2 - obtenção de metais

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO

UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO

UFOP – ESCOLA DE MINAS

MET216

Aula 2: Obtenção de Metais

Professor: Rodrigo Porcaro

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Agenda da Aula

• A metalurgia extrativa;

• Rotas para obtenção de metais;

• Fluxogramas;

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Histórico Na Idade da Pedra as pinturas rupestres em grutas eram feitas com pigmentos de hematita vermelha e óxido de manganês negro.

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Os metais como arma de dominação: a era do cobre

Lingote de cobre encontrado em Creta

Entre 6000 e 4000 a.C

Grandes civilizações antigas como os Fenícios, Assírios e Egípcios, deveram parte do seu desenvolvimento e hegemonia militar ao uso do cobre.

O “homem de gelo” ,que viveu há 5700 anos, encontrado na Itália em 91 tinha um machado de cobre com pureza de 99.7%. Os elevados índices de arsênio encontrados em seu cabelo levam a supor que fundiu o metal para a fabricação da ferramenta.

Ötzi O Homem do gelo

Histórico

310 - 400 d.C

• Pilar de Delhi, India: feito a partir de barras de ferro unidas por soldagem em forjamento. 6 toneladas de metal.

Histórico

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De la Pirotechnia - Vannoccio Biringuccio

Vannoccio Biringuccio, às vezes escrito como Vannocio Biringuccio (1480 - 1539), foi um metalúrgico italiano. É conhecido, sobretudo, pelo seu livro sobre os metais, De la Pirotechnia, publicado em 1540, que contém a primeira descrição do método para isolar o antimônio. Biringuccio é considerado por alguns como o pai da indústria da fundição, pois, o De la pirotechnia é o primeiro relato escrito sobre a prática correta da fundição. Em sua carreira laboral, esteve a cargo de uma mina de ferro próximo de Siena, e também a cargo da Casa da Moeda e do arsenal. Ele também foi responsável pela fundição de canhões de Veneza e, mais tarde, de Florença.

Efígie do Museo della Specola (Florença).

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Georgius Agricola (1556) De Re Metallica

Mineração &

Fusão, Refino

Poços, túneis, carros,

sustentação

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A história da siderurgia e evolução dos processos

Menzel, Adolph von – Metalurgia, Berlim 1872-1875.

Acredita-se que o homem conheça o ferro proveniente de meteoritos desde 8000 a.C, era raro e atribuído aos Deuses.

Siderurgia cujo radical latino sider significa astro.

Meteorito de ferro e níquel. Acredita-se que o conhecimento de técnicas de redução do minério de ferro começou por acaso em fogueiras. • Registros mais antigos – Ur Caldeia

3500 a.C

Os hititas foram os primeiros a trabalhar o ferro, 2000 a.C.

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Extração primitiva do ferro

• Buracos redutores: mistura de minério de ferro

e carvão vegetal, produto obtido por redução direta e sem fusão.2500-500 a.C.

Inicio da exploração de jazidas de minério de ferro no Oriente Médio em 1500 a.C, importado por egípcios e assírios.

Uso de tratamentos térmicos por egípcios e gregos e romanos. Batalha entre romanos e gauleses 220 a.C.

Ponta de lança da idade do ferro No séc. XVI a.C Nabucodonosor manda construir os portões da babilônia de ferro coberto com cobre.

A história da siderurgia e evolução dos processos

Evolução dos processos de redução • Fornos de lupa: fornos primitivos mais

importantes

• Acionados por foles manuais

• Processo de redução direta

• Dimensões 38x25x15 cm

• Acredita-se que foram usados a partir de 500 a.C

• Para cada kg de aço produzido utilizava-se 4 kg de carvão vegetal e 2,5 kg de minério.

• Uso militar do ferro pelos Hititas, construção de um poderoso império.

• Por volta do século V a.C os chineses começaram a produzir ferro carburado, o império Chinês foi capaz de dominar todos os reinos ao seu redor.

A história da siderurgia e evolução dos processos

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A forja catalã

• Desenvolveu-se após a queda do império romano na Espanha:

1. Uso de foles manuais e, mais tarde, rodas d'água.

2. Fornos maiores e construídos com pedras, 2 metros de altura.

3. Camadas alternadas de carvão vegetal e minério de ferro.

4. Elevação da temperatura que permitiu

produzir ferro líquido pela primeira vez.

Stueckofen

Forja catalã

A história da siderurgia e evolução dos processos

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O alto - forno

Stueckofen

• Os alto - fornos mais antigos que se tem notícias surgiram na China

no século I a.C.

• Uso de energia hidráulica permitiu aumento do poder de sopro que,

consequentemente, eleva a temperatura.

• O material obtido era uma massa líquida incandescente de ferro,

carbono e outras impurezas. O ferro gusa.

• Inicio do processo de produção indireto de aço.

• Fornos de grande porte, na Alemanha e Inglaterra no

inicio do século XV já existiam fornos com produção

diária de 1500kg.

• Inicio dos sérios problemas ambientais.

A história da siderurgia e evolução dos processos

Tratamento do gusa • Inicialmente o carbono era retirado por um árduo

processo em que o banho era submetido a choques

mecânicos, para proporcionar maior contato com ar e

queimar o carbono.

• Em 1700 foi introduzido o coque na indústria do aço.

• Henry Cort inventou em 1784 o processo de

pudlagem, em que um cadinho a coque mantém o gusa

aquecido e barras metálicas( puddle) agitam a massa

promovendo a oxidação do carbono. Gastavam-se 4

toneladas de coque para cada tonelada de aço produzido

e o trabalho era degradante.

• O processo Bessemer foi desenvolvido paralelamente

por William Kelly e Henry Bessemer e representou um

avanço de tempo da ordem de 200 vezes na

descarburação.

• Uso de fundentes como pedra cacaria e dolomita.

A história da siderurgia e evolução dos processos

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– Conversor Bessemer, Museu de Kelham Island, Sheffield, Yorkshire, Inglaterra

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A metalurgia

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Extrativa

Física

Transformação

• Processamento • Extração • Refino

• Fenômenos metalúrgicos • Estrutura • Propriedades

• Processos de fabricação • Conformação • Produtos metálicos

Inte

r re

laci

on

ame

nto

Interfaces entre áreas

Eng. Metalúrgica

Eng. de Minas

Eng. Química

Eng. Mecânica

Principalmente... 19

• Geologia • Automação • Civil

Interfaces com a Eng. de Minas

Hematita – Fe2O3 Fluorita (CaF2)

Mineralogia

Calcita – CaCO3

Por volta de 1784, o mineralogista francês, Abbé Haüy, observou que ao deixar cair um cristal de calcita, ele reproduzia fragmentos com mesma forma geométrica (romboedros).

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Interfaces com a Eng. de Minas

Rutilo – TiO2

Cristalografia;

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Interfaces com a Eng. de Minas Petrografia;

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Interfaces com a Eng. de Minas Extração

Mina La Escondida – Chile. Maior produtora de cobre do mundo. Cu, Ag, Au.

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Beneficiamento ou processamento mineral

Exemplo de Fluxograma – Barro Alto (GO) – Níquel 24

Interfaces com a Eng. de Minas

Beneficiamento ou processamento mineral

Moagem 25

Interfaces com a Eng. Mecânica Resistência dos Materiais Propriedades Mecânicas Soldagem

Esforços em materiais...

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Interfaces com a Eng. Mecânica Termodinâmica e sistemas térmicos Transferência de calor e massa

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Interfaces com a Eng. Mecânica Processos de Fabricação

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Interfaces com a Eng. Mecânica Processos de Fabricação

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Interfaces com a Eng. Mecânica Processos de Fabricação

Metalurgia do Pó 30

Interfaces com a Eng. Mecânica Processos de Fabricação

Soldagem

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Interfaces com a Eng. Mecânica Processos de Fabricação

Fundição de um molde de grande porte (grande parte do molde está “enterrada” no chão da fábrica).

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Interfaces com a Eng. Mecânica Processos de Fabricação

Usinagem, retificação, fresamento... 33

Interfaces com a Eng. Mecânica Processos de Fabricação

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Se removermos os metais do serviço do homem, todos os métodos de proteção e sustentação da saúde e de preservação mais cuidadosa do curso da vida deixarão de existir. Se não existissem metais, os homens passariam uma vida horrível e desgraçada no meio de bestas selvagens; teriam que retornar às nozes e frutos das florestas.

Agrícola, 1556.

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A metalurgia Extrativa

Metalurgia Extrativa

Pré-extração

Hidrometalurgia

Eletrometalurgia

Pirometalurgia

Extração Refino 41

Water

Hydrometallurgical metal production

Material sciences

Mining & Enrichment

Metallurgy: introduction

Electro- metallurgy

Extractive metallurgy

Ores Mining

Enrichment Crushing Screening Mechanical separation

(...)

Properties of metals Physical

metallurgy Hot and cold

rolling (...)

Hydrometallurgy

Pyrometallurgy

e.g. zinc

nickel

Electrowinning

Cementation

Ion exchange

Chemical precipitation

Solvent extraction

Similar methods

Reaction kinetics

Thermo- dynamics

Theory

Metal recovery

Impurity removal

Fluid dynamics

Heat transfer

Mass transfer

Transport phenomena

Methods

Leaching

Iron and steel

Sulphide- ores (e.g. Cu)

e.g. Roasting

Pyrometall. pretreatment

Pyrometallurgical metal production

e.g. iron/steel copper

Sintering

Coking

Blast furnace

Sulphur removal

Ladle treatments

Converters (LD/AOD/...)

Casting

Flash smelting

Converters (PS)

Electric furnaces

(...)

Acidic Basic

Organic

Solvents

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A metalurgia Extrativa

GEOLOGIA LAVRA BRITAGEM PENEIRAMENTO

MANUSEIO

MOAGEM CLASSIFICAÇÃO

CONCENTRAÇÃO

HIDROMETALURGIA PIROMETALURGIA

ELETROMETALURGIA Geólogo

Eng. de minas (Brasil)

Eng. metalúrgico (Brasil)

Eng. de minas (USA) Eng. Metalúrgico (USA)

Mining geologist (Japão) Eng. químico (Brasil)

Competência profissional em diferentes países – Artur Pinto Chaves

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Como escolher um processo?

Pirometalurgia Hidrometalurgia Eletrometalurgia

Cadeia produtiva Produtos Matérias primas

Resíduos

Mercado

Transporte

Energia

Água

Viabilidade Termodinâmica e

Cinética

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Como escolher

um processo?

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http://www.chem.mtu.edu/chem_eng/faculty/kawatra/CM2200_Primary_Metals.pdf

Operações unitárias Pirometalurgia

Pré-tratamentos

Refino do metal

Extração do metal

Produção de Metais Matéria prima Produtos

Redução e oxidação

Pré-tratamento

térmico

Processos refinadores

Produção De Mates

Redução de óxidos

Controle Composição

Remoção de impurezas

Controle de Temperatura

Sinterização

Secagem

Calcinação

Coqueificação

Ustulação Pelotização

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Votorantim Juiz de Fora – Exemplo de caso

Ustulação

As razões para o emprego da ustulação são variadas, por exemplo: os sulfetos são de difícil redução pelo carbono, os sulfatos podem ser dissolvidos seletivamente em água e os haletos, por causa do seu baixo ponto de fusão ou ebulição, podem ser destilados de uma massa contendo impurezas. 48

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Produção do zinco Fluxograma da produção de zinco pela Votorantim Metais, Juiz de Fora – MG:

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Votorantim Juiz de Fora

Lixiviação em pilha - ouro, Novo Mexico. 51

Exemplo: Cobre

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Exemplo: Cobre

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Exemplo: Cobre

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Lixiviação

In situ – Urânio 55

Lixiviação

In situ – Urânio

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Lixiviação

In situ – Urânio

Part of Beverley wellfield, Heathgate Resources

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Lixiviação

High-temperature copper heap bioleach pilot plant

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Lixiviação Heap leaching plant for extraction of copper from oxidic ore in Lomas Bayas, Chile

Transporation from crushing

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Lixiviação Heap leaching plant for extraction of copper from oxidic ore in Lomas Bayas, Chile

Pad-drainage system 60

Lixiviação Heap leaching plant for extraction of copper from oxidic ore in Lomas Bayas, Chile

Stacker 61

Lixiviação Heap leaching plant for extraction of copper from oxidic ore in Lomas Bayas, Chile

Irrigated heap drippers 62

Lixiviação Heap leaching plant for extraction of copper from oxidic ore in Lomas Bayas, Chile

Irrigated heap drippers 63

Lixiviação Heap leaching plant for extraction of copper from oxidic ore in Lomas Bayas, Chile

Copper leachate from heap to pond 64

Lixiviação

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Lixiviação sob pressão

Cominco Engineering Services Ltd – Processo (CESL) 66

UHC Project, Brazil – Vale Sossego

Teck Cominco’s CESL Process

Pressure Leaching

Can treat nearly all copper concentrates (incl. CuFeS2) (both high

and low grades)

High metal recoveries of 96% to 97% to LME Grade A Copper

Reagents recycled

Elemental sulphur (85% to 95%) and hematite

Low Capex and Opex

Efficient / economic recovery of precious metals

Handles common impurities well

Net user of water (no effluent)

Moderate energy consumption (3200 kWh / t Cu incl. oxygen

plant)

Construction of Usina Hidrometalúrgica Carajás (UHC) prototype

plant recently completed (10 000 tpa Cu cathode). Near Carajás,

Brazil where Vale operates Sossego copper mine

Atmospheric / Pressure Leaching

Secondary Cu-sulphide concentrates leached in acidic, iron

sulphate

Used in combination with high-pressure autoclave for acid, heat

and Fe(III) generation

Commercialized successfully: Sepon Plant, Laos

Could be modified for primary copper sulphides (CuFeS2)

Arsenic bearing concentrates: conversion into environmentally

stable scorodite

Sepon

Sepon Copper Project, Laos

Lixiviação – Bio Hidrometalurgia

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