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ENG06631-Metalurgia Extrativa dos Metais Não-Ferrosos-I A – 2007-1 Nestor Cezar Heck / UFRGS - DEMET

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4 - A METALURGIA EXTRATIVA 4-1. Razão e características da metalurgia extrativa

Os métodos utilizados na produção de materiais metálicos, inexistentes – ou raros – na natureza, que tiveram a sua origem em tempos remotos, revelam o gênio humano – pois foi imensa a necessidade de observação, de dedução dos fundamentos e de criação e aperfeiçoamento das técnicas necessárias para tornar a obtenção desses materiais possível.

Hoje, um procedimento extrativo completo – resultado dessa colossal evolução – pode ser dividido, didaticamente, em três partes fundamentais, e seus objetivos básicos resumidos à apenas quatro.1 Para atingi-los deve-se fazer uso de inúmeros processos extrativos. 2

Um procedimento extrativo é, assim, o conjunto dos processos extrativos capazes de satisfazer a cada um dos quatro objetivos básicos e de produzir um material metálico com as propriedades almejadas – razão única da metalurgia extrativa. 4-2. Procedimento extrativo: partes e objetivos

Um procedimento extrativo se inicia com a adequação da matéria prima, de modo a torná-la mais apropriada para as operações subseqüentes. Essa adequação é feita basicamente de duas maneiras: ou (i) transformando-a quimicamente (ou estruturalmente) em outro tipo de composto ou (ii) tornando-a mais pura, pela remoção de elementos indesejáveis. Não há hierarquia entre esses dois objetivos e tanto um quanto o outro pode se dar em primeiro lugar. A essa parte dá-se o nome ‘pré-extração’.

Após isso, se procede à obtenção do material metálico (ou daquilo que será a sua base). Embora realizada de muitas maneiras, quimicamente, trata-se sempre de uma redução. Por materializar a idéia fundamental da metalurgia extrativa, essa parte é denominada ‘extração’.

Por fim, há, na maioria das vezes, a necessidade de se ajustar o produto obtido pela remoção de elementos indesejáveis contidos no metal. Por isso, essa parte é denominada ‘refino’.

Além desses quatro objetivos básicos, há, em cada procedimento extrativo, outros objetivos, de caráter complementar, em número indeterminado, que podem ser atingidos isoladamente ou concomitantemente com os básicos. Objetivos complementares não são menos importantes que os outros – apenas a sua freqüência é menor – e vão desde o coalescimento do material metálico (inicialmente pulverulento, por exemplo) até a separação (final) de fases como, por exemplo, metal e escória. 4-3. Processo extrativo

Um procedimento extrativo é composto de muitos processos extrativos. Visualmente, um procedimento extrativo pode ser idealizado como uma corrente composta por

vários elos individuais encadeados – os processos extrativos – em número e com funções suficientes para que os quatro objetivos básicos (sem esquecer os complementares) do procedimento extrativo sejam alcançados.

Cada um dos processos extrativos opera com base em princípios fisicoquímicos e de engenharia e se assemelha aos processos e às operações unitárias. 4-4. Rotas extrativas

Os processos extrativos podem ser classificados em três rotas: a piro, a hidro e a eletrometalurgia 3, caracterizadas, respectivamente, pelo emprego de calor, água e eletricidade.

A grande maioria dos processos extrativos tende a pertencer à apenas uma destas rotas, enquanto que outros, em menor número, possuem simultaneamente características de duas dessas classes. Contudo, mesmo estes são classificados em apenas uma das rotas extrativas. 1 Quatro é, na verdade, o número máximo de objetivos básicos; certos procedimentos necessitam menos que quatro. 2 É seguida aqui a sugestão exposta por P.C. Hayes no livro Process Selection in Extractive Metallurgy 3 Do grego: pyrós: fogo; hýdor: água; e électron: âmbar que apresentava fenômenos eletrostáticos, mais metallourgia: ato de

extrair os metais


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O Quadro 4-1 mostra alguns exemplos de processos com características inequívocas e outros com características ambíguas.

Rota: ‘Piro’ ‘Elétro’ ‘Hidro’

Exemplo de

processo:

Redução (de óxidos) pelo hidrogênio gasoso

Redução eletrolítica de íons em uma solução salina

Redução eletrolítica de íons em uma solução aquosa

Cementação Redução de íons aquosos pelo hidrogênio gasoso

eletricidade eletricidade Caracterís-tica básica:

calor calor

eletricidade água

água

Quadro 4-1. Rotas extrativas com exemplos de processos e suas características básicas O calor serve para se atingir um estado final (com alta temperatura) onde a obtenção de um

produto adequado, ou a separação de fases (características fundamentadas na termodinâmica), sejam favorecidas. Simultaneamente, espera-se que a energia de ativação das reações químicas seja superada, minimizando-se, assim, as resistências com origem na ‘cinética química’. O uso do calor (associado à temperaturas elevadas) se constitui na característica dominante desta rota da metalurgia extrativa. A água, solvente universal, é o meio ideal para se dissolver seletivamente o mineral do metal de valor (outras vezes, também, para se dissolver impurezas), deixando o restante do minério ‘intacto’. O produto dessa operação é uma solução contendo íons aquosos. O recurso de se aquecê-la, tendo-se em vista, novamente, a ‘cinética química’, também é, por vezes, empregado. Há casos onde soluções líquidas não aquosas (orgânicas) são usadas, em conjunto com soluções aquosas. A eletricidade – a mais cara e nobre de todas as formas de energia – é usada na obtenção de metais (muitas vezes de metais reativos) a partir de eletrólitos (soluções contendo íons) aquosos ou salinos – os últimos são chamados ‘banhos de sais’. Ela também é usada no seu refino, dando origem aos metais refinados eletroliticamente.

Um procedimento extrativo emprega normalmente processos extrativos de todas as rotas simultaneamente; quando um procedimento extrativos é constituído nitidamente por processos classificados em apenas uma dessas rotas, ela pode dar o nome ao procedimento – embora essa prática não seja aconselhada. Assim, se todos pertencerem à rota pirometalúrgica, fala-se, então, de um ‘procedimento extrativo pirometalúrgico’.


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Q4 – QUESTÕES E EXERCÍCIOS 4-1. Razão e características da metalurgia extrativa

Exerc. 4-1.1 Um procedimento extrativo completo pode ser dividido em _______ partes e os seus objetivos básicos são (didaticamente) resumidos à apenas__________.

4-2. Procedimento extrativo: partes e objetivos básicos Questão 4-2.1 A adequação da matéria prima ao procedimento não é o mesmo que a adequação da

matéria prima ao reator. Explique, por meio de exemplos, e diga: que diferença há nisso?

Exerc. 4-2.1 Complete a Tabela Q4-1 dando o nome dos quatro objetivos básicos, após consulta ao livro de P.C. Hayes: Process Selection in Extractive Metallurgy.

Partes: Objetivos básicos: Comentários:

Pré-extração 1. ____________________ 2. ____________________

Passo de adequação da matéria prima ao procedimento; o composto formado é mais adequado – quimicamente ou estruturalmente – ao procedimento extrativo do que a matéria prima. Refere-se à remoção de elementos indesejáveis contidos na matéria prima.

Extração 3. ____________________ Aqui se concretiza a meta principal da metalurgia extrativa, qual seja: a obtenção do material metálico – ou daquilo que será a sua base.

Refino 4. ____________________ Passo de ajuste do produto obtido, pela remoção de elementos indesejáveis contidos no metal.

Tab. Q4-1. Partes e objetivos básicos de um procedimento extrativo

Questão 4-2.2 Por qual motivo a pré-extração nem sempre é necessária? Questão 4-2.3 Por qual motivo também o refino nem sempre é necessário? Questão 4-2.4 O que se quer dizer com ‘coalescimento do material metálico, inicialmente

pulverulento’, no texto?

4-3. Processo extrativo

Exerc. 4-3.1 Complete as sentenças com as características dos processos extrativos. a) Processos extrativos são como ‘__________’ ou ‘_________’ unitários do procedimento extrativo. b) Cada um deles opera com base em princípios ______________________ e de engenharia. c) Um processo extrativo assemelha-se aos ____________________ (transformações químicas) e às

___________________ (transformações físicas) da engenharia química. d) A justaposição de todos os processos extrativos empregados num dado procedimento extrativo

deve satisfazer os (até quatro) _____________________ desse procedimento extrativo.


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e) Muitos processos são nitidamente orientados (em diferentes procedimentos extrativos) apenas para um mesmo tipo de objetivo (refino a fogo: para a _____________). Outros podem ser empregados com diferentes objetivos: a ustulação normalmente é empregada para a ___________________ e, muito raramente, para a ___________________.

f) O objeto dos processos é sempre dar um destino ao ‘_____________’, para isso, contudo, algumas vezes deve-se tratar as ______________ . Exemplo: lixiviação é empregada para dissolver _____ _____________ embora possa ser empregada mais raramente para dissolver ________________.

g) O número de processos necessário para que um único objetivo básico – dos ______ existentes no procedimento extrativo – seja alcançado, é indeterminado: normalmente ele é alcançado com ____ ________ ; procedimentos complexos, contudo, necessitam _______ processos extrativos.

h) Ao reduzir carbotermicamente o minério de Fe, a redução carbotérmica sob fusão tem o objetivo de _____________; ao produzir, também, a _________ , promove complementarmente a __________.

i) Com freqüência, alguns processos são voltados apenas para uma determinada classe química da matéria prima; por exemplo, a fusão à matte é voltada para os ______________.

Exerc. 4-3.2 Dos termos listados, circule os que são exemplos de processos extrativos.

refino destilação sinterização redução eletrolítica de íons aquosos fundição secagem lixiviação

peneiramento liqüação refino à fogo calcinação briquetagem redução direta cominuição

Questão 4-3.1 A ustulação do sulfeto de zinco em óxido de zinco é um exemplo de processo baseado numa transformação química; qual é a reação estequiométrica que a representa?

_______ + _______ = _______ + _______ Questão 4-3.2 O refino à vácuo do hidrogênio dissolvido no aço é um exemplo de processo baseado

numa transformação física; qual é a ‘reação’ estequiométrica que a representa? _______ = _______

4-4. Rotas extrativas Questão 4-4.1 Por qual motivo um processo extrativo com base no calor & eletricidade é classificado

como elétro e com base na eletricidade & água é hidro? Exerc. 4-4.1 Diga à qual rota pertence cada uma das reações mostradas a seguir: (a) ZnO + 2H+ = Zn2+ + H2O _________________________

(b) Zn2+ + H2O = Zno + ½O2 (g) + 2H+ ______________________

Exerc. 4-4.2 Complete a Tabela Q4-2 com os nomes dos processos extrativos (todos eles já foram

citados no texto anteriormente) empregados no procedimento extrativo do zinco, classificando-os nas respectivas rotas e objetivos básicos.


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Rota: Objetivo básico: PIRO HIDRO ELETRO Formação de composto Separação Obtenção do metal Purificação do metal

Tab. Q4-2. Processos extrativos da metalurgia extrativa do zinco e sua classificação nas rotas extrativas e objetivos básicos

Exerc. 4-4.3 Complete a Tabela Q4-3 com os símbolos dos produtos (intermediários ou finais) dos

processos extrativos empregados no procedimento extrativo do zinco.

Objetivo Denominação Produto Formação de composto ustulado Separação lixiviado Obtenção do metal zinco eletrolítico Tab. Q4-3. Produtos dos processos extrativos do zinco

Exerc. 4-4.4 Complete a Tabela Q4-4 identificando e descrevendo uma justificativa para cada uma das características das rotas da metalurgia extrativa.

ROTA Característica Justificativa

Necessidade de matéria prima sob a forma de compostos ‘puros’

Temperatura baixa (ou, alternativamente, uso de autoclave)

Reagentes na forma de espécies ionizadas Necessidade de matéria prima concentrada Taxas de conversão muito baixas Aspectos termodinâmicos por determinar Taxas de conversão relativamente baixas Transferência de calor é um ítem importante Uso de grande número de pequenos reatores Matéria prima com teores até muito baixos Taxas de conversão elevadas Equipamentos relativamente simples Utilização de energia de alta ‘qualidade’ Necessidades de reatores e de materiais caros e

sofisticados

Relativa independência entre teor do minério e o quociente receita / custo

A rota de menor perda de valor Grau máximo de pureza do metal produzido


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Aspectos cinéticos por determinar Alcance do equilíbrio químico dentro do reator Utilização de energia de baixa ‘qualidade’ Concentração de reagentes e produtos em uma

faixa relativamente baixa (< 1 mol / L)

Rota com casos de processos autógenos (ou aproximadamente autógenos)

Tab. Q4-4. Características principais das rotas extrativas e justificativas

Exerc. 4-4.5 A rota influencia em grande parte o estado físico do metal obtido; para metais no

estado sólido freqüentemente há necessidade de se realizar o seu coalescimento por fusão. Complete a Tabela Q4-5 anotando um exemplo para cada caso.

Rota Temperatura* Estado físico**

‘Estado’ ou forma

Necessita coalescimento?

Exemplos

T < P.F. Me S pulverulento ou poroso

sim

T > P.F. Me L - não sim

PIRO

T > P.Eb. Me V - não

ELETRO T < P.F. Me S pulverulento ou ‘de um cátodo’

sim

T > P.F. Me L - não HIDRO T < P.Eb. Água S pulverulento ou

‘de um cátodo’ sim

* P.F. = ponto de fusão P.Eb. = ponto de ebulição ** S = sólido; L = líquido e V = vapor

Tab. Q4-5. Estado físico dos produtos metálicos e a necessidade (ou não) de coalescimento,

em função das rotas extrativas, da temperatura do processo de redução, e de temperaturas de algumas de suas transformações físicas.

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