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Universidade Federal de Alfenas – Unifal-MG
Engenharia Química
Campus Poços de Caldas
Ana Gabriele Pereira Nunes
ESTUDO DA PRECIPITAÇÃO DE ELEMENTOS DE
TRANSIÇÃO ATRAVÉS DA ADIÇÃO DE BORO PARA
MELHORAR A CONDUTIVIDADE ELÉTRICA DE LIGAS
DE ALUMÍNIO
Poços de Caldas - MG
2014
1
Ana Gabriele Pereira Nunes
ESTUDO DA PRECIPITAÇÃO DE ELEMENTOS DE
TRANSIÇÃO ATRAVÉS DA ADIÇÃO DE BORO PARA
MELHORAR A CONDUTIVIDADE ELÉTRICA DE LIGAS
DE ALUMÍNIO
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado à unidade curricular de
TCC 2 da Universidade Federal de
Alfenas – Campus Poços de Caldas,
como parte dos requisitos para a
conclusão do curso de Engenharia
Química.
ORIENTADORA: PROF. DRA. MARILSA APARECIDA MOTA
Poços de Caldas - MG
2014
2
FICHA CATALOGRÁFICA
N972e
Nunes, Ana Gabriele Pereira .
Estudo da precipitação de elementos de transição através da adição de boro para melhorar a
condutividade elétrica de ligas de alumínio./ Ana Gabriele Pereira Nunes;
Orientação de Marilsa Aparecida Mota . Poços de Caldas: 2014.
25 fls.: il.; 30 cm.
Inclui bibliografias: fls. 24-25
Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Química) –
Universidade Federal de Alfenas– Campus de Poços de Caldas, MG.
1. Alumínio. 2. Condutividade Elétrica. 3. Adição de Boro. I . Mota, Marilsa
Aparecida. (orient.).
II. Universidade Federal de Alfenas - Unifal. III. Título.
CDD 620.11
3
4
RESUMO
O alumínio líquido faz parte de uma gama de produtos que a Alcoa Alumínio
SA oferece ao mercado, ele é retirado das cubas eletrolíticas e colocado em cadinhos,
em seguida são transportados em caminhões. Um dos principais clientes da unidade de
Poços de Caldas – MG é uma empresa fornecedora de materiais elétricos, como cabos
de alumínio para transmissão e distribuição de energia. Nesse caso, o alumínio líquido
recebido deve ter a menor resistividade elétrica possível. No entanto, o metal produzido
apresenta naturalmente elementos de transição, os principais são: titânio, vanádio,
cromo, zircônio, responsáveis por afetar o fluxo de elétrons presentes no banho,
tornando o produto mais resistente à eletricidade. Como resposta a este problema,
adiciona-se boro, por meio de uma liga padrão Al-4B (% - peso), ao alumínio líquido,
pois este reage com os elementos de transição solúveis e forma compostos insolúveis,
precipitando e obtendo desta forma, maior condutividade elétrica. O mecanismo pelo
qual o boro forma compostos com os metais de transição, impurezas do alumínio
líquido, não é bem compreendido. O objetivo deste trabalho foi o de avaliar a melhor
composição estequiométrica para a liga que corresponda a uma condutividade elétrica
superior. Foram realizadas medidas da composição de amostras do material antes, no
instante inicial e após certo intervalo de tempo do momento da adição de diferentes
concentrações da liga padrão. Também realizou-se medidas da condutividade das
amostras no momento da entrega do alumínio líquido ao cliente, decorrido o tempo de
transporte, correspondente ao intervalo da adição. Os resultados obtidos possibilitaram
avaliar a melhor composição estequiométrica para a liga na obtenção do alumínio
líquido comercial, que a partir das condições trabalhadas, foi o teste com adição de duas
barras de alumínio-boro, pois permitiu concentrações aceitáveis dos elementos de transição
e bons resultados de condutividade elétrica.
Palavras-chave: condutividade elétrica, adição de boro, liga padrão, alumínio.
5
SUMÁRIO
1
2
3
4
5
6
7
Introdução.................................................................................................................6
Revisão Bibliográfica ..............................................................................................7
2.1 O Alumínio ........................................................................................................7
2.2.1 Ligas de Alumínio........................................................................................7
2.2 Mercado da indústria de Alumínio ....................................................................9
2.3 Boro como agente precipitante dos elementos de transição presentes no metal
líquido ..............................................................................................................10
2.3.1 Cinética de reação .....................................................................................11
Metodologia ..........................................................................................................16
Resultados e Discussão..........................................................................................19
Conclusão...............................................................................................................24
Sugestões para trabalhos futuros............................................................................25
Referências Bibliográficas ....................................................................................26
6
1. Introdução
O alumínio é um metal amplamente utilizado nos mais diversos setores
industriais, suas propriedades são ótimas em uma série de aplicações. Para a indústria
elétrica se torna atraente por possuir boa condutividade elétrica, resistência mecânica e
leveza como características excelentes na transmissão de energia elétrica (ANDRADE
et. all., 2001). No entanto, este metal pode ser utilizado como um condutor elétrico se o
nível de impurezas estiver controlado, em particular, a concentração de metais de
transição: Ti, Zr, V e Cr, com efeito minimizado quando estão em forma combinada.
Comercialmente, o tratamento com boro tem sido usado para remover os
elementos de metais de transição da massa líquida através da formação/precipitação de
boretos. Este processo é realizado através da adição de ligas de alumínio-boro. O
principal uso das ligas alumínio-boro é para melhorar a condutividade elétrica e também
são utilizadas para refinar grãos de ligas de alumínio (KHALIQ et. all., 2011).
Apesar do tratamento com boro ser amplamente utilizado na indústria, não há
mecanismos detalhados das reações entre o boro e os metais de transição no estado
líquido do alumínio. Além disso, a natureza exata dos boretos, sua morfologia e
composição devem ser analisadas para obter uma completa compreensão do mecanismo
de formação de boretos, bem como, estudo termodinâmico e cinético (STROUP, 1965).
Considerando as condições reais em que ocorre a formação de boretos dos
metais de transição, o objetivo principal do presente trabalho é estudar os aspectos
ligados ao processo e a caracterização do alumínio líquido.
Tal objetivo será alcançado a partir da execução das seguintes tarefas:
a. Adição de quatro diferentes quantidades da liga padrão ao alumínio líquido;
b. Retirada de amostras em três etapas do processo (antes, logo após e decorrido
um certo período da adição de boro);
c. Análise da composição e das medidas da condutividade elétrica dessas amostras;
d. Avaliação do efeito da condução do produto ao seu destino, como agitação
natural do transporte e diminuição da temperatura neste período, uma vez que o
alumínio sai do processo com uma temperatura de 900 ºC e inicia seu destino
com 800 ºC.
7
2. Revisão bibliográfica
2.1 O Alumínio
A bauxita é o minério fundamental na produção do alumínio. No processo
Bayer, a matéria prima bauxita é processada para se extrair a alumina, através do uso de
solução com soda cáustica, removem-se os sólidos gerados e que não possuem valor
para o processo. Depois de purificada, a solução segue para a etapa de precipitação da
alumina, com a aplicação de altas temperaturas o hidróxido de alumínio é calcinado,
dando origem à formação de óxido de alumínio.
O óxido de alumínio é diluído num banho eletrolítico fundido a 950 ºC dentro
das cubas eletrolíticas, o alumínio metálico líquido é depositado no fundo da cuba e
periodicamente retirado em cadinhos, este produto apresenta 99,5% de alumínio e
algumas impurezas tais como ferro, silício, titânio, zircônio, cromo e vanádio (SINGER,
1986).
O alumínio é um metal que possui grande importância industrial devido as suas
propriedades favoráveis a uma gama de aplicações, dentre as principais propriedades
estão a baixa densidade 2,70 g/cm³ proporcionando leveza; resistência a corrosão, o
alumínio líquido quando é exposto à atmosfera, forma-se imediatamente uma fina e
invisível camada de óxido, a qual protege o metal; a resistência mecânica, o metal
comercialmente puro tem uma resistência à tração de aproximadamente 90 MPa, a qual
pode ser aumentada por meio de pequenas adições de outros metais como elementos de
liga; condutibilidade elétrica, o alumínio puro possui resistividade de 0,00000263
ohm/cm³ e condutividade elétrica de 62% IACS (International Annealed Copper
Standard), a qual agregada à sua baixa densidade constitui um condutor de alumínio que
pode conduzir tanta corrente quanto um condutor de cobre que é duas vezes mais
pesado e proporcionalmente mais caro; condutibilidade térmica que proporciona
transferência de energia no aquecimento e no resfriamento; não toxicidade; antimagnetismo; dentre outras (ABAL, 2007).
2.1.1Ligas de Alumínio
O alumínio fundido consegue dissolver outros metais. Após o resfriamento,
alguns dos constituintes da liga podem ser retidos em solução sólida, o que torna a
estrutura atômica do metal mais rígida. O alumínio sólido em elevadas temperaturas
8
pode reter uma vasta quantidade de elementos de liga em solução sólida, durante o
resfriamento o excesso dos elementos na solução favorece a formação de precipitados,
os quais são constituídos de partículas duras de compostos intermetálicos (ABAL,
2007).
As ligas de alumínio são muito utilizadas devido ao fato deste alumínio
combinar com a maior parte dos elementos de liga, formando ligas com características
tecnológicas convencionadas de acordo com a aplicação do produto final. Assim, essas
ligas proporcionam à indústria a possibilidade de obter produtos cada vez mais
qualificados,
com
propriedades
adequadas
tais
como
resistência
mecânica,
condutividade elétrica, resistência à corrosão, ductilidade, conformabilidade, dentre
outras.
As ligas de alumínio possuem entre 99,0% e 99,5% de alumínio, sendo o
restante, principalmente, ferro e silício e elementos de transição. A obtenção de um
metal mais puro (até 99,99%) também pode ser alcançada; no entanto, o custo é
superior. Estas ligas mais puras são feitas para aplicações que necessitam de alta
condutividade elétrica e elevada resistência à corrosão.
Para expressar a composição química do alumínio e suas ligas, a norma ABNT
NBR 6834 expressa a composição em porcentagem, e está baseada no sistema de
classificação de densidade nominal das ligas trabalháveis de alumínio e no sistema de
classificação das ligas de fundição e de alumínio primário em lingotes para refusão
(ABNT, 2007).
A série 1XXX identifica o alumínio comercialmente puro que é caracterizado
pelas elevadas condutividades térmica e elétrica e pela baixa resistência mecânica, em
diferentes graus de pureza, desde 99,00 % até 99,99 %,
Nesta série, o segundo dígito informa as alterações dos limites de impurezas ou
elementos de liga. Se o segundo dígito na qualificação for 0, isso expressa que o
alumínio é não ligado e apresenta impurezas em seus limites naturais. Os números de 1
a 9 divulgam que houve controle especial de um ou mais elementos de liga ou
impurezas (ABAL, 2008).
A Liga 1350 tem grande aplicação quando se deseja alta condutividade elétrica,
alta resistência à corrosão, boa conformabilidade, boa soldabilidade e boa resposta a
anodização. No entanto, esta liga possui baixa resistência mecânica, e não é indicada
para usinagem e nem é tratável termicamente.
9
As principais aplicações da Liga 1350 compreendem condutores elétricos,
indústrias química e alimentícia, e trocadores de calor (ALCOA, 2010). A Tabela 2.1
abaixo fornece a classificação desta liga.
Tabela 2.1 – Classificação da Liga de Alumínio 1350 – Teores dados em % - peso
(ABAL, 2008).
Outros
Designação
1350
S
Fe
Mn
Mg
Cr
N
Zr
Ti
Ga
V
Variações Cada Total
-
0,01
-
0,05
-
0,03
-
0,05 B
0,02 V+Ti
0,10 0,40 0,01
0,03 0,10 99,50
2.2 Mercado da indústria de alumínio
Os principais produtos comercializados são: aluminas calcinadas, hidratos,
alumínio líquido, tarugos, lingotes e laminados. Desta forma, a indústria de alumínio
consegue atender inúmeros setores como: aeroespacial, embalagens, construção civil,
petróleo e gás, máquinas e equipamentos, indústria elétrica, bens de consumo, químicos,
transportes, dentre outros.
Na indústria elétrica o alumínio possui diversas aplicações, como, por exemplo,
as placas e as chapas que compõem itens como transformadores, antenas, cabos e
barramentos.
É por meio de fios e cabos de alumínio que é transportada energia elétrica por
todo o país. O alumínio é um excelente metal para isso, já que ele une propriedades
como boa condutividade elétrica com extrema leveza. Estas características
proporcionam uma maior capacidade de transmissão de energia, resistência a altas
temperaturas sem perda de propriedades físicas e muita economia na montagem,
manuseio e manutenção dos sistemas. O metal que apresenta tantos benefícios para este
setor, e ainda possui baixo custo comparado a outros metais, e também configuração
inovadora e agradável, além de anodização e pintura, é considerado um excelente
material para aplicação nas linhas subterrâneas e aéreas, de transmissão,
subtransmissão, distribuição e também em cabos para-raios que protegem os diferentes
sistemas e estruturas (ANDRADE et. all., 2001).
Al
10
2.3 Boro como agente precipitante dos elementos de transição presentes no metal
líquido
As indústrias fornecedoras de fios e cabos de alumínio e outros materiais
elétricos necessitam receber a matéria-prima com a menor quantidade de impurezas
capazes de diminuir a condutividade elétrica (COOPER, 1996).
O alumínio líquido apresenta na sua composição final alguns elementos de
transição, os principais são: zircônio, titânio, vanádio e cromo. Estes compostos podem
interferir negativamente na qualidade do produto, principalmente quando este é
destinado à produção de cabos elétricos. Os elementos de transição, considerados
impurezas advêm do próprio processo de produção do alumínio, mais especificamente
das matérias-primas alumina e briquete. O briquete é composto por coque e piche e é
adicionado para formação do anodo na cuba eletrolítica, com isso o processo deve ser
bem controlado para que o produto chegue ao destino respeitando as exigências dos
clientes.
Segundo (COOPER,1996), quanto mais puro o metal, melhores as condições de
condutividade elétrica.
Tabela 2.2 – Resistividade elétrica do Al em função do teor de solutos (COOPER,
1996).
Elementos
Máxima Solubilidade
em Al (% m/m)
Média do aumento na resistividade por % m/m
µ.Ohm.cm
Em solução
Fora da solução
Titânio
1
2,88
0,12
Zircônio
0,28
1,74
0,044
Vanádio
0,5
3,58
0,28
Cromo
0,77
4
0,18
Adota-se como solução para melhorar a condutividade elétrica a prática da
adição de boro no alumínio fundido. Esta técnica proporciona a formação de compostos
insolúveis à medida que os elementos de transição solúveis vão reagindo com o boro,
permitindo desta forma posterior precipitação dos boretos.
Antes da adição do boro, a presença dos metais de transição em solução dá
origem à condutividade elétrica relativamente baixa, em uma escala atômica (no estado
11
sólido), pode-se dizer que o titânio e vanádio “esticam ou puxam” os átomos de
alumínio e tornam o fluxo de elétrons mais complicado, reduzindo assim a
condutividade elétrica. Depois da adição, os metais de transição se combinam para
formar compostos intermetálicos, deixando de “esticar” os átomos de alumínio do ponto
de vista atômico, com isso há um aumento da condutividade (COOPER et. all., 1997).
A quantidade a ser adicionada depende da quantidade de metais de transição
presentes na carga de alumínio. Segundo a literatura (COOPER, 2000), é possível
executar o cálculo estequiométrico para determinar a quantidade teórica para
precipitação dos elementos em função de seus teores iniciais, conforme a equação:
%B =
(2.1)
A condutividade melhora em cerca de 60% já nos estágios iniciais. No entanto,
encontra-se também na literatura recomendação de um excesso de 50 - 75% acima da
exigência teórica, o que produz um excesso de boro a fim de garantir que todos os
metais de transição sejam removidos. Os níveis de adição de boro típicos estão no
intervalo de 0,01-0,015%.
2.3.1 Cinética de reação
O estudo da cinética de reação é uma área da química que analisa a velocidade
das reações e os fatores que a influencia tais como: temperatura, concentração dos
reagentes, superfície de contato, etc.
A reação de boro com os elementos de transição segue o seguinte modelo
cinético:
(2.2)
K=f(T, Ea,
Onde:
= Concentração final dos reagentes;
= Concentração inicial dos reagentes;
K = Constante de velocidade;
T = Temperatura;
Ea = Energia de ativação;
t = tempo.
)
(2.3)
12
Desta forma, tem-se uma diminuição na concentração dos elementos de
transição em relação ao tempo. Como a constante de velocidade depende também da
concentração dos reagentes, para uma maior eficácia de precipitação é apropriado que a
quantidade de boro a ser adicionada seja calculada a partir do valor estequiométrico.
Segundo KHALIQ (2011), onde se tem a comparação de variação de concentração de
dois elementos de transição o Vanádio e o Titânio em função do tempo, as
concentrações diminuem de forma mais acelerada quando o boro adicionado ao sistema
está em excesso (Figura 2.1).
Figura 2.1: Comparação do decaimento de Ti e V para adição acima e abaixo da
quantidade estequiométrica (KHALIQ et. all., 2011).
Segundo (KHALIQ et. all., 2011), os cálculos de equilíbrio para os sistemas AlM-B devem ser realizados na faixa de 675 – 900ºC e com 75% de excesso de boro.
A Tabela 2.3 apresenta as fases sólidas estáveis a partir de diferentes diagramas
de fases do sistema de ligas.
13
Tabela 2.3 – Fases sólidas estáveis e previsíveis a partir de diferentes diagramas de
fases (KHALIQ et. all., 2011).
Sistemas de
ligas
Al-B
Al-Ti-B
Al-Zr-B
Al-V-B
Al-Cr-B
Possíveis fases sólidas estáveis
Estequiometria B
75% excesso B
AlB2
AlB12
TiB2*
TiB2, AlB2
ZrB2*
ZrB2, AlB2
VB2(s), Al7V(s)
VB2(s), AlB2
CrB2(s)
CrB2(s), AlB2
*pequena solubilidade de Al
Observa-se na Tabela 2.3, solubilidade limitada de Al em (Zr, Ti)B2, quando
não há excesso de boro.
As Figuras 2.2 e 2.3 apresentam a concentração de boretos em ppm em função
da temperatura com boro com excesso e a comparação da eficiência da remoção de
impurezas do elementos cromo e vanádio.
Figura 2.2: Concentração em ppm dos compostos Al-Ti-V-Zr-Cr – B a partir da adição
do boro com 75% de excesso (KHALIQ et. all., 2011).
14
Figura 2.3: Comparação da concentração de soluto (ppm) dos elementos cromo e
vanádio com e sem excesso de boro em função da temperatura (KHALIQ et. all., 2011).
A partir dos dados expressos nas Figuras 2.2 e 2.3 e Tabela 2.3 pode-se
depreender que a ordem de reação decrescente do boro é Ti, Zr, V, Al e Cr.
O Cr apresenta dificuldade de ser removido por meio do tratamento com boro,
porém não se compreende o mecanismo. No entanto, o
fica menos estável com
baixa temperatura.
Em termos de condutividade e precipitação dos boretos, a Figura 2.4 mostra o
aumento da condutividade elétrica com o tempo e com a taxa de precipitação dos
boretos, nas condições de temperatura constante e excesso de 50% de boro (SETZER &
BOONE, 1992).
15
Figura 2.4: Porcentagem de melhoria na condutividade elétrica por tempo após adição
de boro em excesso.
Fica claro, a partir da Figura 2.4 que a maior mudança na condutividade ocorre
nos primeiros minutos após a adição de Al-4B (% - peso), independente do tipo de
boreto. Depois disso, o aumento da condutividade está relacionado com a velocidade de
precipitação das partículas de boretos. A melhoria na condutividade após o começo da
precipitação é de 70 % nos primeiros dois minutos, embora apenas 10% das partículas
estejam precipitadas nesta fase.
16
3. Metodologia
Considerações Iniciais
O procedimento para o desenvolvimento deste trabalho consistiu primeiramente
em analisar o alumínio líquido quanto às suas impurezas, seguido da adição de
diferentes proporções da ante liga alumínio-boro, através de medidas estequiométricas
anteriores e posteriores a esta adição, considerando as variáveis do processo como
temperatura e tempo. Em etapa seguinte o material foi caracterizado em relação à sua
condutividade e amostras foram selecionadas para análise metalográfica.
Materiais e métodos
As composições foram preparadas adicionando-se à liga padrão alumínio-boro
ao alumínio líquido contido em cadinhos. A liga padrão Al-4B (% - peso) encontrava-se
na forma de barras sólidas (Fig. 3.1-a) com peso médio de 3,5 Kg.
Foi realizada em três etapas a análise da composição dos elementos de liga, a
fim de avaliar a precipitação das impurezas, em particular do titânio, zircônio e vanádio.
Analisou-se dez amostras para quatro quantidades diferentes de adição da liga
alumínio-boro. As amostras foram nomeadas de Al por ser alumínio, seguida de um número
que representa a quantidade de barras, de 1 a 4, de uma letra para identificar o material
antes e após a adição de boro. A letra A foi utilizada para classificar amostras antes da
adição, a letra D para amostras logo após a adição, e a letra P para o caso das amostras
quando decorrido certo tempo da adição (especificamente, quando chegava ao cliente).
Ainda faz parte da nomenclatura adotada o número referente à amostra.
As análises da composição dos elementos presentes foram feitas com
espectrofotômetro de emissão ótica (Thermo Scientific Arc/Spark) em amostras
desbastadas em torno mecânico. A Figura 3.2 mostra o equipamento e a forma da
amostra analisada. Esta foi colocada em suporte, e uma das suas superfícies foi, então,
submetida a uma espécie de “tiro”, uma centelha que provoca a vaporização, excitação
de átomos, produzindo um espectro característico dos elementos presente no material.
Os comprimentos de onda emitidos, próprio de um determinado elemento, são
separados e detectados, e a sua intensidade quantificada em razão da concentração na
amostra e da espécie química responsável pela emissão. Esse procedimento foi realizado
17
em mais de uma região da superfície de determinada amostra.
Considerou-se durante o experimento, o modo como o cadinho foi alimentado
com o metal líquido e a origem do metal. Para os experimentos com uma, três e quatro
barras, com alumínio proveniente, na sua totalidade, dos fornos de fundição, a adição no
cadinho foi realizada somente por ponte rolante. Nos ensaios efetuados com duas barras, as
amostras do alumínio comercial foram provenientes em minoria dos fornos e em maior
parte das cubas eletrolíticas, a adição foi executada tanto por ponte rolante quanto por
veículo. Anotou-se também o horário que se teve início o preenchimento do cadinho com
metal.
A temperatura foi medida em graus Celsius com termopar manual, tipo K, que
entra em contato direto com o material. Para o controle da quantidade de alumínio
líquido foi utilizada uma balança específica para a sua pesagem, a qual fornece o
resultado em quilogramas. Nesta etapa amostras foram retiradas da parte superior do
cadinho para analises da composição dos elementos.
A partir deste momento o material segue transportado e o horário da chegado ao
destino, foi registrado, bem como a temperatura. No momento da entrega do material,
decorrido certo período, novas amostras são analisadas quanto a sua composição
química e a sua condutividade elétrica medida, em temperatura ambiente, com uso do
aparelho SIGMASCOPE SMP10 que expressa a condutividade elétrica em porcentagem
de IACS (International Annealed Copper Standard %).
Amostras também foram submetidas à análise por microscopia ótica com o
objetivo de avaliar a microestrutura. O preparo para a análise metalográfica consistiu
em cortar amostras com auxílio de disco de corte em cortadeira Fortel ou manualmente
com arco de serra. Na sequência as amostras foram embutidas a quente em resina
sintética (baquelite), sob pressão de 150 kgf/cm2, foram lixadas com abrasivos à base de
SiC de granulometrias 600, 800, 1200 e 4000, sucessivamente, tendo como lubrificante
a água. Em seguida, foi feito o polimento em panos com pasta de alumina 3 m e 1 m.
Deste modo, a superfície das amostras ficaram planas o suficiente para análise
metalográfica, e a sua observação foi realizada em microscópio ótico de luz refletida.
Em alguns casos, foi necessário a revelação da microestrutura com ataques químicos, a
partir de uma solução de ácido fluorídrico em água destilada.
18
a
b
Figura 3.1: (a) Barra de alumínio-boro; (b) Cadinho alimentado com o metal
líquido por ponte rolante.
a
b
Figura 3.2: (a) Espectrofotômetro de Emissão Ótica; (b) Amostra após análise da
composição.
19
4. Resultados e Discussão
De acordo com os dados analisados para o primeiro teste, o peso de uma barra
de alumínio-boro variou de 3,34 a 3,49 Kg e o peso do metal presente no cadinho foi de
4760 a 6890 Kg.
Nos ensaios efetuados no segundo teste, as duas barras de alumínio-boro
utilizadas tiveram seu peso variado entre 6,31 a 6,99 Kg, enquanto que o peso do metal
esteve entre os valores de 4843 a 6490 Kg.
Para os experimentos realizados no terceiro e quarto teste, o peso variou para
três barras entre 9,66 a 10,48 Kg e para quatro barras entre 13,10 a 13,98 Kg. Já o peso
dos cadinhos foi de 4095 a 6385 Kg e 4466 a 6376 Kg respectivamente para três e
quatro barras.
A ponte levou cerca de 4 minutos para fazer adição completa do metal no
cadinho, enquanto que o veículo preenchia o cadinho com metal em um tempo médio de
1,5 minutos, com uma pressão bem maior. O metal proveniente do forno é metal
refundido, já o metal das cubas é metal primário.
A Tabela 4.1 apresenta típica análise da composição química dos elementos do
alumínio líquido comercial produzido.
Tabela 4.1 – Resultados analíticos do alumínio líquido produzido.
Al %
Si %
Fe
Cu %
Mn
%
Mg
%
Cr % Ga %
B%
Zr %
Zn %
V%
Ti%
O.T.
%
99,85 0,050 0,060 0,000 0,002 0,001 0,002 0,011 0,002 0,005 0,006 0,005 0,003 0,000
No presente trabalho os elementos monitorados foram especificamente titânio,
vanádio, cromo, zircônio e boro.
Os valores médios obtidos das dez análises de composição dos elementos nas
diferentes situações, antes, logo após a adição da liga e no momento que chega ao
cliente, estão descritos nas Tabelas 4.2 a 4.5.
20
Tabela 4.2 - Teores dos elementos (% em peso) para uma barra da liga Al-4B (%-peso).
Amostras
Al1A
Al1D
Al1P
Cr %
0,0030±0,0001
0,0002±0,0001
0,0002±0,0001
Ti %
0,0021±0,0007
0,0015±0,0008
0,0008±0,0004
V%
0,0036±0,0001
0,0044±0,0009
0,0021±0,0004
Zr %
0,0040±0,0001
0,0006±0,0003
0,0003±0,0002
B%
0,0035±0,0004
0,0045±0,0002
0,0018±0,0002
Tabela 4.3 - Teores dos elementos (% em peso) para duas barras da liga Al-4B (%-peso).
Amostras
Al2A
Al2D
Al2P
Cr %
0,0090±0,0008
0,0003±0,0001
0,0002±0,0001
Ti %
0,0024±0,0003
0,0022±0,0001
0,0003±0,0001
V%
0,0045±0,0007
0,0040±0,0006
0,0019±0,0006
Zr %
0,0039±0,0006
0,0027±0,0003
0,0003±0,0001
B%
0,0038±0,0007
0,0046±0,0003
0,0022±0,0005
Tabela 4.4 - Teores dos elementos (% em peso) para três barras da liga Al-4B (%peso).
Amostras
Al3A
Al3D
Al3P
Cr %
0,0014±0,0005
0,0006±0,0001
0,0003±0,0001
Ti %
0,0021±0,0003
0,0046±0,0009
0,0021±0,0001
V%
0,0035±0,0008
0,0095±0,0005
0,0052±0,0003
Zr %
0,0030±0,0004
0,0019±0,0002
0,0012±0,0007
B%
0,0013±0,0001
0,0058±0,0002
0,0046±0,0004
Tabela 4.5 - Teores dos elementos (% em peso) para quatro barras da liga Al-4B (%peso).
Amostras
Al4A
Al4D
Al4P
Cr %
0,0008±0,0001
0,0003±0,0001
0,0002±0,0001
Ti %
0,0019±0,0008
0,0036±0,0009
0,0011±0,00005
V%
0,0027±0,0004
0,0085±0,0009
0,0073±0,0005
Zr %
0,0027±0,0004
0,0039±0,0008
0,0018±0,0003
B%
0,0011±0,0001
0,0066±0,0003
0,0059±0,0002
Durante o experimento observou-se que o cromo não estava presente em
algumas amostras analisadas antes da adição, mas após adição ele se fez presente, e
quanto aos demais elementos muitas vezes após a adição a concentração foi maior, o
que indica que estes advêm da placa alumínio-boro, que também contém estas
impurezas.
A partir dos dados acima foi possível calcular a porcentagem teórica de boro a
ser adicionado através da Equação 2.1, com um excesso de 50%. O resultado médio do
teor de boro sugerido em teoria seria de 0,0114 ± 0,0008%.
Nota-se que o valor teórico calculado se aproxima muito do que se fala na
literatura (COOPER, 2000), onde as porcentagens de adição de boro típicas estão no
intervalo de 0,01-0,015%.
21
Para o cálculo da porcentagem real de boro adicionado ao metal, efetuou-se
primeiramente o cálculo da quantidade de boro em quilogramas presente na liga Al- 4B
(%-peso) somado com a quantidade de boro presente no metal antes da adição, em
quilogramas. Este valor total de boro foi convertido em porcentagem a partir da
quantidade de metal para cada amostragem. Os valores médios da porcentagem de boro
obtidos e da medida de condutividade elétrica estão expressos na Tabela 4.6.
Tabela 4.6 – Valores médios da porcentagem real do boro adicionado e
condutividade elétrica.
Amostras
Al1P
Al2P
Al3P
Al4P
% Boro Real
0,0056 ± 0,0004
0,0079 ± 0,0007
0,0093 ± 0,0007
0,0120 ± 0,0009
Condutividade Elétrica %
61,060
61,915
61,905
61,592
O tempo medido em minutos, desde a adição do boro até a chegada ao cliente
variou em ordem crescente de concentração de boro, ou seja, de 52 a 84 minutos para
uma barra, de 53 a 84 minutos para duas barras, de 44 a 73 minutos para três barras e de
42 a 76 minutos para quatro barras. Já a temperatura aferida teve uma queda média
avaliada para os quatro experimentos em torno de 70 ºC, saindo da empresa com uma
temperatura de aproximadamente 800 ºC.
Através da classificação da liga de alumínio 1350 (ABAL, 2008), nota-se que
alguns elementos se encaixam dentro dos padrões para fabricação de materiais elétricos,
mesmo sem adição do boro; porém, para aplicações específicas, o teor deve ser menor
ainda.
Conforme o modelo cinético (KHALIQ et. all., 2011), esperava-se um
decréscimo na concentração dos elementos de transição com o tempo, o que foi visto
em geral, para todas diferentes estequiometrias do boro trabalhadas. Observou-se para
as maiores concentrações da liga adicionada um maior resíduo de boro, indicando que
há um excesso grande de boro sem reagir com os elementos de transição.
A quantidade de boro adicionada encontrou-se, de um modo geral
(especificamente para as três primeiras composições de boros avaliadas), abaixo da
quantidade teórica estequiométrica requerida. Porém, deve-se levar em conta que a
quantidade calculada levaria à precipitação de todo o elemento de transição, sendo que
existe um limite aceitável do teor do mesmo.
22
Estudos mostram que o excesso de boro em 50% é mais eficiente para a
formação de boretos e consequente purificação do alumínio, comprovando a
necessidade do uso dessa quantidade do reagente, principalmente, devido a fatores
cinéticos. Na prática observou-se dentre os valores reais de boro adicionado em
porcentagem, que aqueles dentro da faixa teórica almejada correspondem ao
experimento com quatro barras da liga alumínio-boro, com uma média de 0,0120% ±
0,0009. O experimento com três barras também se aproximou bastante deste intervalo,
com uma média de 0,0093% ± 0,0007. Entretanto, para testes realizados com três e
quatro barras de liga alumínio-boro, o resultado, na maioria das vezes, não foi
satisfatório, sendo que muitos elementos como o vanádio, tiveram suas concentrações
aumentadas. Com relação a condutividade, foi notado expressivo, porém discreto,
aumento de uma para duas barras, enquanto que para maiores concentrações de boro
(três e quatro barras) não observou-se significativa alteração.
O fato de o boro estar em excesso, não proporcionou à precipitação de todos os
elementos, no caso da adição de quatro barras, as amostras analisadas na chegada ao
cliente, apresentaram concentrações consideráveis de elementos, especialmente do
vanádio, indicando que o tempo não foi suficiente para a reação de todo elemento, ou
seja, apresenta uma cinética de reação lenta. Espera-se, portanto, que para adição de
boro em excesso, conforme a literatura, haja maior tempo desde adição da liga até o
metal ser utilizado para a fabricação de materiais que conduzem eletricidade, desta
forma, a reação ocorrerá completamente, e se alcançará valores ótimos de condutividade
elétrica. Entretanto, na prática isto não é conveniente, já que este processo tem que ser
realizado no menor tempo possível. Outro fator é a influência da temperatura, durante o
transporte esta diminui. Segundo SETZER & BOONE (1992), em experimento
realizado à temperatura constante e com boro em excesso, a condutividade elétrica tem
relevante acréscimo já nos primeiros minutos de reação, e a precipitação dos boretos
tem aumento significativo até 100 minutos. O que não aconteceu exatamente na prática.
Segundo KHALIQ (2011), os elementos que apresentam melhor reação para
formação de boretos com o boro em excesso é o titânio e o zircônio. Na prática, notouse que os melhores resultados de concentração de soluto foram destes elementos. E que
o cromo reage bem a altas temperaturas, mas com temperaturas menores em torno de
730 ºC (temperatura média que chega ao cliente) as concentrações já não sofreram
tantas modificações.
23
A partir do exposto, depreendeu-se que dentro das condições trabalhadas a
melhor composição estequiométrica para a liga que correspondeu a uma melhor
condutividade elétrica foi a de duas barras, pois permitiu concentrações aceitáveis dos
elementos de transição, bem como, bons resultados de condutividade elétrica. Contudo,
por questões econômicas, a opção de se utilizar apenas uma barra no processo também é
bastante considerável, já que apresentou resultados próximos ao de duas barras.
24
5. Conclusão
Este trabalho avaliou o melhor processo pelo qual o boro forma compostos com
os metais de transição para obtenção de uma condutividade elétrica elevada através de
testes com quatro diferentes concentrações da liga padrão Al-4B (%-peso) adicionadas
no alumínio líquido comercial para produção de materiais que conduzem eletricidade.
O estudo mostrou que somente a maior concentração de boro utilizada (quatro
barras) atingiu o excesso recomendado pela literatura, e que a terceira concentração
(três barras) se aproximou deste valor. Porém, mesmo com o excesso exigido o
experimento não proporcionou à precipitação de todos os elementos, devido à variação
de temperatura no decorrer do processo, mesmo que o tempo limite entre a adição, o
transporte e a entrada no processo de fabricação fosse suficiente para completa reação e
precipitação dos boretos.
Os elementos titânio e zircônio foram os que apresentaram melhor reação com o
boro e, portanto, formação de boretos.
Concluiu-se que a melhor composição estequiométrica para a liga, a partir das
condições trabalhadas, foi a do segundo teste, com adição de duas barras de alumínioboro, pois permitiu concentrações aceitáveis dos elementos de transição e bons
resultados de condutividade elétrica. Mas em termos econômicos pode-se fazer adição
de apenas uma barra também, pois a condutividade neste caso teve valor ligeiramente
menor.
25
6. Sugestões para trabalhos futuros
 Realizar os experimentos em níveis laboratoriais controlados. Uma vez que este
trabalho foi desenvolvido em condições reais de fabricação do produto, não foi
possível monitorar precisamente variáveis importantes, como temperatura.
 Trabalhar com diagramas de fases binários das ligas Cr, V, Ti, Zr – Al, para que
as diferentes variantes dos diagramas sejam analisadas criticamente. Continuar
avaliando os ensaios metalográficos para visualização de micorestrutura formada
e análises de Raio-X para identificar as fases presentes.
26
7. Referências Bibliográficas
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Alumínio e suas ligas. São Paulo. 758p. 2008.
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<ftp://ftp.demec.ufpr.br/disciplinas/EngMec_NOTURNO/TM343/09_1fundamentosAlum%EDnio.pdf.> Publicado em Maio 2007, acesso em 24 nov. 2013.
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas , ABNT NBR 6834: Alumínio e
suas ligas - Classificação da composição química. 2007.
ALCOA, Ligas e Têmperas de Extrusão. Disponível em: <
<https://www.alcoa.com/brasil/pt/resources/pdf/industria/catalogo_ligas_temperas_201
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ANDRADE, M. L. A; CUNHA L. M.; GANDRA, G. T.; A indústria do alumínio:
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COOPER, P..; COOK R.; KEAMS M.A. Effects of Residual Transition Metal
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February 1997.
COOPER, P., JACOB, A., DETOMI, A. Additive Developments in the Aluminium
Industry. 1st International Congress of the Aluminum Industry, São Paulo, Brazil November 2000.
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Thermodynamic Analysis of Transition Metals Impurities in automotive
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27
SETZER, W.C.; BOONE, G.W. “The use of Aluminiu-Boron Master Alloys to
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SINGER, R. F., ‘‘Recent Developments And Trends in High Strength PM
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STROUP, P.T., " Purification of Aluminum", in U. S. Patent: 3,198,625. Aluminum
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