ISSN 1517-7076

 

 

 

 

 

Revista Matéria, v. 10, n. 1, pp. 72 – 79, Março de 2005

http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10635

Reciclagem de Latas de Alumínio Visando Melhor Rendimento e Qualidade Metalúrgica no Alumínio Obtido

Verran, G.O., Kurzawa, U., Pescador, W.A.

Universidade do Estado de Santa Catarina Departamento de Engenharia Mecânica

Campus Universitário s/n – CEP 89223-100 - Bom Retiro- Joinville – SC – Brasil

Email: gverran@joinville.udesc.br, udok@terra.com.br, wapescador@yahoo.com.br

Resumo

Atualmente é crescente o emprego do alumínio na fabricação de embalagens para bebidas, o que torna interessante a reutilização do mesmo, através da reciclagem como matéria-prima na indústria metalúrgica. Tornando-se uma atividade econômica que conta com diversos setores da sociedade, algumas pouco tecnológicas como coletar vasilhames já utilizados e culminando com etapas onde o conhecimento da metalurgia se torna fundamental para um melhor reaproveitamento do alumínio contido nestes vasilhames, garantindo assim, a qualidade metalúrgica deste processo. Este artigo descreve um estudo experimental utilizando procedimentos para a recuperação do alumínio, analisando a influência dos parâmetros de processamento sobre o rendimento final, definido aqui como a relação entre as quantidades de alumínio obtido a partir da reciclagem destas latas e a utilizada na sua fabricação. A metodologia envolveu a prensagem das latas de alumínio em “pacotes”, a fusão do material para a separação entre as partes metálicas e não metálicas que constituem a lata, vazamento do metal líquido em moldes apropriados e a caracterização do metal resultante. Na fusão foram avaliadas as influências da temperatura e do tempo de fusão sobre a eficiência desta prática de reciclagem e a utilização de fluxos para tratamento do metal líquido. A qualidade metalúrgica foi determinada através de análises químicas e de observações na macroestrutura dos lingotes fundidos. Os resultados obtidos indicam que houve um acréscimo de onze pontos percentuais no rendimento de alumínio recuperado em relação a média das fundições, e o metal recuperado apresenta uma boa qualidade metalúrgica, podendo ser reintroduzido no ciclo produtivo mediante pequenos ajustes na sua composição química.

Palavras chaves:    Alumínio, latas, reciclagem, fundição.

 

Recycling of Aluminum Cans Aiming a Better Efficiency and Metallurgical Quality in the Obtained Aluminum

abstract

Nowadays it’s increasing the use of aluminum to manufacture drink containers and it’s recycling aiming a better efficiency with metallurgical quality from the obtained raw material for metallurgic industries, and has been an economic activity witch has involved several society sectors, some one like collect cans more less technological and culminated with stages where the understanding from the metallurgy it’s fundamental for a better reuse from the aluminum contained into the cans, warranted the metallurgical quality from this process. This paper describes an experimental study of the procedures for aluminum recovery based on the analysis of the effect of the processing parameters on efficiency of the recovered aluminum, defined here as a relation between the recovered and original amount of aluminum, and assessment of its metallurgical quality. The methodology involves the pressing of aluminum cans in "packages", melting and separation of metallic and non-metallic parts, pouring of the molten metal in dies and characterization of the final product. During the melting phase, it was assessed the influence of the temperature and melting time on the efficiency of the recycling procedure and the use of flows to treat the melt. The metallurgical quality was assessed by chemical analysis using optical emission spectroscopy. The results indicate an increase of the efficiency of the recovered aluminum, presenting good metallurgical quality, able to be reintroduced in the productive cycle by means of small adjustments in its chemical composition.

Keywords:    Aluminium, cans, recycling, casting.

 

1           Introdução

A relevância da reciclagem está fundamentada no aumento crescente do consumo de latas de alumínio, é o que esclarece a ABAL (Associação Brasileira do Alumínio, 2002) “... gerando atividades de trabalho e renda (aproximadamente R$ 850 milhões/ano), economia de energia, criação de novos mercados, conscientização ambiental e inclusão social”. O alumínio é o mais importante dos metais não-ferrosos e possui grande importância industrial devido suas excelentes propriedades físico-químicas pois segundo PERRY (1980) “é um metal leve (densidade = 2,7 g/cm3, ou seja, um terço da densidade do aço), com baixo ponto de fusão (6600C quando na pureza de 99,80%)”, com elevada resistência específica principalmente na forma de ligas, além de outras propriedades como longa vida útil, resistência à corrosão, excelente condutor térmico e elétrico, boas propriedades refletivas e infinitamente reciclável.

Segundo a ABAL (Associação Brasileira do Alumínio, 2004) o Brasil desde 2001 detém a liderança mundial na reciclagem de latas de alumínio, com índices de 85% em 2001, 87% em 2002 e 89% em 2003, o que representa um volume de 121,1 mil toneladas sobre o total de latas consumidas ABAL (2003). O gráfico da Figura 1 mostra a evolução da reciclagem de latas de alumínio a nível mundial desde 1991.

 

Figura 1: Evolução na reciclagem de latas de alumínio nos países com maiores índices de reciclagem.

O processo de reciclagem de alumínio a partir da refusão de latas de bebidas descartadas é uma atividade que vem proporcionando um significativo crescimento em função do avanço no emprego desde tipo de embalagens e da redução dos insumos no consumo de energia relacionados com esta reciclagem em comparação com a produção de alumínio primário, onde se utiliza uma tecnologia de refino eletrolítico que envolve um elevado consumo de energia. A economia de energia associada com a reciclagem de 1Kg de alumínio representa uma redução no consumo de energia elétrica da ordem de 95% com relação à produção da mesma quantidade de alumínio primário, segundo VOGUEL [3] cerca de 1.576 GWh/ano, o que equivale a 0,5% de toda a energia gerada pelo País, suficiente para abastecer uma cidade como Campinas – SP, de um milhão de habitantes”. Desta forma qualquer incremento no rendimento do processo de recuperação do alumínio, por menor que seja, pode representar um ganho econômico expressivo para as empresas que trabalham com a refusão destas latas visando à obtenção de alumínio em lingotes. Outro aspecto importante é o que está relacionado com a qualidade do alumínio obtido a partir da refusão das latas, a grande maioria das empresas não realiza um controle de qualidade rigoroso do material produzido, o que pode levar a uma série de problemas a medida que este material seja reintroduzido na cadeia produtiva, envolvendo conseqüências como o comprometimento da composição química e do desempenho das peças obtidas usando este material, sem contar com o fato de que a falta de controle sobre a composição química e a presença de óxidos podem promover um efeito danoso para as indústrias que trabalham com a reciclagem de alumínio.

Este trabalho mostra parte dos resultados de um estudo experimental sobre a reciclagem do alumínio utilizado na fabricação de embalagens de bebidas, usando um forno elétrico a indução para a fusão das latas de alumínio, que comparativamente, quanto aos níveis de contaminação, é um forno intermediário entre o forno a combustão ar/óleo (muito utilizado pelas indústrias) e forno a plasma térmico segundo SANT’ANNA [4] . Nos fornos convencionais e a indução, segundo CAMPBELL [5] é possível observar a força motriz relacionada com a tentativa do fundido entrar em equilíbrio com o meio que o cerca, provocando desta forma a contaminação do metal, portanto, o tipo de combustível do forno e do ambiente que o cerca também devem ser considerados na reciclagem do alumínio e observados através de posterior análise química. Foram avaliados alguns dos parâmetros utilizados no processo de refusão destes materiais com a finalidade de obter os melhores rendimentos possíveis em termos da quantidade de alumínio recuperado, bem como se preocupando com a qualidade deste alumínio afim de que o mesmo possa ser reutilizado para aplicações mais nobres sem o comprometimento dos produtos obtidos a partir do seu reaproveitamento.

2           METODOLOGIA EXPERIMENTAL

Para a realização das experiências de fusão de latas de alumínio descartadas após sua utilização foi elaborado um planejamento experimental que envolveu as seguintes etapas:

Definição das condições de acondicionamento da carga (latas de Al) no forno para fusão: quanto a este aspecto foram utilizadas duas condições experimentais, tendo sido fundidas latas soltas somente amassadas para sua colocação no cadinho do forno e latas na forma de “pacotes” conforme mostra a Figura 2. Para obtenção dos pacotes foi projetada e construída uma matriz de compactação, de modo a permitir a obtenção de “pacotes” de latas com uma geometria muito próxima à cavidade do cadinho, possibilitando desta forma um melhor acondicionamento da carga no mesmo. Adicionalmente o uso de uma carga mais compacta permite uma melhor eficiência na fusão, uma vez que numa carga mais compacta existe uma menor relação superfície/volume, e conseqüentemente, uma menor tendência à ocorrência de perdas por oxidação.

Figura 2: Pacote contendo 50 latas de alumínio com o formato semelhante ao cadinho do forno.

Definição dos parâmetros de fusão: temperatura máxima do metal após a fusão, tempo de manutenção no estado líquido e utilização de fluxos para melhorar a separação entre o metal líquido e as escórias formadas. Foram inicialmente realizadas diversas corridas nas quais estes parâmetros foram variados aleatoriamente, para posteriormente definir os parâmetros a serem utilizados no restante dos experimentos. A fusão foi realizada em um Forno de Indução com potência de 40 Kw usando um cadinho de grafite com capacidade para fundir até 1,3 Kg de alumínio por corrida, foram utilizadas potências da ordem de 5 a 6 Kw o que resultou em tempos totais de fusão de aproximadamente 15 minutos. Após a fusão total do material carregado foi realizado o procedimento de separação e retirada da escória e vazado o alumínio obtido em moldes adequados para obtenção dos corpos de prova para análise química, conforme mostra esquematicamente a Figura 3, e em moldes com cavidades troncas cônicas (diâmetro superior = 40mm, diâmetro inferior = 35mm e altura = 80mm) para análises metalográficas e outras futuras avaliações.

 

Figura 3: Representação esquemática do molde para obtenção dos corpos de prova para análise química.

Os corpos de prova para análise química foram usinados em uma superfície e submetidos a análises químicas via Espectroscopia de Emissão Óptica usando um Espectrômetro Shimadzu OES 5500 II, tendo sido feitas entre 3 a 5 medições para cada condição experimental testada. A Figura 4 apresenta as superfícies de duas amostras submetidas a análise química, mostrando a marca da queima resultante da descarga elétrica efetuada pela equipamento durante cada medição realizada.

     

(a) 03 medições.                     (b) 05 medições.

Figura 4: Amostras mostrando as marcas das medições realizadas usando espectroscopia de emissão ótica.

A Tabela 1 apresenta o programa de experiências realizadas, indicando os parâmetros variados em cada corrida experimental.

Tabela 1: Quadro demonstrativo dos parâmetros utilizados nas diferentes corridas realizadas.

Número da

Corrida

Condição

da Carga

Composição

da Carga

Fluxo

Escorificador

Temperatura

Máxima (0C)

01

Pacote

Corpo + Tampa + Selo

Não

900

02

Pacote

Corpo + Tampa + Selo

Não

850

03

Pacote

Corpo + Tampa + Selo

Não

800

04

Pacote

Corpo + Tampa + Selo

Não

750

05

Pacote

Corpo + Tampa + Selo

Não

700

06

Pacote

Corpo + Tampa

1%

750

07

Pacote

Corpo + Tampa

1%

900

08

Pacote

Corpo + Tampa

1%

850

09

Pacote

Corpo + Tampa

1%

780

10

Pacote

Corpo + Tampa

1%

850

11

Pacote

Corpo + Tampa + Selo

10%

750

12

Pacote

Corpo + Tampa + Selo

10%

780

13

Pacote

Corpo + Tampa + Selo

10%

750

14

Pacote

Corpo + Tampa + Selo

10%

800

15

Pacote

Corpo + Tampa + Selo

10%

750

16

Pacote

Corpo + Tampa + Selo

20%

740

17

Pacote

Corpo + Tampa + Selo

20%

770

18

Pacote

Corpo + Tampa + Selo

20%

800

19

Pacote

Corpo + Tampa + Selo

20%

750

20

Pacote

Corpo + Tampa + Selo

20%

750

 

As latas são fabricadas a partir de três diferentes partes, corpo (liga 3004) que apresenta boa resistência à corrosão, boa conformabilidade e moderada resistência mecânica. A tampa (liga 5182) e selo (liga 5082) são dúcteis no estado recozido, mas endurecem rapidamente sob trabalho a frio, possuem alta resistência à corrosão em ambientes marítimos e quanto maior os teores de Mg, maior a resistência mecânica. A Tabela 2 apresenta as composições químicas destas ligas de acordo com a ASM [6].

Tabela 2: Composições químicas das ligas utilizadas na fabricação das latas de alumínio.

Componente (liga)

Si

Fe

Cu

Mn

Mg

Zn

Cr

Ti

Outros (cada)

Outros (total)

Corpo (ASTM3004)

0,3

0,7

0,25

1,0-1,5

0,8-1,3

0,25

-

-

0,05

0,15

Tampa (ASTM5182)

0,2

0,35

0,15

0,2-0,5

4,0-5,0

0,25

0,10

0,10

0,05

0,15

Selo (ASTM5082)

0,2

0,35

0,15

0,25-0,4

3,3-4,0

0,25

0,15

0,10

0,05

0,15

*Os valores apresentados indicam as porcentagens máximas admissíveis como impurezas, com exceção das indicadas por faixas (que representam os elementos de liga).

Com o objetivo de conhecer a composição química aproximada do material de partida efetuou-se um procedimento de cálculo usando-se o percentual em peso de cada um destes componentes no peso de uma lata e suas respectivas composições químicas, considerando apenas os elementos principais de liga Mn e Mg. Isto permitiu uma melhor avaliação das variações químicas ocorridas durante o processo de reciclagem.   A Tabela 3 mostra os resultados obtidos usando os valores médios obtidos a partir da pesagem de quatro lotes de quarenta latas.

Tabela 3: Composições químicas aproximadas das cargas iniciais.

Tipo de Carga

Mn (% em peso)

Mg (% em peso)

Corpo +Tampa + Selo

1,04

1,78

Corpo + Tampa

1,05

1,74

 

O rendimento do processo foi calculado através da relação entre o peso em lingotes de alumínio obtido a cada corrida experimental e o peso total da carga adicionada ao forno para fusão, considerando-se aqui como peso total da carga a lata recoberta com tinta e verniz.

3           RESULTADOS E DICUSSÃO

Os valores de rendimento apresentados na tabela acima indicam a ocorrência de um excelente rendimento na reciclagem de alumínio usando a fusão em forno elétrico a indução, rendimento este muito superior aos valores médios obtidos pelas indústrias que trabalham com reciclagem de latas de alumínio usando processos de fusão em fornos com queima de combustíveis.  De acordo com informações obtidas junto a algumas empresas que trabalham com reciclagem de latas de alumínio o rendimento máximo obtido, usando fornos a combustão ar/carvão são da ordem de 55% e em fornos a combustão ar/óleo ou gás são da ordem de 60% [712]. Outra vantagem associada à utilização de fusão em forno elétrico a indução é a redução na emissão de gases resultantes da queima de combustíveis e dos seus impactos sobre a atmosfera.

Os resultados obtidos na determinação do rendimento na fusão nas diferentes corridas experimentais realizadas são mostrados na Tabela 4.

Tabela 4: Rendimento obtido nas diferentes corridas experimentais realizadas.

Número da Corrida

Peso Inicial da carga (g)

Peso em Alumínio (g)

Peso do Fluxo (g)

Peso do Resíduo + Perdas (g)

Rendimento (%)

01

666,11

405,95

0,00

253,13

60,94

02

664,37

400,85

0,00

253,80

60,34

03

666,23

415,23

0,00

240,86

62,33

04

661,85

422,11

0,00

229,86

63,78

05

668,11

429,79

0,00

229,56

64,33

06

741,31

516,17

7,40

225,14

69,76

07

767,26

499,35

7,67

297,61

65,08

08

640,88

436,61

6,40

204,27

68,13

09

640,14

451,04

6,40

189,10

70,46

10

646,01

411,00

6,46

235,01

63,62

11

643,56

469,25

64,06

250,62

72,92

12

638,06

522,67

64,04

176,91

81,92

13

643,97

499,16

64,04

225,46

77,51

14

641,97

515,21

64,03

192,13

80,25

15

618,83

500,30

61,95

187,42

80,85

16

666,14

437,21

133,20

396,34

65,63

17

664,68

543,02

133,00

268,83

81,69

18

664,54

525,06

133,00

279,91

79,01

19

665,06

549,52

133,00

241,18

82,63

20

655,17

530,41

131,00

264,34

80,96

Média

-

-

-

-

71,61

  • Corrida 09 – Houve um aumento do rendimento em função de posterior refusão.
  • Corrida 16 – Rendimento aquém do esperado em função de baixa temperatura de vazamento.

 

A análise dos rendimentos obtidos em função de variações nos parâmetros de fusão indica a ocorrência de melhores rendimentos quando se utilizou 10% e 20% em peso de fluxo escorificante e temperaturas máximas do metal líquido em torno de 780 ºC a 800 ºC. O gráfico da Figura 5 apresenta os valores de rendimento em função do uso ou não de fluxo e da variação na quantidade de fluxo utilizado, o que permite uma melhor visualização do efeito destas variáveis sobre o rendimento obtido.

 

Figura 5: Valores médios dos rendimentos obtidos na fusão de latas em função dos parâmetros testados.

Os corpos de prova obtidos das 18 corridas da Tabela 1 foram submetidos à análise química por Espectroscopia de Emissão Óptica num Espectrômetro Shimadzu OES 5500 II, os resultados obtidos são mostrados na Tabela 5.

Tabela 5: Composição química dos corpos de prova.

Amostra.

Si

Fe

Cu

Mn

Mg

Cr

Ni

Zn

Ti

V

Pb

Sn

Al%

1

0,09

0,34

0,11

0,74

0,51

0,02

0,01

0,03

0,03

0,01

0,01

0,004

98,11

2

0,09

0,37

0,11

0,73

0,57

0,02

0,01

0,03

0,02

0,01

0,01

0,005

98,01

3

0,09

0,34

0,10

0,73

0,59

0,02

0,01

0,03

0,02

0,01

0,01

0,004

98,04

4

0,09

0,35

0,11

0,74

0,58

0,02

0,01

0,03

0,02

0,01

0,01

0,005

98,03

5

0,09

0,34

0,10

0,73

0,58

0,02

0,01

0,03

0,02

0,01

0,01

0,004

98,05

6

0,14

0,35

0,11

0,73

0,60

0,02

0,01

0,03

0,02

0,01

0,01

0,003

97,96

7

0,15

0,37

0,12

0,73

0,63

0,02

0,01

0,03

0,02

0,01

0,01

0,005

97,88

8

0,14

0,34

0,11

0,73

0,61

0,01

0,01

0,03

0,01

0,01

0,01

0,003

97,96

9

0,15

0,37

0,12

0,74

0,66

0,02

0,01

0,03

0,02

0,01

0,01

0,003

97,86

10

0,14

0,36

0,11

0,75

0,60

0,02

0,01

0,03

0,02

0,01

0,01

0,003

97,94

11

0,08

0,34

0,10

0,74

0,48

0,02

0,01

0,03

0,01

0,01

0,01

0,005

98,14

12

0,09

0,36

0,11

0,75

0,48

0,02

0,01

0,04

0,02

0,01

0,01

0,005

98,10

13

0,08

0,32

0,10

0,73

0,47

0,02

0,01

0,03

0,01

0,01

0,01

0,005

98,20

14

0,08

0,33

0,10

0,73

0,50

0,02

0,01

0,03

0,01

0,01

0,01

0,005

98,14

15

0,08

0,32

0,10

0,73

0,48

0,01

0,01

0,03

0,02

0,01

0,01

0,004

98,18

16

0,07

0,30

0,10

0,73

0,40

0,02

0,01

0,03

0,02

0,01

0,01

0,004

98,29

17

0,08

0,34

0,10

0,73

0,46

0,02

0,01

0,03

0,02

0,01

0,01

0,006

98,16

18

0,08

0,33

0,10

0,73

0,45

0,02

0,01

0,03

0,02

0,01

0,01

0,005

98,18

19

0,08

0,34

0,10

0,75

0,47

0,02

0,01

0,04

0,02

0,01

0,01

0,006

98,14

20

0,08

0,32

0,10

0,74

0,47

0,02

0,01

0,03

0,02

0,01

0,01

0,006

98,17

 

Comparando-se os valores apresentados nas Tabelas 3 e 5, observa-se que o alumínio reciclado apresenta uma composição química muito próxima daquela prevista como composição inicial da carga, sendo que os percentuais do elemento manganês apresentam pequenas variações entre as diferentes corridas experimentais realizadas e em média uma redução muito pequena com relação à composição inicial. Para o elemento magnésio ocorreram maiores variações com relação à composição inicial, o que pode ser explicado pelo fato de que o magnésio é um elemento químico extremamente reativo com o oxigênio e sua perda durante operações de fusão e refusão de ligas metálicas é bastante comum e de difícil controle.

Quanto aos outros elementos que aparecem na forma de impurezas pode-se afirmar que os valores encontrados estão dentro dos limites permitidos em todas as normas que definem especificação de composição química para ligas de alumínio trabalháveis. Elementos como Cr, Ni, Pb, Sn e V, que poderiam ser incorporados ao metal através das resinas utilizadas na confecção dos rótulos das embalagens, não apresentaram variações significativas nas análises realizadas, o que se constitui em mais um indicativo da vantagem de se utilizar a fusão em forno elétrico a indução para a reciclagem de latas de alumínio.

O gráfico da Figura 6 mostra os teores de manganês e magnésio obtidos nas diferentes corridas experimentais realizadas.

Figura 6: Variações nos teores de manganês e magnésio no alumínio obtido a partir da reciclagem de latas.

4           CONCLUSÃO

De acordo com os resultados obtidos, pode-se concluir que o uso da fusão em forno elétrico a indução permite a obtenção de melhores rendimentos na reciclagem de latas de alumínio em comparação com o método usado convencionalmente pelas empresas que trabalham com este tipo de atividade.

O uso de fluxos escorificantes em teores da ordem 10% e 20% com relação ao peso da carga inicial permitiu a obtenção de melhoras significativas neste rendimento.

Quanto a qualidade metalúrgica do alumínio obtido por reciclagem em forno elétrico a indução conclui-se que as composições químicas obtidas permitem qualificar este alumínio como uma matéria prima com qualidade metalúrgica aceitável, podendo o mesmo ser reintroduzido na cadeia produtiva sem causar maiores problemas de contaminações que possam gerar defeitos e redução no desempenho mecânico das ligas fabricadas a partir deste alumínio reciclado.

5           AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC pelo apoio financeiro através do Programa de Apoio à Pesquisa e ao programa PIBIC-CNPq  pela bolsa concedida.

6           REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] ABAL: Associação Brasileira do Alumínio,<http://www.abal.org.br>, Acesso em: 2004.

[2] PERRY, H.R., Manual de Engenharia Química, 5a ed., Rio de Janeiro, Guanabara Dois, 1980.

[3] VOGEL, C., “Brasil recicla 89% das latas”, In: A Notícia, Florianópolis, mar. 2004.

[4] SANT’ANNA, J.P., Tecnologia. Processo Limpo, Metalurgia & Materiais, São Paulo, p. 736-739, out. 2003.

[5] CAMPBELL, J., Castings: Metal Ractions, Birmingham: Butterworth Heinemann, Cap. 1, pp. 1-25, 1995.

[6] ASM Specialty Handbook Aluminum and Aluminum Alloys, ASM International, 3Ed., J.R. Davies, 1996.

[7] CARVALHO, B.A., (alumínio@abal.org.br). (2004/05/24). Informações Sobre Reciclagem de Latas de Alumínio. E-mail to: Udo Kurzawa (udok@terra.com.br).

[8] EAA: The European Aluminium Association,<http://www.eaa.net>, Acesso em: 2002.

[9] FUNDIÇÃO SANTA BÁRBARA. (sbarbara@terra.com.br). (2004/05/18). Informações sobre rendimento na reciclagem de latas de alumínio. E-mail to: Udo Kurzawa (udok@terra.com.br).

[10] Periódico: Alumínio para futuras gerações <http://www.abal.org.br>, Acesso em: 2003.

[11] TOMRA/LACTASA. <http://www.tomra.com.br>, Acesso em: 2004.

[12] WORLD-ALUMINIUM: The International Aluminium Institute, <http://www.world-aluminium.org>, Acesso em: 2002.