas em seus limites naturais [6].

Os dois últimos algarismos da classificação são indicativos da

percentagem de alumino. Para alumínio não ligado produzido em refinarias a

percentagem de alumínio deve ser a diferença entre 100 e a soma de todos os

outros elementos metálicos, inclusive o Si, em quantidades de 0,001% ou mais

e arredondados para a segunda casa decimal antes da subtração [6].

O material deste grupo é caracterizado por possuir excelente resistência

à corrosão, elevada condutibilidade térmica e elétrica, excelente

trabalhabilidade e baixa resistência mecânica. Assim, é comumente aplicado

em trocadores de calor e na indústria química [7].

21

2.2.2. Série 2XXX a 7XXX

O segundo dígito da classificação representa a liga original e

modificações da liga. A nulidade deste número é indicativa que o alumínio é

não ligado e contém impurezas dentro de limites. Os algarismos 1 a 9 indicam

modificações e são determinados pelo elemento de liga presente em maior

porcentagem. Os últimos dois algarismos da classificação são indicativos das

diferentes liga da série [6].

Série 2XXX – Possuem o cobre como elemento de liga predominante.

São ligas termicamente tratáveis podendo ter sua resistência mecânica elevada

a ponto de superar a de aços de médio carbono. Entretanto, a elevada

resistência não elimina a alta ductibilidade e a capacidade de conformação. A

liga mais conhecida da série é a 2024, usada principalmente na indústria

aeronáutica [7].

Série 3XXX – Possui o manganês como elemento de liga principal. A

alta resistência à corrosão e a capacidade de conformação são comparáveis às

das ligas da série 1XXX. Como principal representante da série destacam-se

as ligas 3003, uma das mais versáteis empregada desde utensílios domésticos

até equipamento automobilísticos [7]; e a liga 3105, liga de alumínio-manganês,

com boa resistência à corrosão e boa formabilidade. Indicada para uso geral

em aplicações de moderada resistência mecânica, que requerem boa

formabilidade e boa resistência à corrosão [8]. Exemplos: coberturas para

construção civil (telhas); calhas e forros; fachadas; carrocerias de ônibus e

caminhões; tampas metálicas; estampagem em geral [9].

Série 4XXX – O silício é o elemento de liga principal da série 4XXX,

adicionado ao alumínio com a finalidade de reduzir a temperatura de fusão da

liga, como mostra a Figura 3.

22

Figura 3 - Diagrama de Fases Al-Si.

[10]

As ligas desse grupo são usadas em varetas de solda, utilizadas na

soldagem das ligas dos grupos 1XXX, 3XXX e 6XXX e na técnica de

brasagem [7].

Série 5XXX – Ligas do grupo alumínio-magnésio, nas quais o magnésio

é o principal elemento de liga. São dúteis no estado recozido, mas endurecem

rapidamente sob trabalho a frio; possuem excelente soldabilidade e alta

resistência à corrosão em ambientes marítimos. Em geral a resistência

mecânica aumenta com os teores crescentes de magnésio [8]. Como

representante da série pode destacar a liga 5052 que é aplicada em

carrocerias para ônibus e caminhões, placas de sinalização, indústria naval,

persianas, peças estampadas com alta solicitação mecânica, vagões

ferroviários, piso para ônibus (chapa piso) [9].

Série 6XXX - Contém magnésio e silício como principais elementos de

liga. São ligas tratadas termicamente de moderada resistência mecânica.

Possuem proporções aproximadamente iguais de magnésio e silício para a

formação de silicato de magnésio, o que as tornam termicamente tratáveis [7].

Como representante pode-se destacar a liga 6060 e 6063 que apresentam

média resistência mecânica, alta resistência à corrosão e boa conformabilidade

(melhor é a 6063). Apropriada para anodização decorativa fosca [9].

23

Série 7XXX – O zinco é o elemento de liga principal da série 7XXX.As

ligas são tratadas termicamente quando apresentam pequenas quantidades de

magnésio. Atingem valores de resistências comparadas ao aço estrutural, mas

é recomendada proteção superficial. As ligas desse grupo são utilizadas

quando o fator resistência/peso é a principal característica, como na indústria

aeronáutica. A mais conhecida e resistente desse grupo é a 7075. [7]

2.3 Reciclagem

Os metais raramente são utilizados em sua forma pura; precisam que

outros elementos sejam incorporados a ele para um melhor desempenho.

Alguns metais de base bem conhecidos como o alumínio, magnésio e ferro são

usados em sua grande maioria na forma de ligas. O alumínio necessita de

elementos, tais como: Si, Cu, Zn, Fe, Mn ou de ligas de Mg, para compensar a

alta plasticidade e moldabilidade da sua forma pura.[11]

Devido à aplicação destinada ao produto final ele acaba ainda sendo

combinado com outros metais, compostos orgânicos e inorgânicos, através de

conexões mecânicas (parafusos, rebites, soldas e adesivos) ou revestimentos

sobre os metais (pintura, eletrodeposição). Portanto a reciclagem, mesmo

estritamente centrada em metais, tem de lidar com não metálicos. O processo

de preparação de sucata é tecnologicamente muito mais ambicioso que

qualquer beneficiamento de minério, tentando separar da sucata, tanto quanto

possível, por meios mecânicos ou físicos, materiais não metálicos e

indesejáveis, evitando perdas de material a ser reciclado. [11]

A reciclagem de metais tem de aceitar qualquer forma, tamanho e

composição dos produtos contendo o metal a ser recuperado, e a tecnologia

aplicada tem de ser capaz de lidar com a infinidade de possibilidades da

alimentação e, portanto, não existe base padronizada para projetos de

processos e layout de fábrica. No momento em que produtos metálicos são

sucateados no seu fim de vida não há como destiná-los a um processo

exclusivo que atenda à sua composição e densidade. Procuram-se então

condições similares de experiências passadas e explora-se este conhecimento

para fazer previsões precisas. [11]

24

De um modo geral, a metalurgia da reciclagem é baseada em teorias e

tecnologia de produção de metais primários, mas com suas próprias

características, devido à alimentação ser variada e diversificada. Embora

existam muitas semelhanças entre a extração primária e secundária de metais,

a metalurgia da reciclagem tem diferenças significativas da metalurgia básica

em vários aspectos. Os princípios de processamento e teoria da metalurgia de

reciclagem têm um foco especial, no entanto, os princípios termodinâmicos são

os mesmos em ambos os casos. [11]

PRODUÇÃO PRIMÁRIA

DE METAIS

RECICLAGEM DE

METAIS

MATÉRIA-PRIMA Minérios oxidados ou

sulfetados

Sucata de metais e ligas,

escórias, poeiras de

combustão, produtos de

reações químicas.

PRODUTOS Metais puros ou ferroligas Ligas (maioria); metal

puro.

PROCESSAMENTO/

TECNOLOGIA

Preparação da matéria-

prima: beneficiamento de

minério: moagem,

separação física;

peletização; sinterização.

Preparação da matéria-

prima: desmantelamento;

triagem; trituração;

prensamento; separação

mecânica.

Pirometalurgia: redução de

minérios de óxidos;

torrefação de sulfetos e

subsequente redução,

refino. Eletrólise.

Coprocessamento em

circuito de fusão primária;

fundição de redução;

conversão de sucata;

refino.

Hidrometalurgia: lixiviação,

purificação, precipitação.

Eletrorefino

Hidrometalurgia: lixiviação,

purificação, precipitação.

Eletrorefino

Tabela 5 - Comparação entre produção primária e reciclagem. [11]

2.3.1. Matéria Prima

A refusão aparece como uma forma de substituir dos processos a

matéria-prima virgem por uma matéria-prima capaz de ser reciclada, porém a

reciclagem tem seus limites e, de um modo geral, não há processo sem perda.

A fusão de sucata de alumínio pode perder facilmente de 10 a 15% de sua

alimentação metálica por oxidação, arrastamento na escória ou impurezas. [11]

25

O fluxo contínuo de perda de metal tem de ser compensado por matéria-

prima de produção primária, ou seja, mesmo com a utilização da reciclagem

ainda será necessário um fluxo constante de extração mineral para compensar

perdas e o crescimento e desenvolvimento tecnológico, abastecendo a

demanda. [11]

Entre os diferentes tipos de sucata podemos classificar esta matéria-

prima em duas categorias em que, primeiramente, podemos fazer uma

separação de acordo com o número de ciclos de utilização a que o material foi

submetido (Tabela 6). [11]

Categorias de acordo com o número de ciclos de

utilização

1º ciclo 2º ciclo ou superior

Material de Primeira

Geração (MPG)

Material de Segunda

Geração (MSG)

Minérios;

aparas; resíduos de

tarugos ou perfis;

produtos acabados

defeituosos.

Sucata recolhida;

produtos no fim do ciclo

de vida; utensílios

domésticos velhos;

carros velhos.

Tabela 6 - Classificação de matéria-prima de acordo com o ciclo de utilização.

A classificação dos tipos de sucata como matéria-prima é feita de acordo

com os critérios adotados por cada empresa atuante no setor. A Associação

Brasileira do Alumínio (ABAL) adota uma classificação recomendada pelo

Institute of Scrap Recycling Industries (ISRI), de acordo com a tabela abaixo:

TIPO DESCRIÇÃO

TIPO DESCRIÇÃO

Bloco

Blocos de alumínio isentos de

contaminantes (ferro e outros),

com teor máximo de 2% de

óleos e/ou lubrificantes.

Estamparia

branca

Retalhos de chapas e

folhas, sem pintura e

outros contaminantes

(graxa, óleo, parafusos,

rebites etc.), gerados em

atividades industriais.

26

Cavaco

Cavacos de alumínio de

qualquer tipo de liga, com teor

máximo de 5% de

umidade/óleo, isentos de

contaminantes (ferro e outros).

Latas

prensadas

Latas de alumínio usadas

decoradas, prensadas com

densidade entre 400 kg/m3

e 530 kg/m3, com fardos

paletizados ou amarrados

em lotes de 1.500 kg, em

média, com espaço para

movimentação por

empilhadeira, teor máximo

de 2,5% de impurezas,

contaminantes e umidade.

Chaparia

Retalhos de chapas e folhas,

pintadas ou não, com teor

máximo de 3% de impurezas

(graxa, óleo, parafusos,

rebites etc.); chapas usadas

de ônibus e baús, pintadas ou

não; tubos aerossol (sem

cabeça); antenas limpas de

TV; cadeiras de praia limpas

(isentas de plástico, rebites e

parafusos).

Panela

Panelas e demais

utensílios domésticos

("alumínio mole"), isentos

de cabos - baquelite,

madeira, etc. - e de ferro -

parafusos, rebites etc.

Chaparia

Mista

Forros, fachadas decorativas e

persianas limpas (sem

cordões ou outras impurezas).

Perfil branco

Retalhos de perfis sem

pintura ou anodizados,

soltos ou prensados,

isentos de contaminantes

(ferro, óleo, graxa e

rebites).

Chapas

off-set

Chapas litográficas soltas,

novas ou usadas, da série

1000 e/ou 3000, isentas de

papel, plástico e outras

impurezas.

Perfil misto

Retalhos de perfis

pintados, soltos ou

prensados, com

teor máximo de 2% de

contaminantes (ferro, óleo,

graxa e rebites).

Tabela 7 - Classificação de sucatas de aluminio segundo a ABAL.[13]

Embora haja limites nos teores de contaminantes e impurezas como

mostra a Tabela 7, no ambiente industrial essa distinção raramente é

estabelecida uma vez que há limitações e dificuldade para a análise química de

todos os tipos de sucata.

27

2.4. Resíduos Sólidos do Processo de Fusão de Sucata

As perdas de fusão são inevitáveis e ocorrem no processo da reciclagem

de alumínio. Uma dessas fontes de perdas é a oxidação dos metais em fusão

transformando-os em escória, um resíduo sólido inerente do processo.

Resíduos sólidos são resíduos nos estados sólido e semi-sólido, que

resultam de atividades de origem industrial, doméstica, hospitalar, comercial,

agrícola, de serviços e de varrição. Ficam incluídos nesta definição os lodos

provenientes de sistemas de tratamento de água, aqueles gerados em

equipamentos e instalações de controle de poluição, bem como determinados

líquidos cujas particularidades tornem inviável o seu lançamento na rede

pública de esgotos ou corpos de água, ou exijam para isso soluções técnicas e

economicamente inviáveis em face à melhor tecnologia disponível. [14]

Para a distinção destes resíduos a Associação Brasileira de Normas

Técnicas mostra na norma NBR 10004/2004 uma classificação quanto à

periculosidade e meios adequados de destinação destes resíduos. A tabela

abaixo exemplifica esta distinção:

CLASSIFICAÇÃO DE RESÍDUOS

Resíduos Classe I

Perigosos

Aqueles que apresentam periculosidade (risco à saúde pública ou risco ao meio ambiente), ou uma das características de: inflamabilidade corrosividade reatividade toxicidade patogenicidade ou constem nos anexos: Anexo A – Resíduos perigosos de fontes não específicas. Anexo B – Resíduos perigosos de fontes específicas.

Resíduos Classe II A

Não inertes

Aqueles que não se enquadram nas classificações de resíduos Classe I – Perigosos ou de resíduos Classe II B. Os resíduos classe II A – Não Inertes podem ter propriedades, tais como: biodegradabilidade, combustibilidade ou solubilidade em água.

28

Resíduos classe II B

Inertes

Quaisquer resíduos que não tiverem nenhum de seus constituintes solubilizados a concentrações superiores aos padrões de potabilidade de água, excetuando-se aspecto, cor, turbidez, dureza e sabor, conforme Anexo G – Padrões para o ensaio de solubilização.

Tabela 8 - Classificação de Resíduos Segundo a NBR 10004/2004.[14]

A escória do alumínio é um resíduo industrial de classe I, pois os efeitos

do alumínio no organismo humano vão desde anemia por deficiência de ferro à

intoxicação crônica. Recomenda-se que para os materiais classificados neste

grupo o destino e tratamento devem ser adequados. Para o recebimento deste

tipo de resíduo, os aterros industriais devem conter mantas impermeáveis e

camadas a fim de proteger o solo e a água da contaminação. [12]

Durante o processo de fusão, há a exposição do metal líquido à

temperatura do forno e também à atmosfera; esta combinação de fatores

resulta em uma camada de óxido de alumínio (Al2O3) na superfície do banho. A

composição química desta camada varia grandemente, pois depende

basicamente da liga que está sendo produzida e da manipulação das matérias-

primas necessárias para o processo. [12]

2.5. Fatores que Afetam a Formação de Escória

A escória é formada principalmente em função da oxidação do metal

líquido. A espessura da camada de escória formada depende

fundamentalmente da temperatura em que se encontra o banho líquido. A

temperatura ótima de fusão do alumínio no processo varia entre 700ºC e

750ºC; maiores temperaturas tendem a favorecer a oxidação e

consequentemente a elevar a espessura da camada de óxido de alumínio,

durante o processo de fundição. As perdas no processo de transformação de

alumínio secundário em ligas de alumínio, como no caso da reciclagem, podem

variar de 2 a 7,5%. [12]

Um fator importante para as perdas de produtividade durante a fusão de

sucata de alumínio é a área da matéria-prima a ser fundida. A oxidação ocorre

em maior grau quanto maior for a relação área/peso do material, ou seja,

quanto menor a espessura do material a ser fundido, maior será a sua

oxidação naquele banho e consequentemente maior será a geração de

resíduos. [12]

29

3. Materiais e Métodos

3.1 Matéria- Prima

Para a realização do trabalho foram utilizadas como matéria-prima uma

gama variada de tipos de sucatas e ligas, que puderam ser aplicadas nos

carregamentos sem que isso acarretasse em contaminações no banho de

metal da liga em produção. Entre os dados da análise podemos demonstrar a

percentagem do consumo, em peso, das ligas mais consumidas:

Figura 4 - Gráfico da porcentagem das ligas consumidas.

As composições das ligas seguem valores padronizados para serem

produzidas e comercializadas. A tabela abaixo apresenta a composição

química, segundo a ASTM, das ligas de sucata mais consumidas para a

realização deste estudo.

LIGA Si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Zn Ti Ga V Variações Outros

Al. mín. Cada Total

8011 0,50-0,9 0,6-

1,0 0,1 0,2 0,05 0,05 - 0,1 0,1 - - - 0,05 0,15 Rest.

3105 0,6 0,7 0,3 0,3-0,8 0,2-0,8 0,2 - 0,4 0,1 - - - 0,05 0,15 Rest.

5052 0,25 0,4 0,1 0,1 2,2-2,8 0,15-

0,35 - 0,1 - - - - 0,05 0,15 Rest.

1370 0,1 0,25 0 0,01 0,02 0,01 - 0,04 - - 0,02 B / 0,02 V + Ti 0,02 0,1 99,7

1050 0,25 0,4 0,1 0,05 0,05 - - 0,05 0 - 0,1 - 0,03 - 99,5

1235 0,65 Si + Fe 0,1 0,05 0,05 - - 0,1 0,1 - 0,1 - 0,03 - 99,35

1350 0,1 0,4 0,1 0,01 - 0,01 - 0,05 - 0,03 - 0,05 B / 0,02 V + Ti 0,03 0,1 99,5

Tabela 9 - Composição química segundo a ASTM.

8011 24%

3105 17%

5052 14%

6060 10%

1370 6%

1050 5%

1000 3%

1235 2%

1350 2%

6000 1%

99,7 1%

1200 1%

OUTRAS 2%

Alumínio Líquido

12%

% DAS LIGAS CONSUMIDAS

30

3.2 Local de Trabalho e Processamento

O estudo se desenvolveu na área produtiva da Fusão da Companhia

Brasileira de Alumínio (CBA), maior usina integrada de alumínio do mundo,

empresa pertencente ao grupo Votorantim. As sucatas utilizadas no estudo

possuem duas origens principais: a primeira corresponde à sucata proveniente

dos processos internos de transformação plástica e de setores da área de

fundição que produzem produtos semi-acabados; e a segunda é proveniente

de aquisição externa de diversas empresas coletoras de sucata.

Nenhuma sucata sofre qualquer tipo de pré-processamento ou

tratamento na área, ou seja, a única etapa pela qual a matéria-prima passa é a

separação por liga e a disposição em locais identificados com as séries de ligas

historicamente mais consumidas. Nenhum tipo de sucata passa por processos

que sejam capazes de remover graxas, óleos, tintas, vernizes ou outro tipo de

deposição superficial nos produtos sucateados. Apenas as sucatas de origem

externa passam por etapas de preparação de matéria-prima como

desmantelamento, triagem, separação mecânica, e/ou prensamento nas

empresas fornecedoras dependendo do tipo de sucata.

A fim de exemplificar de maneira macro todo o processo envolvido, um

fluxograma representativo das etapas é mostrado abaixo:

Figura 5 - Fluxograma do processo produtivo.

31

Foram utilizados quatro fornos no processo de fusão. Estes fornos podem

ser classificados segundo suas características:

Geometria

Capacidade

Alimentação

Tipo de Vazamento

Combustível

A geometria dos fornos utilizados é classificada como circular com

capacidade para carregamento de 42 toneladas, cuja alimentação é feita pela

superfície, classificando a alimentação como “top charger", por não possuir um

sistema basculante o tipo de vazamento é fixo, realizado através de calha por

onde o metal escoa. Para aquecimento do sistema a fonte energética é gás

natural que é injetado através de queimadores localizados nas laterais da

parede do forno.

3.3. Coleta de Dados

Para a etapa de coleta e aquisição de dados foram utilizados dois

formulários padrões para os quatro fornos de fusão, um para anotações

referentes à sucata e outro referente ao consumo de gás, ambos visando à

obtenção de dados de entrada e saídas da etapa de fusão. Os formulários

estão sendo empregados desde abril de 2015 em todos os carregamentos

feitos. O primeiro formulário fornece informações como:

FORNO CARREGADO

DATA

TURNO

CORRIDA

O TIPO DE SUCATA CARREGADA

A LIGA DA SUCATA CARREGADA

A MASSA DE CADA TIPO DE SUCATA CARREGADA

A MASSA DE ESCÓRIA GERADA

32

O segundo formulário referente ao consumo de gás contém quatro

informações básicas principais:

IDENTIFICAÇÃO DO FORNO

CORRIDA

GÁS DE INÍCIO DE CICLO

GÁS DE FUSÃO

Um sistema corporativo de produção é responsável pelo apontamento

de tempo de ciclo, determinado como o tempo entre um carregamento e o fim

da retirada de metal do forno.

3.3.1 Rendimento Metálico e Geração de Escória

A escória, gerada no processo de fusão pela oxidação das matérias-

primas carregadas, é retirada através de remoção mecânica na etapa de

limpeza de forno. Esta coleta de escória só é realiza após completa fusão de

todo material. No estudo foi considerado para o cálculo do rendimento metálico

e porcentagem de geração de escória a relação entre a massa de escória

retirada e a massa total de sucata carregada:

Eq (1)

Eq. (2)

Em que:

η = rendimento metálico

me = massa de escória

ms = massa total carregada

ε = % de escória gerada

3.3.2 Consumo de Gás

O gás de início de ciclo é correspondente ao valor registrado no instante

em que ocorre o fechamento da abóboda do forno iniciando o ciclo de fusão. O

gás de fusão corresponde ao gás registrado no momento em que é retirada a

33

amostra para análise de composição química do banho metálico. Esta etapa

garante que toda a sucata está fundida e o forno já está limpo.

Neste estudo as análises foram feitas apenas sobre o consumo de gás

de ciclo por total carregado, valor correspondente à diferença entre os registros

de consumo de gás de início de ciclo entre corridas.

Eq.(3)

Em que:

= consumo de gás [m³/t]

δ = fator para ajuste de unidades

A = gás de início de ciclo da corrida i

B = gás de início de ciclo da corrida i+1

ms = massa total carregada

3.3.3 Tabulação dos Dados

A aquisição e registros das informações utilizadas neste trabalho foram

realizados no período que consiste entre a segunda quinzena do mês de abril

de 2015 e a primeira quinzena de outubro do mesmo ano. Excluíram-se as

corridas em que houve falhas de apontamento como, por exemplo, a falta de

registro de geração de escória e/ou o registro do consumo de gás.

Diariamente os dados eram transcritos para uma planilha do Microsoft

Office Excel 2010, em que, além dos dados transcritos, algumas informações

eram adquiridas:

TOTAL CARREGADO

FATOR DE CARGA

FATOR DO CARREGAMENTO

ε e η

Outro software utilizado para análises e geração de gráficos foi o

Minitab16 um programa para análises estatísticas.

34

3.4 O Fator de Carga e de Carregamento

O conhecimento pessoal e profissional dos colaboradores da área foi

fundamental para que este parâmetro fosse determinado e estabelecido.

Alguns tipos de sucata quando submetidas ao processo de fusão apresentam

resultados de alguns parâmetros comuns. Esta similaridade entre esses tipos

de sucata, independente do tipo de liga, permitiu que estas sucatas

recebessem um fator de carga comum.

A Tabela 10 abaixo mostra os critérios que levaram a esse agrupamento

dos tipos de sucata e a numeração adotada:

TIPO DE SUCATA

FATOR DE

CARGA

ϝ CARACTERÍSTICA

SUCATA A

1

BAIXA RELAÇÃO

MASSA x VOLUME SUCATA B

SUCATA C ALTA GERAÇÃO DE

ESCÓRIA SUCATA D

SUCATA E PODEM APRESENTAR

DIFICULDADE DE FUSÃO SUCATA F

SUCATA G PODEM APRESENTAR

GERAÇÃO DE VOLÁTEIS SUCATA H

SUCATA I

3

APRESENTAM

CARACTERÍSTICAS

MISTAS ENTRE OS

FATORES 1 E 5

SUCATA J

SUCATA K

SUCATA L

SUCATA M

SUCATA N

5

ALTA RELAÇÃO

MASSA x VOLUME

SUCATA O

SUCATA P

SUCATA Q

SUCATA R BAIXA GERAÇÃO DE

ESCÓRIA SUCATA S

SUCATA T NÃO GERAM VOLÁTEIS

SUCATA U

Tabela 10 - Classificação dos tipos de sucata e fator correspondente.

Após a identificação do fator correspondente aos tipos de sucata para

cada corrida fez-se uma ponderação entre a massa de cada tipo e o fator

correspondente, e assim estabeleceu-se um novo fator, o fator de

35

carregamento (ψ), referente a mistura de sucatas correspondente aquele

carregamento:

ϝ

Eq.(4)

Em que:

ψ = fator de carregamento

ϝ = fator de carga

mi = massa de cada tipo de sucata

ms = massa total carregada

mm = massa de Alumínio líquido

A maioria dos carregamentos é composta por uma mistura dos tipos de

sucata e ligas. Os carregamentos ponderados geram valores de fatores

intermediários e o rendimento do carregamento pode então variar. A fim de

exemplificar esta relação entre o fator de carga e fator de carregamento

seguem os cálculos da corrida 54223811:

Sucata I: 3080 kg – Fator de Carga 3

Sucata J: 19610 kg – Fator de Carga 3

Sucata R: 8010 kg – Fator de Carga 5

Total de 30.700 kg

36

4. Resultados e Discussão

4.1 Matéria-Prima

Primeiramente podemos verificar que entre os mais de 15 tipos de ligas

carregadas no período correspondente à análise dos dados, excluindo-se os

carregamentos que apresentaram falha de apontamentos, a liga mais

consumida foi a liga 8011 (Figura 6).

Como cada forno é responsável por uma produção destinada à

alimentação de outra área produtiva, as análises apresentadas a seguir

refletem o desempenho de cada forno e sua relação com o fator de

carregamento.

O carregamento para a produção de uma determinada liga raramente é

feito utilizando um único tipo de sucata e um único tipo de liga atendendo à

demanda de produção. Toda a mistura de sucata empregada tem sua

influência sobre o fator de carregamento que incidirá diretamente sobre o

desempenho da corrida, por exemplo, o rendimento metálico.

1.001 692 572 511 431 272 196 115 84 69 54 51 44 93

23,92

40,46

54,12

66,33

76,62 83,12

87,80 90,54 92,56 94,21 95,50 96,73 97,78 100,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00

0

200

400

600

800

1.000

%

Ma

ssa

[t]

Ligas

Ligas Consumidas

TOTAL [t] % ACUMULADA DO TOTAL DE MASSA CARREGADA

Figura 6 - Gráfico das ligas consumidas.

37

4.1.1 Forno A

Figura 7 - Ligas consumidas nos carregamentos do Forno A.

Pode-se perceber que para atender a liga em produção os

carregamentos realizados consumiram diversas outras ligas que refletem

diretamente no tipo de sucata consumida. Se analisarmos pelo Principio de

Pareto que diz, “80% de todos os problemas se devem a 20% das causas” [15],

neste caso 80% do total de massa carregada se deve a 20% do total de ligas

utilizadas. A Tabela abaixo relaciona os tipos de sucata e as ligas mais

consumidas no ‘Forno A’. Estas misturas de tipos de sucata empregadas

podem ser apresentadas através de um histograma do fator de carregamento.

LIGA TIPO DE SUCATA

FATOR DE CARGA

LIGA TIPO DE SUCATA

FATOR DE CARGA

5052 SUCATA I,J,G 3

6060 SUCATA A, G, H 1

SUCATA Q,R,T 5

- Alumínio Líquido 5

3105 SUCATA I,J 3

1050 SUCATA I 3

SUCATA O,R 5

SUCATA O 5

Tabela 11 - Tipos de sucata e ligas mais carregados no Forno A.

412 400 231 115 107 92 79 44 44 35 29 27

25,48

50,22

64,50 71,60

78,22 83,94

88,85 91,59 94,32 96,49 98,31 100,00

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

%

Mass

a [

t]

Ligas

Forno A - Ligas Consumidas

TOTAL [t] % ACUMULADA DO TOTAL DE MASSA CARREGADA

38

Figura 8 - Histograma representativo do fator de carregamento do Forno A.

O valor de P-Value>0,05 demonstra que a distribuição do fator de

carregamento segue uma distribuição normal, ou seja, ele comprova que não

foi utilizado apenas um tipo de sucata. Em média, os carregamentos realizados

no Forno A apresentaram um fator de carregamento de 3,63 e um desvio

padrão de aproximadamente 0,79. Esta característica se reflete, como

esperado, na geração de escória do processo o que está representado pela

Figura 9:

Figura 9 - Gráfico da relação entre o fator de carregamento e rendimento metálico (FORNO A).

39

Nota-se que existe uma linearidade entre as variáveis e que quanto

maior for o fator de carregamento maior será o rendimento metálico e

consequentemente menor geração de escória estará sendo produzida. Quando

analisamos o R2 (Figura 10) percebemos que este modelo explica 63,3% dos

dados, os outros sofreram desvios, que podem ser justificados pelo fator

humano envolvido no processo de remoção de escória do forno. Por se tratar

de um ambiente fabril, onde o estudo se desenvolveu, os colaboradores (cerca

de 10 pessoas) são aptos para a realização da atividade, porém cada um

realiza a seu modo.

Figura 10 - Análise da regressão entre os dados do Forno A.

4.1.2 Forno B

Figura 11 - Ligas consumidas nos carregamentos do Forno B.

Por se tratar de um forno que atende à demanda exclusivamente de um

único processo pode-se perceber que aproximadamente 80% do peso de

sucata consumida por ele correspondem apenas a dois tipos de ligas: 3105 e

5052 e seus respectivos tipos de sucata mais consumidos (Tabela 12). Esta

293 161 58 15 14 13 21

51,02

78,98 89,07 91,76 94,13 96,39 100,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00

0

50

100

150

200

250

300

350

3105 5052 Aluminio

Líquido

1370 1050 1000 OUTRAS

%

Ma

ssa

[t]

Ligas

FORNO B - CARREGADO

TOTAL [t] % ACUMULADA DO TOTAL DE MASSA CARREGADA

40

característica se refletirá sobre o fator de carregamento como mostra a

Figura 12:

LIGA TIPO DE SUCATA

FATOR DE CARGA

5052 SUCATA I,J,G 3

SUCATA Q,R,T 5

3105 SUCATA I,J 3

SUCATA O,R 5

Tabela 12 - Tipos de sucata e ligas mais carregados no Forno B.

Figura 12 - Histograma representativo do fator de carregamento do Forno B.

Nota-se que a variabilidade dos tipos de sucata consumida estreitou a

distribuição do fator de carregamento (ψ). Isto se justifica pelo fato dos tipos de

sucatas consumidos (Tabela 12) possuírem um fator de carga mais alto, uma

vez que atendendo exclusivamente a um único processo, que em sua

particularidade gera sucata considerada Material de Primeira Geração (MPG) e

com uma relação massa vs volume considerada alta, esta sucata ao se

autoalimentar no seu ciclo de produção eleva a média do fator de

carregamento (ψ) para 3,84 e diminui o desvio padrão para 0,47, porém por

ainda receber outros tipos de sucata demonstra que a distribuição do fator de

carregamento (ψ) ainda segue uma distribuição normal (P-value>0,05).

41

Esta peculiaridade deste forno incide diretamente na geração de escória

das corridas, que novamente demonstra certa linearidade entre as variáveis,

como podemos verificar nas Figuras 13 e 14:

Figura 13 - Análise da regressão entre os dados do Forno B.

Os desvios do modelo também podem ser explicados pelo fator humano

existente.

Figura 14 - Gráfico da relação entre o fator de carregamento e rendimento metálico (FORNO B).

42

4.1.3 FORNO C

Figura 15 - Ligas consumidas nos carregamentos do Forno C.

Observa-se que é o forno com a maior diversificação de produção

(Figura 15), em que o consumo de cinco tipos diferente de ligas e seus

consecutivos tipos de sucata (Tabela 13) corresponde a aproximadamente 84%

do total de massa de sucata consumida. Esta alta diversidade dos tipos de liga

se deu devido ao fato de este forno ter atendido a diversos setores produtivos

da fábrica.

LIGA TIPO DE SUCATA FATOR DE

CARGA LIGA TIPO DE SUCATA

FATOR DE CARGA

8011 SUCATA D 1

6060 SUCATA A, G, H 1 SUCATA O, T, U 5

- Alumínio Líquido 5

1235 SUCATA I 3

1370 SUCATA L, M 5

SUCATA T 5

Tabela 13 - Tipos de sucata e ligas mais carregados no Forno C.

A diversificação no consumo de diferentes tipos de sucata resulta em um

aumento na variação do fator de carregamento apresentado neste forno.

Porém é possível perceber que a distribuição do fator de carregamento ainda

435 164 146 118 82 58 39 18 17 16 15 14

38,74

53,34

66,29

76,83 84,12

89,30 92,80 94,43 95,98 97,42 98,80 100,00

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

%

Mass

a [

t]

Liga

FORNO C - CARREGADO

TOTAL [t] % ACUMULADA DO TOTAL DE MASSA CARREGADA

43

se mantém normal, apresentando uma média de 2,90, o desvio padrão como

consequência se eleva atingindo 1,00, como mostra a Figura 16 abaixo:

Figura 16 - Histograma representativo do fator de carregamento do Forno C.

Percebe-se então que a liga mais consumida no processo é a 8011 que

apresenta um tipo de sucata (SUCATA D) com um fator de carga baixo, isto

reflete na redução da média do fator de carregamento (Tabela 16), implicando

diretamente na geração de escória e rendimento metálico, como mostra a

Figura 17, na qual a linearidade entre estas variáveis é mantida.

Figura 17 - Gráfico da relação entre o fator de carregamento e rendimento metálico (FORNO C).

44

Para este forno também se analisou o ajuste feito através da regressão

linear no modelo como pode ser visto na Figura 18:

Figura 18 - Análise da regressão entre os dados do Forno C.

Em que se pode verificar que 76,8% dos dados podem ser explicados

pelo modelo linear.

4.1.4 Forno D

Figura 19 - Ligas consumidas nos carregamentos do Forno D.

Atendendo a liga em produção os carregamentos realizados consumiram

diversos tipos de sucatas e ligas. Se analisarmos pelo Princípio de Pareto

percebe-se que um tipo de sucata e a adição de alumínio líquido representam

mais de 80% do total de massa carregado. As misturas dos tipos de sucata

empregados estão representadas através do fator de carregamento no

histograma da Figura 20.

561

174

82 19 17 10 12

64,15

84,10 93,48 95,62 97,57 98,67 100,00

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

0

100

200

300

400

500

600

8011 Aluminio

Líquido

6060 1370 1050 1350 OUTRAS

%

Ma

ssa

[t]

Ligas

FORNO D - CARREGADO TOTAL [t] % ACUMULADA DO TOTAL DE MASSA CARREGADA

45

Figura 20 - Histograma representativo do fator de carregamento do Forno D.

Como representante dos três primeiros tipos de ligas mais consumidas

podemos verificar que tratam-se de sucatas com um fator de carga baixo

(Tabela 14). Esta característica é refletida na redução do fator de carregamento

médio do forno D (ψmédio = 2,59), principalmente pelo fato da sucata D ser a de

maior quantidade empregada na liga 8011. A análise ainda permite verificar

que a normalidade é mantida (P-value> 0,05), que o desvio padrão é de 0,74, e

a relação entre as variáveis rendimento metálico e fator de carregamento

continua a mesma, como mostram as Figuras 21 e 22.

LIGA TIPO DE SUCATA FATOR DE

CARGA

8011 SUCATA D 1

SUCATA O, T, U 5

- Alumínio Líquido 5

6060 SUCATA A, G, H 1

1370 SUCATA L, M 3 Tabela 14 - Tipos de sucata e ligas mais carregados no Forno D.

46

Figura 21 - Gráfico da relação entre o fator de carregamento e rendimento metálico (FORNO D).

Figura 22 - Análise da regressão entre os dados do Forno D.

Em uma análise geral dos quatro fornos, em que o fator de

carregamento foi utilizado como variável, podemos observar que existe uma

proporcionalidade direta entre o fator de carregamento e o rendimento metálico

das corridas (Figura 23 e 24).

Figura 23 - Gráfico da relação entre o fator de carregamento e rendimento metálico (GERAL).

47

Figura 24 - Análise da regressão entre os dados de todos os fornos.

Verifica-se que 75% dos dados seguem o modelo linear, e que os

desvios do modelo podem ser justificados por falhas humanas que ocorrem

devido à variabilidade nos modos de limpeza do forno uma vez que este

processo não executado por uma única pessoa.

FORNO ΨMÉDIO RMMÉDIO

A 3,63 97,40

B 3,84 97,50

C 2,90 96,23

D 2,59 95,97 Tabela 15 - Fator de carregamento médio vs RM médio para os fornos.

Entende-se, portanto que a mistura dos tipos de sucata empregada em

cada carregamento, gera um fator de carregamento (ψ) que, ao se analisar

com o rendimento metálico, nota-se uma proporcionalidade direta.

Comprovando assim que embora as composições das ligas também estejam

relacionadas à geração de escória, a relação massa/volume é também

determinante para esta perda de rendimento metálico assim como referenciado

por Diniz, A G. F. e Oliveira, I. L.[12].

Podemos verificar que para os metais adicionados como elemento de

liga mais relevantes, as reações de oxidação, o ΔG (para T=1023K), a pressão

de equilíbrio de oxigênio (para T=1023K) e a densidade do elemento (a 298K)

estão mostrados abaixo:

48

Como podemos perceber o elemento magnésio apresenta a reação que

possui o ΔG mais negativo, demonstrando assim a alta reatividade do elemento

com o oxigênio, além de apresentar uma densidade menor que o próprio

alumínio, fazendo com que o elemento fique sobrenadante no banho de metal

líquido favorecendo sua oxidação.

Esperava-se, assim que a liga 5052, caracterizada pela alta

concentração do elemento Mg, apresentasse a maior geração de escória. Mas,

como neste estudo o tipo de sucata mais utilizado nos carregamentos dessa

liga são compostos pelas SUCATAS O, Q, R e T que, de acordo com a Tabela

10, são classificados com um fator de carga (ϝ) igual a 5, este acabava

compensando a perda de rendimento metálico esperada.

Comprovando que o fator de sucata estabelece relação diretamente

proporcional com o rendimento e independente do tipo de liga.

4.2 Consumo de Gás

Assim como estimado para a classificação dos tipos de sucata,

havia uma previsão que alguns tipos de sucata consumissem uma quantidade

maior de gás durante seu processo de fusão e que, então o fator de

carregamento também pudesse estar relacionado ao consumo de gás no ciclo.

Porém este estudo mostrou que esta relação não é verdadeira, não

existindo relação de proporcionalidade entre o fator de carga e aumento ou

diminuição no consumo de gás do ciclo, como mostram as Figura 25a-d:

49

Figura 25 - Relação entre Fator de Carregamento e Consumo de Gás. a) Forno A; b) Forno B c) Forno C e d) Forno D.

Para estabelecer uma relação com a variação no consumo de gás

apresentada nas corridas analisadas, uma amostragem foi realizada

selecionando corridas em que o consumo de gás apresentou variações

maiores e menores que o estipulado de 155 m³/t.

Para as corridas amostradas, buscou-se no banco de dados do sistema

corporativo a duração destas corridas, tempo este estabelecido entre início de

um carregamento e seu subsequente. E assim pôde-se verificar que o aumento

no tempo de ciclo é causado por outros fatores, excetuando-se o tipo de sucata

diretamente.

50

Figura 26 - Relação entre o tempo de ciclo [h] e consumo de gás [m³/t] no Forno A.

Percebe-se que existe uma linearidade diretamente proporcional entre

estas variáveis (Figuras 26 e 27), em que mais de 80% dos dados podem ser

explicado pelo modelo linear de relação entre estas variáveis, e como esperado

há aumento no tempo de ciclo devido principalmente a fatores externos,

elevando o consumo de gás.

Figura 27 - Análise da regressão entre o tempo de ciclo e o consumo de gás do Forno A.

Os principais fatores externos que elevam o consumo de gás podem ser

exemplificados por:

Atraso de caminhão para transporte do metal fundido a ser retirado

O forno de destino estar cheio e impossibilitado de receber o metal de

fusão

O processo de destino do metal de fusão estar em uma parada por uma

manutenção corretiva

51

Todos os outros fornos estabelecem a mesma relação de

proporcionalidade como mostram as Figuras 28 a 33.

Figura 28 - Relação entre o tempo de ciclo [h] e consumo de gás [m³/t] no Forno B.

Figura 29 - Análise da regressão entre o tempo de ciclo e o consumo de gás do Forno B.

Figura 30 - Relação entre o tempo de ciclo [h] e consumo de gás [m³/t] no Forno C.

52

Figura 31 - Análise da regressão entre o tempo de ciclo e o consumo de gás do Forno C.

Figura 32 - Relação entre o tempo de ciclo [h] e consumo de gás [m³/t] no Forno D.

Figura 33 - Análise da regressão entre o tempo de ciclo e o consumo de gás do Forno D.

Pode-se perceber que para as Figuras 26, 28, 30 e 32 o modelo linear

(Figuras 27, 29, 31, 33) é capaz de explicar acima de 75% dos dados,

comprovando que quanto maior o tempo de ciclo do forno maior será o

consumo de gás.

53

Figura 34 - Relação entre o tempo de ciclo [h] e consumo de gás [m³/t] de todas as amostras

selecionadas.

Da amostragem realizada (Figura 34) para análise de consumo de gás

pode-se observar que a média de tempo de ciclo de todos os fornos,

apresentou uma duração de aproximadamente 10 horas. E que em média para

estas corridas a quantidade de sucata carregada foi de aproximadas 30

toneladas.

A quantidade de carregamento é outra variável que sofre uma grande

influência do fator de carga. Pois um dos elementos para classificação do fator

de carga, conforme estabelecido na Tabela 10, é a relação massa x volume,

que diretamente impacta no que podemos chamar de densidade aparente do

tipo de sucata. Ou seja, o volume ocupado por determinado tipo de sucata em

relação a sua massa, pode impedir que a capacidade útil total do forno

pudesse ser alcançada.

Analisou-se também que outro aspecto que interfere na duração do ciclo

de fusão e, consequentemente, no consumo de gás, é a entrada de alumínio

líquido após o carregamento. Para as corridas com consumo de gás abaixo de

120 m³/t, cerca de 65% delas tinham em seu carregamento adição de metal

54

líquido em porcentagem média de apenas 36% do total carregado. E nestes

casos o tempo médio de ciclo foi reduzido em aproximadamente 27%.

5. Conclusão

Como proposto, o estudo conseguiu estabelecer e provar algumas

relações entre as variáveis que influenciam no desempenho dos fornos de

fusão de sucata de alumínio.

Estas relações se fazem necessárias para melhor entender o processo

de fusão que tem como principal característica a variabilidade de ligas e tipos

de sucata entrando como matéria-prima. Isto faz com que este processo seja

capaz de operar com uma infinidade de possibilidades de alimentação, sem

que sua tecnologia se altere a cada variação.

A classificação dos tipos de sucata é influenciada indiretamente pelo tipo

de liga aplicada a cada produto, ou seja, embora a classificação seja feita por

tipos de produtos, que ao fim de um processo ou de seu ciclo de vida retornem

como matéria-prima para reciclagem, eles possuem a necessidade de serem

confeccionados com um tipo de liga que atenda aos seus requisitos de

aplicação.

Por possuírem características de desempenho em comum, alguns tipos

de sucata puderam ser agrupados e esses grupos receberam um fator de

carga, correspondente a seu histórico de desempenho no processo. O fator de

carga levou em consideração vários aspectos, porém destacam-se dois

elementos fundamentais, a geração de escória e a relação entre massa e

volume. Este último diretamente ligado ao total carregado, pois dependendo do

volume ocupado pela carga no forno este não poderá atingir sua capacidade

útil total de projeto.

Como consequência do total carregado nos fornos e dos tipos de sucata

utilizadas como matéria-prima, através de uma ponderação do fator de carga o

parâmetro denominado fator de carregamento pôde ser estabelecido e utilizado

como uma variável para análise de outras variáveis do processo. Devido a esta

55

ponderação o fator de carregamento sofre variações decimais em seu valor,

uma vez que os carregamentos não são feitos exclusivamente com um tipo de

sucata.

Pode-se perceber que, independentemente do forno carregado, existe

uma relação diretamente proporcional entre o fator de carregamento e a

geração de escória. Ou seja, nota-se que quanto maior for o fator de

carregamento maior é o rendimento metálico, consequentemente mais eficiente

estará o processo de fusão.

Diante destas considerações é possível estabelecer previsões para a

geração de escória e desempenho do forno, uma vez que mesmo mantendo a

utilização de misturas de tipos de sucatas nos carregamentos, é possível

aprimorar seu rendimento empregando variações de combinações entre tipos

de sucatas disponíveis que elevem o fator de carregamento, como pode ser

observado pela figura abaixo:

Figura 35 - Relação entre intervalos de fator de carregamento e rendimento metálico.

O estudo mostrou que, ao contrário do que se esperava, o fator de

carregamento não estabelece relação com o consumo de gás do ciclo de

fusão. Entretanto, para identificar o que causava aumentos no consumo de

gás, uma amostragem de corridas foi realizada e a duração do tempo de ciclo

determinada. Concluiu-se que o aumento no consumo de gás era provocado

por fatores externos que adiavam a retirada do metal do forno.

A análise mostrou que a adição de metal líquido no processo de fusão

beneficia a eficiência em dois aspectos dependentes; o primeiro é a redução da

média do tempo do ciclo de fusão, e consequentemente, no segundo aspecto,

a diminuição do consumo de gás. A redução desses fatores se deve ao fato de

56

o metal líquido atuar como fonte de energia para o sistema, pois como esta

matéria-prima é adicionada em alta temperatura ela é capaz de transferir

energia na forma de calor para a sucata presente no forno, aumentando a taxa

de fusão do forno.

57

6. Referências Bibliográficas

[1] ABAL. Associação Brasileira do Alumínio. Disponível em:

<http://www.abal.org.br>. Acesso em: nov. 2015.

[2] ABAL. Associação Brasileira do Alumínio. Reciclagem. Disponível em:

<http://www.abal.org.br/sustentabilidade/reciclagem/>. Acesso em: nov.

2015.

[3] Constantino, V. R. L.; Araki, K.; Silva, D. O.; Oliveira, W., PREPARAÇÃO

DE COMPOSTOS DE ALUMÍNIO A PARTIR DA BAUXITA: CONSIDERAÇÕES

SOBRE ALGUNS ASPECTOS ENVOLVIDOS EM UM EXPERIMENTO

DIDÁTICO, Quim. Nova, v. 25, Nº. 3, p.490-498, 2002.

[4] PIRES, M. M., Influência do teor de zinco e do processamento

termomecânico nas propriedades mecânicas e na resistência a

corrosão da liga de alumínio AA3104. 2002. 111f. Tese (Mestrado) –

Universidade Estadual Paulista. Guaratinguetá. 2002.

[5] Disponível em: <http://www.maxwell.vrac.puc-

rio.br/10023/10023_2.PDF> PUC-Rio – Certificação Digital Nº0511123/CA.

Acesso em: nov. 2015.

[6] ABNT – NBR 6599:2000 – Alumínio e Suas Ligas – Processo e

Produtos – Terminologia.

[7] Nascimento, Luana Vicente do, Efeito da temperatura de

recozimento sobre as propriedades mecânicas e microestrutura da

liga AA5182 em função do grau de redução a frio., 75f.:il, CDU 669.,

Lorena, 2014.

[8] Belmetal Produtos e Soluções em Alumínio – Industria, Catálogo de

Laminados, <http://www.belmetal.com.br/uploads/catalogos/industria/2/> Acesso

em Nov.2015.

[9] Votorantim Metais – Companhia Brasileira de Alumínio, Catálogo de Produtos

Laminados, disponível em: <http://www.vmetais.com.br/pt-

BR/Negocios/Aluminio/Documents/Cat%C3%A1logo%20Laminados.pdf> Acesso

em Nov. 2015.

58

[10] J.L. Murray, A. J. McAlister, Bulletin of Alloy Phase Diagrams, 1984, vol5, nº1,

National Bureau of Standards, disponível em:

<http://link.springer.com/article/10.1007%2FBF02868729#page-1> Acesso

em Nov. 2015

[11] M.A. Reuter, U.M.J. Boin, A, van Schaik, E. Verhoef, K. Heiskanen, , Y. Yang,

G. Georgalli, The Metrics of Material and Metal Ecology: Harmonizing

the resource, Technology and environmental cycles, ELSEVIER,2005,

disponível em:

<https://books.google.com.br/books?id=IyCz1MoXGBsC&pg=PA479&lpg=

PA479&dq=This+section+discusses+various+relevant+theory+underpinnin

g+the+various+developed+theory+discussed+in+the+main+body+of+this+

book.+Examples+by+the+authors+are+also+presented+here+to+illustrate+

in+theoretical+depth+various+aspects+of+this+book.+Furthermore,+the+c

oncept+of+property+is+discussed+and+showing+the+connection+between

+the+property,+mass+balancing+and+the+possibility+to+use+property+cla

sses+in+population+balance+models+of+both+physical+separations+and+

in+larger+sustainability+cycle+estimations.&source=bl&ots=kKRI4D6GBh&

sig=hmBk13BeAW6RS4A-Xsa08NEZWs0&hl=pt-

BR&sa=X&ved=0ahUKEwjVqrGtobPJAhWQo5AKHScWC1UQ6AEIHjAA#v

=onepage&q&f=false> Acesso em Nov.2015

[12] Adriana Gresielly Fabrini Diniz, Ivanir Luiz de Oliveira, INFLUÊNCIA

DAS FONTES DE ALUMÍNIO SECUNDÁRIO NA GERAÇÃO DE ESCÓRIA:

UMA ANÁLISE ESTATÍSTICA. Associação Brasileira de Engenharia de

Produção – ABEPRO, ISSN 1676 - 1901 / Vol. IX/ Num.II / 2009

[13] TABELA DE CLASSIFICAÇÃO DE SUCATAS DE ALUMÍNIO – ABAL disponível em: <http://www.abal.org.br/downloads/tabela_classifica_sucatas_alu_2ed.pdf> Acesso em Nov. 2015

[14] Classificação de Resíduos Sólidos - Norma ABNT NBR 10.004:2004

disponível em:

<http://www.abetre.org.br/biblioteca/publicacoes/publicacoes-

abetre/classificacao-de-residuos> Acesso em Nov, 2015

[15] ALLEN L. WEBSTER, Estadística Aplicada A Los Negocios Y La

Economía, McGRAW-HILL,3ª Ed, 2001.