estudo da influência dos tipos de sucata nos fornos de
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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.