A redução aluminotérmica é bastante empregada na produção de metais e ligas
(NUNES; PINATTI; ROBIN, 1999; MENDES, 2005). A história da aluminotermia, ou seja, a
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metálicos está intimamente ligada à descoberta e ao estudo do alumínio, uma vez que os
fundamentos da aluminotermia estão na ação redutora do alumínio.
Aluminotermia trata-se tipicamente de um processo que envolve a reação do alumínio
com um óxido metálico, dando como resultado o metal envolvido e óxido de alumínio, com
liberação de calor. O processo produz coalescência de metais, em virtude do aquecimento dos
mesmos. O surgimento do processo de aluminotermia se deu no final do século XIX, com a
patente da empresa Goldschmidt A.G (THERMIT, 2009). O químico Hans Goldschmidt
descobriu que a reação exotérmica entre o pó de alumínio e um óxido metálico pode ser
iniciada por uma fonte externa de calor. Por ser altamente exotérmica, esta reação pode ser
auto-sustentada, com ou sem pressão (LONGHI, 2006). Para aplicações em soldagem, o metal
de enchimento é obtido do metal líquido que se forma na reação química.
O processo da reação aluminotérmica tem como base o fato do alumínio extrair
oxigênio de óxidos de outros metais para formar óxido de alumínio e liberar grande
quantidade de calor. Por exemplo, a reação do alumínio com óxido de tântalo, produz óxido
de alumínio e tântalo metálico, com temperatura de aproximadamente 800°C (BRITO, 2007).
Por outro lado, a reação pode ser utilizada em um cilindro fechado, em bombas
incendiárias e "foguetes pirotécnicos" especiais para grandes alcances. O óxido metálico
perde seu oxigênio para o alumínio e a reação que se segue é muito violenta e rápida,
deixando o metal fundido na base do cadinho.
Uma reação aluminotérmica pode ser escrita de forma genérica da seguinte maneira,
apresentada na Equação 3:
MO + Al → M + AlO (3) Onde:
MO – Óxido metálico Al – Alumínio
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A reação balanceada, em que todo o Ta2O5 reage com o Al, pode ser expressa
conforme mostrado na Equação 4:
3Ta2O5 10Al 6Ta5Al2O3 (4)
A reação balanceada em que todo o TiO2 reage com o Al passa a ser escrita da
seguinte maneira, apresentada na Equação 5:
3TiO24Al3Ti2Al2O3 (5)
Segundo Gomes (1987), a reação aluminotérmica da mistura estequiométrica de um
óxido metálico com alumínio é desencadeada pela técnica e aluminotermia convencional
somente se houver a influência externa. Portanto, para que a reação seja iniciada é necessária
certa "energia de ativação", que pode ser fornecida através do aquecimento da mistura
aluminotérmica. A conseqüência deste fato é uma reação de forma explosiva. Atualmente, no
processo de aluminotermia normalmente aplicado na indústria, a energia necessária para a
ignição é fornecida por meio de uma resistência elétrica.
O óxido metálico e o alumínio são preparados na proporção pré-determinada e
colocados em um recipiente adequado para reação. A reação é iniciada através do
fornecimento de calor de um elemento resistivo (ignitor). Iniciada a reação, o calor gerado é
auto-propagado para todo o volume da amostra, dando origem a uma mistura de trióxido de
alumínio (Al2O3) e o elemento metálico (Ta ou Ti). No caso da redução do Ta2O5, o tântalo é
mais denso (16,6 g/cm3) (LIOLE, 1996), este se deposita no fundo do molde, formando um lingote que será colocado no forno de feixe eletrônico para subseqüente purificação.
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Segundo NUNES et al. (1999), o refino do metal obtido nas reduções aluminotérmicas
convencionais pode ser realizado por meio de um forno de feixe eletrônico, electron beam
melting (EBM), ou por fusão a plasma, plasma melting (PM). No forno por feixe eletrônico,
os elétrons são acelerados para um eletrodo do metal de interesse (tântalo ou titânio),
submetido à alta voltagem. A energia dessas partículas é convertida em calor, que é
necessário para fundir o eletrodo e mantê-lo no estado líquido. As impurezas são evaporadas
durante o processo. O metal no estado líquido é solidificado continuamente em um cadinho e
o lingote purificado é, então, retirado da base do forno.
O alumínio é um agente redutor facilmente removível durante as etapas de refino, fato
este não verificado nas reduções por carbono, silício e cálcio (DARNELL; YNTEMA, 1958;
SANDIM et al., 1995; HABASHI, 1986). Além disso, a redução aluminotérmica produz um
óxido (Al2O3) com menor ponto de fusão (2045°C), comparado aos pontos de fusão dos
óxidos de cálcio (CaO, 2615°C) e magnésio (MgO, 2800°C). Quanto menor o ponto de fusão
do óxido formado em relação ao ponto de fusão do tântalo ou titânio, mais fácil será a
separação metal-escória (SANDIM et al., 1995). No entanto, a redução aluminotérmica
convencional possui a desvantagem do produto final da redução (Ta ou Ti metálico)
apresentar uma característica dura, o que varia com o teor de alumínio residual (GOMES,
1987). Desta maneira, não é possível a cominuição direta de pó, sendo necessária uma etapa
adicional de hidrogenação (em atmosfera controlada de hidrogênio, a uma temperatura de
aproximadamente 800ºC) para tornar o pó quebradiço. Em seguida, ainda é necessária uma
etapa de desidrogenação, que ocorre na mesma temperatura (800ºC) em forno a vácuo. Estas
etapas posteriores contribuem para o aumento dos custos no processo de aluminotermia
convencional.
As Equações (4) e (5) representam a reação aluminotérmica teórica balanceada com
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garantir a completa redução do óxido metálico. O alumínio não consumido pela reação de
redução se dissolve, preferencialmente, na liga quando a escória de alumina (Al2O3) é
formada (KAMAT; GUPTA, 1971).
Na realidade, a adição de Al diminui a solubilidade do oxigênio no Ta ou Ti (ZHANG;
CHANG, 1994). A quantidade de inclusões é diminuída, provavelmente, devido à diminuição
do ponto de fusão da liga, no caso dos elevados conteúdos de Al. Isto permite mais tempo
para separação liga-escória. As barras obtidas no processo de aluminotermia que apresentam
elevado conteúdo de Al exibem “espirramento” intenso durante o refino no forno de feixe eletrônico, causando um baixo rendimento metálico. O Al deve contribuir para o processo de
desoxidação durante o primeiro ciclo no forno por feixe eletrônico, através da volatilização do
seu sub-óxido Al2O (KRISHNAMURTY, 1991). O Al residual é facilmente removido por
destilação durante este processo de refino devido a sua alta pressão de vapor em relação ao
ponto de fusão das ligas de Ta e Ti.
A reação aluminotérmica ocorre por meio de uma combustão auto-propagante,
também conhecida por síntese de combustão ou auto-propagação por síntese a alta-
temperatura, Self-propagating high-temperature combustion synthesis (SHS), (MERZHANOV, 1990). O método consiste em uma reação exotérmica iniciada por uma fonte
externa de calor e torna-se auto-sustentável para produzir o produto final da reação, sem
necessidade de energia adicional. A velocidade da onda de combustão depende do sistema e
varia de 1 a 250 mm/s. A alta temperatura necessária para síntese pode ser fornecida pela
reação química exotérmica auto-sustentável (MAKINO, 2001).
O processo de síntese de alta temperatura envolve tipicamente a reação entre partículas
de um metal e um não-metal, ou outro metal com ponto de fusão mais alto. Antes do início da
onda de combustão não são notados os efeitos da reação, devido à baixa temperatura e
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aquecida pela aproximação da onda de combustão, o metal de ponto de fusão inferior funde
primeiro, o que resulta numa pasta constituída de partículas (metálicas ou não-metálicas), com
ponto de fusão mais elevado, suspensas no metal fundido.