14. fusão zonal

ENG06632-Metalurgia Extrativa dos Metais Não-Ferrosos II-A
Nestor Cezar Heck - DEMET / UFRGS
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14. FUSÃO ZONAL
14.1 INTRODUÇÃO
É a remoção de impurezas de um metal inicialmente no estado sólido (já previamente
purificado durante a sua obtenção) pela sua repetida fusão e solidificação. O processo lembra,
sob alguns aspectos, a ‘liqüação inversa’ e está fundamentada nos mesmos princípios. É mais
um exemplo de refino físico.
Essa técnica é executada pela fusão localizada de apenas uma pequena porção do
metal (já preparado no formato de uma barra). ‘Varre-se’ a barra com essa zona líquida, ao
longo de todo o comprimento, várias vezes – alternativamente, pode-se fazer um único passe
de múltiplas zonas de fusão. Com isto aparecem duas frentes: uma de fusão e outra de
solidificação. Os novos cristais podem ser mais ‘pobres’ ou mais ‘ricos’ em impurezas –
deseja-se aqui cristais mais ‘pobres’ – fato que depende exclusivamente do comportamento
refletido no diagrama de equilíbrio de fases metal-impureza (quando o ponto de fusão do
metal de valor é maior do que o da impureza, então provavelmente o primeiro caso acontece).
A grandeza deste efeito depende do valor de um coeficiente chamado ‘fator de distribuição’,
k; se k for menor do que a unidade, então os cristais serão mais pobres em impurezas do que a
liga original – tanto mais quanto menor for o valor de k.
Pela ação repetida de fusão e solidificação direcionais (varreduras), as impurezas –
usando-se uma linguagem figurada – são como que ‘varridas’ pela zona de fusão para uma
das pontas da barra; por conseguinte, a outra tenderá a ficar com um grau de pureza mais
elevado.
Devido à pequena escala do processo (gramas ou quilogramas), seu custo é muito alto
e, portanto, só é utilizado em produtos onde um grau elevado de pureza é um fator essencial e
o custo associado ao processo não é tão importante.
Um inconveniente da fusão zonal é que parte da barra de metal – aquela onde as
impurezas se concentram – deve ser desprezada.
Embora qualquer metal que apresente as características adequadas possa ser refinado
por este processo, semicondutores, metais e metalóides – tais como: Ge, Si, Bi, Sb, In, Sn, Pb,
Zn, e Al – são os normalmente (super)refinados pelo processo de fusão zonal.
14.2 TERMODINÂMICA DA FUSÃO ZONAL
O fator decisivo na aplicação da fusão zonal – além, naturalmente, da baixa
concentração da impureza no cristal solidificado – é a existência de um afastamento
significativo entre as concentrações cs* e co* – que são as concentrações do soluto nas fases
sólida e líquida, em equilíbrio, na temperatura da zona de fusão, dada pelas linhas ‘solidus’ e
‘liquidus’, respectivamente –, representado por k, fator de distribuição, e dado pela seguinte
expressão:
c*
k = s* .
co
A distribuição de uma impureza ao longo do comprimento de uma barra pode ser
obtida a partir de um balanço de massa; a equação da distribuição da concentração de um
soluto, dada por G.W. Pfann, é a seguinte:

c
x 

= 1 − [1 − k ] ⋅ exp − k 
co
l 


onde x é o comprimento solidificado, no qual queremos saber a concentração do soluto, c ; e l
é o comprimento da zona de solidificação.
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A eficiência da remoção de uma impureza por meio da fusão zonal em um
determinado ponto da barra é afetada, entre outros, pelos seguintes fatores: (i) valor do
coeficiente de distribuição, k – quanto menor que a unidade, tanto mais eficiente; e
(ii) número de passes, n – quanto maior, mais eficiente (Figura 14.1).
Fig. 14.1 Concentração adimensional c/co de uma impureza em função
do número de comprimentos da zona de fusão, x/l, coeficiente
de distribuição, k, e número de passes, n