O alcatrão do carvão mineral é constituído de resíduos de substâncias químicas, através do processo de destilação é obtido o piche eletrolítico, o mesmo é utilizado para a fabricação de eletrodos anodo das partículas de coque, sua produção tem que atender especificações rígidas para as indústrias de alumínio, o qual é produzido através da redução eletrolí- tica da alumina. Foram analisadas diversas amostras de piche, os não polimerizados e os coletados após o processo de polimerização (os polimerizados), para descobrir a influência da polimerização no ponto de amolecimento. Análises das amostras processadas apontam um aumento da propriedade do ponto de amolecimento de até 83,7% de ganho no processo

Domingos, Bianca Siqueira Martins

Ribeiro, Rosinei Batista

Valentim, Linowesley Teixeira

Portuguese

Portal de Revistas do UniFOA (Fundação Oswaldo Aranha - Centro Universitário de Volta Redonda)

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Influência na polimerização de aglomerante para as indústrias metalúrgicas da 
produção de alumínio
Influences the polymerization of the binder for metallurgical industries of 
aluminum production
Linowesley Teixeira Valentim1 
Rosinei Batista Ribeiro 2 
Bianca Siqueira Martins Domingos3
Palavra chave:
Polimerização
Alcatrão 
Piche
Ponto de 
amolecimento
Abstract:
The coal tar is composed of chemicals residues. Through the distillation 
process is obtained pitch electrolyte, it is used to manufacture anode 
electrodes of the coke particles and their production must meet strict 
specifications for the manufacturing of aluminum, which is produced 
by electrolytic reduction of alumina. We analyzed several samples of 
tar, the unpolymerized and the collected after the polymerization (the 
polymerized). to find out the influence of polymerization in the softening 
point. Analysis of the processed samples show an increase of the property 
of softening point of up to 83.7% gain in the process
Keywords:
Polymerization
Tar
Pitch
Softening Point
Resumo:
O alcatrão do carvão mineral é constituído de resíduos de substâncias 
químicas, através do processo de destilação é obtido o piche eletrolítico, 
o mesmo é utilizado para a fabricação de eletrodos anodo das partículas 
de	coque,	sua	produção	tem	que	atender	especificações	rígidas	para	as	
indústrias de alumínio, o qual é produzido através da redução eletrolí-
tica da alumina. Foram analisadas diversas amostras de piche, os não 
polimerizados e os coletados após o processo de polimerização (os po-
limerizados),	para	descobrir	a	influência	da	polimerização	no	ponto	de	
amolecimento. Análises das amostras processadas apontam um aumento 
da propriedade do ponto de amolecimento de até 83,7% de ganho no 
processo.
1Discente do Mestrado em Materiais - UniFOA 
2Docente	do	Mestrado	Profissional	em	Materiais	/	MEMAT	–	UniFOA
3Bolsista categoria ATNM – CNPq - FATEC 
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1. Introdução 
O objetivo deste trabalho é a analise da 
influência	da	polimerização	de	elemento	aglo-
merante como processo regularizador de tal 
propriedade para melhorar a qualidade do pro-
duto em questão.
De acordo com Albras e estudos de 
VASSEM, o piche eletrolítico, obtido a partir 
da destilação de alcatrão do carvão mineral, 
é utilizado na fabricação de eletrodos anodos 
como elemento aglomerante das partículas de 
coque1, 2.
O	produto	tem	que	atender	à	especifica-
ções rígidas para indústria de alumínio, pois 
necessita de determinadas propriedades especí-
ficas	para	o	processo	eletrolítico	da	alumina1,2. 
Conforme ABAL são necessários 117 g 
de piche para produção de 1000 g de alumínio, 
através da redução eletrolítica da alumina3.
Segundo (Callister, 2007) as ligas de 
alumínio são utilizadas como matérias de en-
genharia para indústria de transporte, inclusive 
aeronáuticos e aeroespaciais. Demonstrando 
assim os diversos usos e a importância do ma-
terial alumínio3, 4. 
A	 refinaria	 de	 alcatrão	 é	 uma	 fábri-
ca onde as frações de alcatrão são separadas 
por meio de destilação fracionada, da mesma 
forma	em	que	ocorre	nas	refinarias	de	petró-
leo. As frações do alcatrão são partes de uma 
mistura de substâncias e hidrocarbonetos com 
pontos de ebulição muito próximos, obtido 
pelo processo de fracionamento do alcatrão. 
As principais frações do alcatrão, assim como 
do petróleo, são hidrocarbonetos, parafínicos, 
naftênicos, e aromáticos2,11.
Devido o carbono ser um elemento quí-
mico com a característica de formar cadeias 
ligando-se entre si de diversas formas, os ma-
teriais carbonosos possuem uma característica 
própria que pode dar origem a enorme quanti-
dade de variação de substâncias, alterando sua 
estrutura mediante certos processos, facilitan-
do a fabricação de diversos materiais de inte-
resses	tecnológicos	e	científicos.	5,6,12
Os polímeros adquirem determinadas 
propriedades físicas relacionadas com suas es-
truturas moleculares, dependendo do nível ou 
do tipo de polimerização os quais os monôme-
ros foram submetidos. 
As propriedades físicas dos polímeros 
tais como maciez, resistência ao rasgo, ponto 
de amolecimento (PA), entre outras se alteram 
durante	a	modificação	da	estrutura	molecular	
na formação do polímero, ou seja, no processo 
de formação das cadeias dentro de um reator 
polimerizador.2,4,13
A força de interação entre as moléculas é 
maior quanto maiores forem as moléculas, por 
isso, de acordo com o tamanho das moléculas, 
as propriedades dos polímeros tal como o pon-
to de amolecimento pode aumentar ou dimi-
nuir de acordo com o aumento ou diminuição 
das cadeias carbônicas devido ao processo de 
polimerização. 13
Existem várias substâncias caracteri-
zadas como materiais carbonosos, entre es-
tas estão o piche, os quais possuem ampla 
aplicabilidade industrial, sendo aproveitados 
como elementos aglomerantes, impregnantes 
ou ligantes na produção de componentes sóli-
dos com propriedades grafíticas e alto teor de 
carbono. Existem muitas dúvidas em relação 
à estrutura dos piches, apesar da sua antiga e 
grande	utilização,	tais	questões	refletem	o	de-
senvolvimento de processos de preparação es-
pecíficos	que	tornam	as	propriedades	do	piche	
adequadas a certos tipos de aplicação como 
produto	final.	7,13
O resultado da pirólise de material orgâ-
nico é o piche, o qual também pode ser obtido 
por meio da destilação do alcatrão. Tal solu-
ção constitui-se de uma mistura de numero-
sos e complexos hidrocarbonetos policíclicos 
aromáticos e compostos heterocíclicos. O pi-
che	possui	ponto	de	ebulição	bem	específico	
e apresenta-se sólido a temperatura ambiente. 
Após	a	fusão,	o	piche	se	solidifica	sem	crista-
lização quando resfriado. 8,13.
Na produção de alumínio e na indústria 
de	 grafite,	 tem-se	 usado	 o	 piche	 de	 alcatrão	
como elemento aglomerante, ligante, para fa-
bricação de eletrodos anodos 9.
A polimerização térmica é um dos estu-
dos fundamentais dos compostos aromáticos 
puros, onde o material aromático é reestrutu-
rado e convertido em componentes poliméri-
cos e oligômeros. Alguns grupos constituintes 
no anel aromático, assim como o hidrogênio 
se perdem durante a polimerização. 2
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O processo conhecido como redução da 
alumina é utilizado para a produção de alumí-
nio primário e é um processo eletrolítico 1, 3,10.
Somente no Brasil são produzidos 1,5 
milhões de toneladas por ano de alumínio en-
quanto a produção mundial gira em torno de 
23,4 milhões por ano, sua utilização vai de pro-
dução de panela até a produção de aeronaves 1, 10.
O alumínio não é encontrado em seu es-
tado puro, apesar de ser o 3º metal mais abun-
dante na terra, pode ser encontrada na forma 
de óxido de alumínio, que é uma cerâmica 
chamada de alumina a qual é encontrada na 
natureza misturada em minério chamado de 
bauxita que contem 52% de alumina 1, 10.
Pelo processo Bayer é separado o óxido 
de alumínio da bauxita e constitui o 1º passo 
na produção de alumínio 1,3,10.
Na próxima etapa, chamada de produção 
eletrolítica de alumínio, o mesmo é dissolvido 
em criolita, fundida a cerca de 960º C, pois a 
criolita permite a redução do ponto de ebuli-
ção da alumina pura que é de 2054º C para 
960º C permitindo que a eletrólise aconteça 
nessa temperatura mais baixa 3,10.
O forno de produção de alumínio tam-
bém chamado de cuba eletrolítica possui con-
sumo de energia bastante elevado entre 6 a 36 
MWh por dia e por forno, utilizando uma cor-
rente elétrica de 60 a 350 KA, equivalente ao 
consumo de 700 a 4000 casas 10.
Há dois tipos de fornos para a produção 
de alumínio: Soderberg e o anodo pré-cozido. 
Na produção de anodo pré-cozido o piche é 
utilizado como elemento aglomerante e sua 
escolha se deve ao elevado índice de carbono 
em sua estrutura polimérica 10.
Nas cubas eletrolíticas, uma alta corren-
te elétrica passa através do material fundido, 
o qual ainda contém alumina e criolita. No 
catodo a eletrólise reduz os íons de alumínio 
em domínio metálico, o dióxido de carbono 
em forma de gás é formado no eletrodo anodo 
através da oxidação do carbono, como na rea-
ção química descrito a seguir:
2Al2O3+	3C	→	4Al	+	3CO2
A corrida de metal é a operação onde o 
alumínio líquido decanta ao fundo do forno e 
é drenado periodicamente 1, 3,10.
Por isso, a propriedade do ponto de 
amolecimento do piche, a qual é regularizada 
no reator polimerizador por meio do nível de 
polimerização, constituem-se de fundamen-
tal importância para a qualidade do elemento 
aglomerante e dos eletrodos anodos como pro-
duto	final	10.
Portanto, o objetivo desse trabalho foi 
analisar diversas soluções de piche não poli-
merizadas	e	polimerizadas	verificando	sua	in-
fluência	no	ponto	de	amolecimento	e	determi-
nando a qualidade do elemento aglomerante, 
via microscopia Eletrônica de Varredura.
2. Materiais e Métodos 
As análises do ponto de amolecimento das 
amostras de piche foram realizadas por meio 
de um analisador de ponto de amolecimento e 
gotejamento da marca Mettler Toledo modelo 
FP90	configurado	para	determinar	o	ponto	de	
amolecimento de materiais poliméricos.
As análises foram realizadas em vinte 
amostras de piche, coletadas e analisadas em 
uma quantidade de duas amostras por dia.
Foram utilizados em cada ensaio dois ti-
pos de amostras, onde um tipo de modelo de 
prova não era polimerizado, não foi processa-
do no reator polimerizador, e o outro tipo de 
amostra foi coletada após o processo.
Para as amostras não polimerizadas, co-
letadas antes do reator foi programada uma 
taxa de variação de temperatura de 2ºC por 
minuto em intervalo das temperaturas de 45ºC 
até 100ºC, visando obter o momento exato do 
amolecimento da solução não polimerizada.
Para as amostras polimerizadas, coleta-
das após a reação foi determinada a taxa de 
variação de temperatura de 2ºC por minuto, 
num intervalo entre as temperaturas de 100ºC 
até 130ºC e o resultado foi o registro da tem-
peratura em que ocorreu o amolecimento da 
solução polimerizada.
A Microscopia Eletrônica de Varredura 
foi realizada no Departamento de Engenharia 
de Materiais - Escola de Engenharia de 
Lorena, utilizando um microscópio tipo VP-
1450 – Leo, visando caracterizar a morfologia 
do piche polimerizado e não polimerizado.
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Figura 1 – Microscópio Eletrônica de Varredura - MEV
3. Resultados e Discussão
Os valores da temperatura referente ao 
ponto de amolecimento (PA), obtidos por 
meio experimental, a partir das amostras de 
piche aglomerante, coletadas no processo de 
polimerização, encontram-se na tabela 1.
Tabela 1 - Processo de Polimerização em 
amostras não processadas e processadas
Par de 
amostras
PA amostra 
não 
processada 
(ºC)
PA amostra 
processada 
(ºC)
1º 68,5 111,8
2º 69,1 109,3
3º 70,3 110,1
4º 70,2 107,7
5º 68,5 111,0
6º 71,2 109,5
7º 72,3 108,4
8º 68,4 109,0
9º 59,7 108,9
10º 59,4 109,1
A Figura 2 apresenta resultados comparativos das análises da temperatura de amolecimento 
em amostras não processadas e processadas no reator polimerizador.
Figura 2 – Comparação das temperaturas de amolecimento
Análise dos dados na Tabela 1 e compara-
dos na Figura 2, mostram as diferenças dos va-
lores do ponto de amolecimento, causados pela 
reação de polimerização e reestruturação das mo-
léculas por meio da formação de cadeias carbôni-
cas. Portanto, o aumento da temperatura referente 
ao ponto de amolecimento, calculados com base 
nas amostras, está descritas na Tabela 2.
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Tabela 2 - Aumento de temperatura referente ao Ponto de Amolecimento
Par de amostras Aumento da temperatura do PA (ºC)
1º 43,3
2º 40,2
3º 39,8
4º 37,5
5º 42,5
6º 38,3
7º 36,1
8º 40,6
9º 49,2
10º 49,7
A Figura 3 visualiza-se os resultados das análises da temperatura em relação ao calculo do 
aumento do ponto de amolecimento.
 Figura 3 – Resultados dos cálculos do aumento da Temperatura de amolecimento
Verifica-se	que	em	todos	os	pares	de	amostras	ocorreram	um	aumento	na	temperatura	do	ponto	
de	amolecimento,	devido	ao	crescimento	das	moléculas	e	intensificação	da	força	intermolecular.	O	
aumento percentual da temperatura referente ao ponto de amolecimento, calculados com base nas 
amostras, estão descritas na Tabela 3.
Tabela 3 – Cálculo do aumento percentual de temperatura em relação ao Ponto de Amolecimento.
Par de amostras Percentual de aumento do PA(%)
1º 63,2
2º 58,2
3º 56,6
4º 53,4
5º 62,0
6º 53,8
7º 49,9
8º 59,4
9º 82,4
10º 83,7
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A Figura 4 mostra os resultados das análises da temperatura, em relação ao calculo do percen-
tual de aumento do ponto de amolecimento das amostras processadas.
Figura 4 – Percentual de aumento da temperatura de amolecimento
Os resultados apontam o aumento percentual do ponto de amolecimento perfazendo a variação de 
49,9% - 83,7%, devido ao nível de interação entre as cadeias carbônicas que ocorrem em diferentes níveis 
de polimerização dos hidrocarbonetos primários, os quais compõem o piche de alcatrão da hulha.
a) b)
Figura 5 (a) e (b) – Amostra de piche não polimerizada e polimerizada
Nas Figuras 5(a) e (b) apresentam a 
Miscroscopia Eletrônica de Varredura utili-
zando o modo operacional tipo eletrons se-
cundário para caracterizar a morfologia do pi-
che não polimerizado e polimerizado. O piche 
não polimerizado (como recebido) apresenta 
uma microestrutura desordenada em forma de 
veias, vales e poros rugosos. O material quan-
do polimerizado a 360 ºC visualiza-se uma 
superficie	lisa	e	de	baixa	densidade	de	poros,	
conforme a Figura 5(b). 
4. Conclusão
Foram analisados os pontos de amole-
cimento em amostras não polimerizadas de 
componente aglomerante para fabricação de 
eletrodos anodos, usada na eletrólise da alu-
mina para produção de alumínio, as quais os 
resultados foram comparados com análise de 
amostras que sofreram reação de polimeriza-
ção,	com	o	objetivo	de	verificar	a	influência	da	
formação de cadeias carbônicas na temperatu-
ra de amolecimento da substância.
Constatou- se em todos os ensaios que 
o ponto de amolecimento aumentou conside-
ravelmente, provando que a polimerização do 
piche	é	um	processo	eficaz	para	regularizar	a	
propriedade da temperatura de amolecimento 
do	aglomerante,	a	fim	de	atender	as	necessida-
des próprias dos fabricantes de alumínio.
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5. Referências Bibliográficas
ALBRAS – Aluminio Brasileiro S.A. O 
alumínio: Matéria Prima. Disponível em: 
<http://www.albras.net/materiaPrima.html>. 
Acesso em: 15/03/2012 às 15:17h.
VASSEM, G. L. S. Pirólise do pireno sob 
pressão com nitrogênio em temperaturas 
moderadas. 2008. Dissertação (Mestrado 
em Ciências Físicas) – Centro Brasileiro de 
Pesquisas Físicas, Rio de Janeiro, 2008.
Comissão Técnica ABAL – Associação 
Brasileira do Alumínio. Obtenção do 
Alumínio. Fundamentos e Aplicações do 
Alumínio. Editora ABAL. Pág 8.
CALLISTER Jr., W. D. Ciência e Engenharia 
de Materiais: Uma Introdução, 7° Edição, 
Editora John Wiley & Sons, Inc., 2007.
FREITAS, J. C. C. Estudo de Materiais 
carbonosos obtidos por decomposição 
térmica de precursores orgânicos através 
de ressonância magnética nuclear de 
alta resolução em conjunção com outras 
técnicas experimentais. 2000. 173 f. Tese 
(Doutorado em Física) - Centro Brasileiro de 
Pesquisas Físicas, Rio de Janeiro, 2000. 
BRUICE, P, Y. Química Orgânica v. 1, 4ª 
ed. São Paulo: Prentice- Hall, 2006
MARSH, H.; HEINTZ, E. A.; RODRÍGUEZ-
REINOSO, F,. Introdution to Carbon 
Technologies. Alicante : Universidade de 
Alicante, 1997. 
FITZER, E.; KOCHLING, K.H.; BOEHM 
H.P. and MARSH, H. Recommended 
Terminology for the Description of Carbonas 
a Solid. Pure and Applied Chemistry, v. 3, n. 
67, p. 473-506, 1995. International Union of 
Pure Applied Chemistry.
BRAGA, C. P.; DUTRA, C. H. M. C., 
DEPINE, L. C.; ANDRADE, C. T. Estudo 
Reológico de piches de petróleo durante a 
pirólise. IV Congresso Brasileiro de Carbono. 
Rio de Janeiro, 2007.
Ivo. M. V.L; Martins. C. P. Técnicas e 
tecnologias de controle de fornos de 
redução de alumínio primário – uma visão 
geral. InTech ISSN 2177-8906, v. 126, p 38-
45, 2011.
Szkio. A.; Cohen U. V. Fundamentos do 
Refino de Petróleo: Tecnologia e Economia, 
2° Edição, Editora Interciência, 2007.
Ferrari, P.E.;Rezende, M. C. Carbono 
Polimérico: Processamento e Aplicação. 
Polímeros:Ciência e Tecnologia, 1998.
Canevaorolo S. V. Ciência dos Polímeros: 
um texto básico para técnicos e engenheiros. 
2° Edição, Editora Artliber, 2006.


Influência na polimerização de aglomerante para as indústrias metalúrgicas da produção de alumínio

http://revistas.unifoa.edu.br/index.php/cadernos/article/download/1163/1040

Influência na polimerização de aglomerante para as indústrias metalúrgicas da produção de alumínio

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