Processo de purificação do alumínio

A produção de alumínio de elevada pureza assenta numa abordagem em três níveis: desgaseificação rotativa para retirar o hidrogénio, injeção de fluxo para separar metais alcalinos e óxidos e filtração de espuma cerâmica para capturar fisicamente inclusões sólidas.

A obtenção de uma fundição com zero defeitos requer o cumprimento rigoroso destas etapas na casa de fundição. Sem uma purificação eficaz, a massa fundida sofre de porosidade e propriedades mecânicas fracas. O padrão da indústria envolve a colocação de uma unidade de desgaseificação em linha entre o forno de espera e a mesa de fundição. Esta unidade introduz gases inertes, como o azoto ou o árgon, que se ligam ao hidrogénio. Simultaneamente, os filtros de espuma cerâmica (CFF), que utilizam mecanismos de filtragem em leito profundo, retêm partículas não metálicas de dimensão micrónica. A implementação deste sistema integrado garante o cumprimento das normas de qualidade ASTM e reduz significativamente as taxas de refugo no processamento a jusante.

A necessidade crítica de purificação na metalurgia moderna

O alumínio bruto que sai da fundição ou do forno de reciclagem raramente está suficientemente limpo para aplicações de topo de gama, como o fabrico aeroespacial, automóvel ou de folhas de alumínio. A fusão contém inimigos que comprometem a integridade estrutural.

Os operadores enfrentam três contaminantes principais:

1. Gás hidrogénio: O único gás solúvel no alumínio líquido. Provoca porosidade (pinholes) durante a solidificação.

2. Películas de óxido (escórias): O alumínio reage instantaneamente com o oxigénio, criando películas que enfraquecem a continuidade do metal.

3. Metais alcalinos: Elementos como o sódio (Na), o lítio (Li) e o cálcio (Ca) que reduzem a ductilidade.

A ADtech concentra-se em soluções de engenharia que abordam estes contaminantes específicos. Se não efetuar a purificação, arrisca-se a falhar o produto. Uma única inclusão de óxido pode provocar um rasgão numa folha de alumínio de calibre fino ou uma fissura numa roda de liga leve.

Mecanismo de absorção de hidrogénio

A humidade é a principal fonte de hidrogénio. Provém do ar húmido, de ferramentas húmidas ou de refractários incompletamente secos. Quando o vapor de água (H2O) toca no alumínio fundido (Al), ocorre uma reação:

O hidrogénio atómico difunde-se na fusão. Quando o metal arrefece, a solubilidade do hidrogénio diminui drasticamente, forçando o gás a sair da solução e formando bolhas. Temos de remover este gás antes que o metal congele.

Tecnologias de purificação primária

A refinação do alumínio fundido não é uma etapa única. Trata-se de uma sequência de operações. Examinaremos as principais tecnologias utilizadas globalmente e pela ADtech para garantir a limpeza da fusão.

1. Sistemas rotativos de desgaseificação

A forma mais eficiente de remover o hidrogénio é a desgaseificação rotativa. Este processo envolve um rotor giratório e um eixo submerso na massa fundida. O sistema injecta um gás inerte (árgon ou nitrogénio) através do eixo.

O rotor giratório corta as grandes bolhas de gás em milhões de microbolhas minúsculas. Isto aumenta significativamente a área de superfície.

Como funciona:

• Difusão: Os átomos de hidrogénio na fusão são atraídos para a baixa pressão parcial no interior das bolhas de gás inerte.

• Flotação: As bolhas sobem à superfície, transportando o hidrogénio para fora.

• Remoção de inclusão: As bolhas também se ligam às partículas de óxido, fazendo-as flutuar até à camada de escória para serem escumadas.

As unidades de desgaseificação da ADtech utilizam designs de rotor optimizados para evitar a formação de vórtices. Um vórtice pode sugar as impurezas superficiais de volta para a massa fundida, anulando o objetivo.

2. Injeção de fluxo (Fluxing)

A fluxagem envolve a adição de sais químicos à massa fundida. Embora a adição manual fosse comum no passado, as linhas modernas utilizam máquinas de injeção automatizadas. Estas máquinas injectam uma mistura precisa de fundente granulado e gás inerte profundamente no banho fundido.

Funções de Fluxo:

• Agente molhante: Altera a tensão superficial, permitindo que o alumínio preso na escória flua de volta para o banho.

• Limpeza química: Alguns fluxos reagem com o cálcio ou o sódio para os remover.

• Limpeza de paredes: Os fluxos exotérmicos ajudam a manter as paredes do forno sem acumulação de corindo.

3. Filtragem de espuma cerâmica (CFF)

A filtragem é o último guardião. Posicionada imediatamente antes da mesa de fundição, a caixa de filtros aloja o filtro de espuma cerâmica. A ADtech é especializada no fabrico de CFF, utilizando materiais de alta alumina ou carboneto de silício ligados por fosfato.

O filtro funciona através de dois mecanismos:

• Filtragem de bolos: As partículas grandes ficam bloqueadas na superfície do filtro.

• Filtragem de leito profundo: As partículas mais pequenas ficam presas no percurso tortuoso da estrutura interna do filtro devido à gravidade, à fricção e à afinidade química.

Seleção dos parâmetros de filtragem corretos

Escolher o filtro correto é uma questão de engenharia, não de adivinhação. A métrica utilizada é o PPI (Poros por Polegada). Um PPI mais elevado significa uma filtragem mais fina, mas requer uma pressão de cabeça metálica mais elevada para iniciar o fluxo.

Matriz de seleção de filtros

A tabela seguinte fornece dados relativos à seleção de filtros com base na aplicação.

Tipo de aplicação	PPI recomendado	Material do filtro	Objetivo principal
Biletes de extrusão standard	30 - 40 PPI	Alumina / SiC	Remover grandes óxidos, evitar linhas de matriz.
Fundição automóvel (rodas)	40 - 50 PPI	Carboneto de silício	Eliminar as inclusões que provocam fissuras.
Ligas aeroespaciais	50 - 60 PPI	Alta alumina	Máxima pureza para a resistência à fadiga.
Caixa de lata Stock	50 PPI	Alumina	Evita que se rasgue durante o enrolamento.
Enrolamento de folha metálica (calibre fino)	60+ PPI	Alta alumina	Não são necessários furos.

Nota: Os engenheiros da ADtech recomendam o pré-aquecimento da caixa do filtro para evitar choques térmicos que podem partir a cerâmica.

A interação entre a desgaseificação e a filtração

Os operadores perguntam frequentemente se podem efetuar apenas uma destas etapas. A resposta é não. Elas funcionam em conjunto.

Se filtrar sem desgaseificar, o metal continuará a ter porosidade de hidrogénio. Se a desgaseificação for efectuada sem filtragem, as inclusões passarão. De facto, a unidade de desgaseificação aglomera frequentemente pequenas inclusões em aglomerados maiores. O filtro a jusante capta então facilmente estes aglomerados.

Estratégia de colocação:

O esquema padrão para uma linha de fundição é:

1. Forno.

2. Lavar.

3. Unidade de desgaseificação ADtech.

4. Caixa de filtro ADtech (CFF).

5. Mesa de fundição.

Esta ordem é vital. A desgaseificação cria turbulência. Quer-se que essa turbulência aconteça antes de o filtro para que o fluxo seja laminar (suave) quando entra no molde.

Otimização do processo: Caudais e velocidades do rotor

O sucesso está nos pormenores. O funcionamento de uma unidade de desgaseificação à velocidade máxima nem sempre é melhor. Uma velocidade excessiva cria turbulência na superfície, expondo o metal fresco ao oxigénio atmosférico.

Parâmetros operacionais recomendados

Parâmetro	Gama padrão	Impacto do desvio
Velocidade do rotor (RPM)	350 - 550 RPM	Um valor demasiado elevado cria escórias; um valor demasiado baixo reduz a dispersão das bolhas.
Caudal de gás (L/min)	15 - 25 L/min	Um valor demasiado elevado cria “ebulição”; um valor demasiado baixo não remove o H2.
Temperatura do metal	700°C - 750°C	A baixa temperatura obstrui os filtros; a alta temperatura aumenta a absorção de H2.
Pré-aquecimento do filtro	15 - 20 minutos	A falta de pré-aquecimento leva a que o metal congelado bloqueie o filtro.

Os operadores devem calibrar estas definições com base no tipo de liga. As ligas da série 5000 (alto teor de magnésio) têm um comportamento diferente das ligas da série 6000 (magnésio-silício).

Estudo de caso: Melhorar o rendimento no Michigan, EUA

Localização: Fábrica de fundição injectada para automóveis, Michigan

Tempo: fevereiro de 2023

Desafio do cliente:

Um fornecedor Tier-1 de tabuleiros para baterias de veículos eléctricos enfrentou uma taxa de rejeição de 8,5%. Os defeitos foram identificados como inclusões de óxido e porosidade de hidrogénio. As peças não passaram nos testes de estanquidade à pressão. A instalação utilizava apenas filtros de malha simples e fluxagem manual.

A solução ADtech:

Implementámos uma atualização holística da purificação.

1. Instalação: Substituição da secção de lavagem para acomodar uma Unidade de Desgaseificação Online ADtech (design compacto de rotor duplo).

2. Filtragem: Instalou uma caixa de filtro de fase dupla utilizando filtros de espuma cerâmica de 40 PPI seguidos de 50 PPI.

3. Mudança de processo: Mudança da fluxagem manual para a injeção automática na câmara de desgaseificação.

Os resultados:

Após um período experimental de 30 dias, os dados revelaram uma melhoria significativa.

• Redução de sucata: A taxa de rejeição baixou de 8,5% para 1,2%.

• Índice de densidade: Melhorou de 8% para menos de 1,5% (indicando baixo teor de hidrogénio).

• ROI: A redução dos custos de refusão pagou a atualização do equipamento em quatro meses.

Químicos de fluxo avançados

Flux não é apenas sal. É uma ferramenta química sofisticada.

1. Fluxo de cobertura:

Utilizado no forno. Flutua no topo da massa fundida para criar uma barreira contra o ar. Isto evita a oxidação.

2. Fluxo de escória:

Adicionado antes da desnatação. Cria uma reação exotérmica (calor) que separa o alumínio valioso da camada de óxido (escória). Isto garante que apenas se deitam fora os resíduos e não o metal bom.

3. Fluxo de limpeza:

Injetado na massa fundida. Ajuda a elevar as inclusões para o topo. A ADtech fornece fluxos granulares isentos de sódio para ligas em que o sódio é um contaminante (como ligas com alto teor de magnésio).

Injeção de fluxo vs. Adição manual

A adição manual é inconsistente. Um operador pode introduzir demasiado e outro demasiado pouco. A injeção garante uma distribuição homogénea. O gás de transporte (Azoto) ajuda a dispersar o fluxo ao longo de toda a profundidade do banho.

Manutenção e longevidade do equipamento de purificação

O desempenho do equipamento degrada-se sem cuidados. O rotor de uma unidade de desgaseificação é um consumível. É normalmente feito de grafite ou nitreto de silício.

Controlos de manutenção comuns:

• Erosão do rotor: A grafite oxida-se com o tempo. Uma cabeça de rotor corroída perde a sua geometria, deixando de cisalhar eficazmente as bolhas. Verificar as dimensões semanalmente.

• Elementos de aquecimento: Na caixa do filtro, aquecedores eléctricos mantêm a temperatura. Se um deles falhar, o metal pode congelar.

• Integridade do selo: As juntas à volta da placa do filtro devem ser estanques. Se a vedação falhar, o metal passa pelo filtro, tornando o processo inútil.

Tabela de esperança de vida

Componente	Material	Tempo de vida estimado
Rotor de desgaseificação	Nitreto de silício	6 - 12 meses
Rotor de desgaseificação	Grafite	3 - 6 semanas
Tubo de proteção do aquecedor	SiC	6 - 12 meses
Filtro de espuma cerâmica	Alumina	Utilização única (descartável)
Lavagens/Linhagens	Refratário	1 - 2 anos

Nota: O nitreto de silício é mais caro à partida, mas oferece uma longevidade superior à da grafite.

O papel dos refinadores de cereais

Enquanto a purificação remove as coisas más, o refinamento de grãos acrescenta coisas boas. Muitas vezes adicionados logo após a unidade de desgaseificação, os refinadores de grão (normalmente varetas de titânio-boro) ditam a microestrutura do alumínio.

Uma estrutura de grão fina e equiaxial permite que a peça fundida flua melhor e resista a fissuras. Os sistemas de alimentação ADtech podem automatizar a adição de fio de AlTiB para garantir um tamanho de grão consistente em toda a peça fundida.

Considerações ambientais na purificação

A purificação moderna do alumínio deve ser ecológica. Os métodos antigos que utilizam cloro gasoso para a desgaseificação são perigosos e ilegais em muitas jurisdições.

A abordagem ADtech à sustentabilidade:

• Sem cloro: Utilizamos Azoto ou Árgon, que são seguros e abundantes.

• Redução da escória: Um fluxo eficiente reduz a quantidade de alumínio enviada para aterro como escória.

• Eficiência energética: As nossas caixas de filtros utilizam um isolamento de alta eficiência, reduzindo a energia necessária para manter o metal quente.

A redução da sucata é a maior contribuição ambiental. Cada tonelada de sucata que tem de ser refundida consome enormes quantidades de gás natural e eletricidade. Fazer as coisas corretamente à primeira é a derradeira estratégia ecológica.

Nuances técnicas

Para compreender verdadeiramente o processo de purificação do alumínio, É necessário analisar os defeitos específicos.

Inclusões: São partículas não metálicas. Podem ser óxidos (películas), carbonetos ou boretos. As inclusões duras danificam as ferramentas de maquinagem numa fase posterior do processo.

Remoção de álcalis: a remoção de cálcio é vital para a produção de folhas de alumínio. Mesmo quantidades mínimas provocam a quebra da folha durante a laminagem.

Qualidade metalúrgica: Refere-se à limpeza geral. Ferramentas como o PoDFA (Porous Disc Filtration Apparatus) ou medições Prefil permitem aos engenheiros quantificar a limpeza. O equipamento ADtech ajuda as instalações a obter curvas de Prefil superiores.

Ao procurar por soluções casthouse, Os gestores devem dar prioridade aos sistemas modulares. Uma unidade de desgaseificação modular pode ser adaptada às linhas existentes sem grandes obras de construção civil.

Resolução de problemas comuns de purificação

Mesmo com o melhor equipamento, as coisas correm mal. Aqui está uma matriz de resolução de problemas para os operadores de castiçais.

Problema: Níveis elevados de hidrogénio após a desgaseificação

• Causa: Dia de elevada humidade?

• Causa: Velocidade do rotor demasiado baixa?

• Causa: Fuga de gás de transporte?

• Fixar: Aumentar ligeiramente o fluxo de gás, verificar se há fugas nas condutas de gás, verificar se o rotor não está gasto.

Problema: Bloqueio do filtro (congelamento)

• Causa: Temperatura do metal demasiado baixa.

• Causa: Pré-aquecimento insuficiente da caixa do filtro.

• Fixar: Verificar a temperatura do forno. Assegurar que os aquecedores da caixa de filtros estão activos 30 minutos antes da fundição.

Problema: Inclusões encontradas no produto final

• Causa: Desvio do filtro (má vedação).

• Causa: Lavagem de roupa suja depois do filtro.

• Fixar: Inspecionar a junta de dilatação do CFF. Limpar rigorosamente as lavandarias.

Perguntas mais frequentes (FAQs)

Eis as principais questões colocadas pelos gestores de casas de fundição e metalúrgicos relativamente ao processo de purificação.

1. Qual é o método mais eficaz para a remoção do hidrogénio no alumínio?

A desgaseificação rotativa utilizando um gás inerte como o árgon ou o azoto é o padrão da indústria. Transporta fisicamente o hidrogénio para fora da fusão através da flutuação de bolhas.

2. Porque é que o fluxo é injetado em vez de ser lançado para cima?

A injeção assegura que o fluxo entra em contacto com todo o volume de metal e não apenas com a superfície. Isto melhora a eficiência da reação e reduz a quantidade de fluxo necessária.

3. Com que frequência devo mudar o filtro de espuma de cerâmica?

Os CFFs são objectos de utilização única. É necessário substituí-los após cada fundição ou sempre que a queda de pressão se tornar demasiado elevada, indicando um bloqueio.

4. Posso utilizar Azoto em vez de Árgon para a desgaseificação?

Sim, o Azoto é mais barato e muito utilizado. No entanto, para certas ligas de alta tecnologia ou quando se utiliza lítio, é necessário árgon porque o azoto pode reagir e formar nitretos.

5. Qual é a diferença entre PPI e malhagem?

PPI significa Pores Per Inch (poros por polegada) num filtro de espuma. Mesh refere-se a telas de arame. 30 PPI é um grau de aspereza padrão; 60 PPI é fino. Um PPI mais elevado capta partículas mais pequenas.

6. Como é que a ADtech garante que a caixa do filtro não arrefece o metal?

As caixas de filtro ADtech são revestidas com materiais refractários avançados e frequentemente equipadas com aquecedores de tampa para manter o equilíbrio térmico.

7. O que é que cria escória no forno?

A escória forma-se quando o alumínio reage com o oxigénio no ar. A turbulência e as altas temperaturas aceleram esta reação.

8. O cloro gasoso continua a ser utilizado para a purificação?

É raro devido à toxicidade e aos regulamentos ambientais. Algumas instalações utilizam uma mistura de nitrogénio 90% / cloro 10%, mas os gases puramente inertes são preferidos por razões de segurança.

9. O que acontece se a velocidade do rotor for demasiado elevada?

Cria um vórtice que suga as impurezas superficiais e o ar para a fusão, piorando efetivamente a qualidade. Além disso, o rotor desgasta-se mais rapidamente.

10. A purificação pode remover o ferro do alumínio?

Não. O ferro é dissolvido quimicamente no alumínio. A filtração e a desgaseificação não podem remover elementos dissolvidos como o ferro ou o manganês; apenas removem sólidos e gases.

Considerações finais sobre a qualidade da fusão

O processo de purificação do alumínio define o valor do seu produto final. Quer esteja a fundir biletes, placas ou lingotes, a presença de hidrogénio e inclusões não é negociável - têm de desaparecer.

A ADtech fornece o hardware e a experiência para garantir esta qualidade. Combinando a desgaseificação rotativa eficiente com a injeção precisa de fluxo e a filtração cerâmica de leito profundo, ajudamos as fundições a atingir padrões globais. O custo da purificação é uma fração do custo de uma remessa rejeitada.

O investimento em tecnologias ADtech garante que o seu metal está limpo, que os seus clientes estão satisfeitos e que os seus contentores de sucata permanecem vazios.