INTRODUÇÃO AOS
PROCESSOS METALÚRGICOS
Prof. Carlos Falcão Jr.
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
BREVE HISTÓRICO
• Metalurgia (sentido restrito da palavra) → parte da ciência e da indústria voltada para a extração de metais, em algumas vezes ligas, de minérios e outros materiais e o refino de metais ou ligas crus.
• Georg Agricola Bauer (1494-1555) → primeiro livro sobre metalurgia e mineração foi De Re Metallica, de 1556. Porém, seus padrões científicos de tratamento dos fundamentos metalúrgicos eram extremamente inadequados.
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BREVE HISTÓRICO
• M. Lomonosov (1711-1765)
fundador da metalurgia científica
autor do primeiro livro russo sobre metalurgia
Fundamentals of Metallurgy or Mining (1763)
primeiro professor de Físico-Química
explicou o fenômeno da oxidação de metais
O ar, e não um combustível, oxida metais → correta interpretação dos processos metalúrgicos sob a ótica da interação de minérios e combustível com o ar.
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BREVE HISTÓRICO
• N. Sokolov (1748-1795)
Primeiro a estudar a ação do enxofre sobre um metal fundido e seu efeito sobre as propriedades dos metais
• G. Hess (1802-1850)
Formulou a Lei da Constância do Calor Total
Útil no desenvolvimento da Termodinâmica Química moderna e dos princípios teóricos da Metalurgia Extrativa
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BREVE HISTÓRICO
• Rápidos progressos nas áreas de Termodinâmica Geral e Química → Gibbs (1852-1911), Van´t Hoff (1852-1911), Helmholtz (1821-1894), Le Chatelier (1850-1936).
• M. Faraday (1791-1867)
Formulou as leis da eletrólise, que formam a base dos processos eletrolíticos de eletrorrecuperação e eletrorrefino de metais
• D. Mendeleev (1834-1907)
Propriedades dos elementos químicos têm dependência periódica com massa atômica
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BREVE HISTÓRICO
• N. Beketov, D. Chernov, N. Kurnakov, M. Pavlov, N. Karnaukhov, A. Baikov, P. Fedotyev, G. Urazov, V. Mostovich, V. Vanyukov → teoria dos processos metalúrgicos baseada na aplicação das técnicas físico-químicas para o estudo da metalurgia
• A. Baikov → primeiro professor da disciplina científica Teoria dos Processos Metalúrgicos, que foi introduzida, em 1908, nos currículos das faculdades.
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BREVE HISTÓRICO
• A. Volsky
equilíbrio químico em fundidos
teoria física e química das principais técnicas de fundição utilizadas em metalurgia de não-ferrosos
curso de teoria de processos metalúrgicos voltados para a metalurgia de não-ferrrosos
The Theory of Metallurgical Processes (1935)
An Outline of the Theory of Metallurgical Smelting Techniques (1943)
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CLASSIFICAÇÃO INDUSTRIAL DE METAIS (segundo Volsky)
Os metais são divididos em 2 grandes grupos:
• Metais Ferrosos → Inclui o ferro e suas ligas, como também manganês, vanádio e cromo, desde que sua obtenção esteja relacionada à do ferro e suas ligas.
• Metais Não-ferrosos → são subdivididos nos seguintes grupos:
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METAIS NÃO-FERROSOS
• Metais pesados não-ferrosos
grupo principal: Cu, Ni, Pb, Zn
grupo secundário: Cd, Co, As, Sb, Bi, Hg
• Metais leves não-ferrosos
grupo principal: Al, Mg, Ti, Na
grupo secundário: Be, Li, Ba, Ca, Sr, K
• Metais nobres
Au, Ag, Pt e metais do grupo da Pt (Os, Ir, Rh, Ru, Pd)
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METAIS NÃO-FERROSOS
• Metais raros: divididos em subgrupos, que são:
metais refratários: W, Mo, Ta, Nb, Zr, V
metais disseminados: Tl, Ga, Ge, In, Re, Hf, Rb, Cs
metais terras-raras: lantanídios
metais radioativos: Po, Ra, U, Th, Ac, Pu, Np e outros metais transurânicos
* As classificações podem mudar com o tempo.
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CLASSIFICAÇÃO DOS MINÉRIOS
• Segundo sua composição química:
minérios nativos, que contem metais em estado livre → ouro, prata, cobre, platina.
minérios de óxidos, nos quais metais estão na forma de óxidos, carbonatos ou hidratos → Fe2O3, PbCO3, Al(OH)3
minérios de sulfeto, que contem sulfetos metálicos → PbS, Cu2S, NiS
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CLASSIFICAÇÃO DOS MINÉRIOS
• Segundo sua estrutura heterogênea e composição pelos seguintes minerais:
minerais de rocha dos principais metais
minerais polimetálicos → de Pb-Zn e Cu-Ni
minerais associados a minerais principais, que ocorrem independentemente ou como soluções sólidas em minerais principais → cobalto associado a níquel ou metais terras-raras associados a chumbo ou zinco
ganga, que não tem metal de valor → quartzo, silicatos, alumino-silicatos
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CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS METALÚRGICOS
• Objetivo dos processos metalúrgicos → extrair metais de minérios ou de outros materiais
• São classificados em 2 grandes grupos, que são:
1. Processos pirometalúrgicos
2. Processos hidrometalúrgicos
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1. PROCESSOS PIROMETALÚRGICOS
• Conduzidos em altas temperaturas
• Frequentemente, envolvem fusão de materiais
• São divididos em 2 grandes grupos, de acordo com as temperaturas envolvidas e a natureza dos reagentes:
1.1) Ustulação
1.2) Fusão Metalúrgica
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1.1) Ustulação
• Processo metalúrgico conduzido a altas temperaturas, mas não ocorrendo fusão parcial das fases reagentes.
• As variedades dos processos de ustulação são:
1.1.1) Calcinação → o objetivo é alterar a composição química dos minerais contidos no minério, sendo a reação de dissociação a principal.
CaCO3 ↔ CaO + CO2 1000-1200ºC
2Al(OH)3 ↔ Al2O3 + 3H2O(vapor) 1200ºC
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1.1) Ustulação
1.1.2) Ustulação oxidante de minérios e concentrados de sulfeto → o objetivo é converter os sulfetos metálicos em óxidos ou sulfatos.
ZnS + 1,5O2 ↔ ZnO + SO2 900-1100ºC
ZnS + 2O2 ↔ ZnSO4 500-600ºC
1.1) Ustulação
1.1.3) Sinterização → é a ustulação na qual um material fino é transformado em grãos. Ocorre através de recristalização do material, sem formação de fase líquida, ou através da formação de certa quantidade de fase líquida, que, na solidificação, forma aglomerados até chegar aos grãos.
2PbS + 3O2 + SiO2 ↔ PbO + PbO.SiO2 + 2SO2
(800-950ºC)
Frequentemente, aplicado a minérios antes de serem fundidos em fornos.
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1.1) Ustulação
1.1.4) Ustulação redutora → é subdividido nas variedades magnética e redutora.
a) Ustulação magnética de minérios de ferro:3Fe2O3 + CO ↔ 2Fe3O4 + CO2 500-700ºC
* Aplicável a minérios de ferro antes de serem sujeitos ao beneficiamento magnético. Seu objetivo é transformar minérios pobres magneticamente em altamente magnéticos.
b) Ustulação redutora:UO3 + H2 ↔ UO2 + H2O 700-900ºC
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INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
1.1) Ustulação
1.1.5) Cloração → o objetivo é converter óxidos e sulfetos metálicos em cloretos.
Exemplo: cloração de óxido de zircônio
ZrO2 + 2Cl2 + C ↔ ZrCl4(g) + CO(CO2) 800-900ºC
* O cloreto de zircônio é, então, condensado, sob resfriamento, num condensador.
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1.1) Ustulação
1.1.6) Fluoração → o objetivo é converter óxidos metálicos em fluoretos.
Exemplo: fluoração do óxido de urânio
UO2 + 4HF ↔ UF4 + 2H2O 500-700ºC
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1.2) Fusão Metalúrgica
• Processo complexo devido ao fato de materiais sólidos interagirem e reagirem com fases gasosas, produzindo um número de fases líquidas e fases gasosas alteradas.
• Os líquidos resultantes têm baixa solubilidade e devem ser separados.
• A fusão metalúrgica pode ser dividida em:
1.2.1) Fusão de minérios
1.2.2) Refino
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1.2) Fusão Metalúrgica
1.2.1) Fusão de minérios
• Aplicada a minérios ou concentrados crus ou processados
• Podem ser de tipos diferentes de acordo com o caráter das reações químicas envolvidas
1.2.1.1) Fusão redutora → processo que ocorre no alto-forno.
Fe2O3 + SiO2 + C + CaCO3 → Fe(líq) + CaO.SiO2(líq) + CO + CO2
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1.2) Fusão Metalúrgica
1.2.1) Fusão de minérios
1.2.1.2) Fusão concentradora oxidante → o objetivo não é a obtenção do metal elementar, mas a concentrá-lo, formando um produto enriquecido
CuS + FeS2 + O2 + SiO2 → CuS2-FeS + FeO.SiO2 + SO2
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1.2) Fusão Metalúrgica
1.2.1) Fusão de minérios
1.2.1.3) Eletrólise de sais fundidos (fusão eletrolítica) → o produto obtido nesse processo é um metal no estado sólido ou líquido. Algum metal pode ser produzido na forma elementar através da eletrólise de sais fundidos (cloretos, fluoretos, óxidos etc)
1.2.1.4) Fusão metalotérmica
1.2.1.5) Fusão de reação → baseada na interação entre sulfetos e óxidos, sob aquecimento.
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1.2) Fusão Metalúrgica
1.2.2) Refino
• Seu objetivo é refinar metais das impurezas pelo uso das diferenças nas propriedades do metal principal e das impurezas
• Existe uma variedade de técnicas de refino
1.2) Fusão Metalúrgica
1.2.2) Refino
1.2.2.1) Segregação
Baseia-se na formação e na separação pelas densidades das duas fases
A maior quantidade, seja fase líquida ou sólida, é a do metal refinado
Concentrado de impurezas é a segunda fase, insolúvel no metal principal
Exemplo: Cu em Pb fundido em 350ºC
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1.2) Fusão Metalúrgica
1.2.2) Refino
1.2.2.2) Destilação
Os metais são separados através das diferenças nas pressões de vapor dos metais e das impurezas
Exemplo: Mg (P.E. = 1107ºC) é separado do Al (P.E. = 2500ºC) em ligas Mg-Al
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1.2) Fusão Metalúrgica
1.2.2) Refino
1.2.2.3) Oxidação
Baseia-se nas diferenças de afinidade do metal e do contaminante pelo oxigênio
Exemplo: Fe é oxidado a FeO (imiscível) em Cu fundido, na presença de ar.
(Cu + Fe) (líq) + 0,5O2 → Cu (líq) + FeO (sol.)
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1.2) Fusão Metalúrgica
1.2.2) Refino
1.2.2.4) Cloro-refino
Baseia-se nas diferenças de afinidade do metal e do contaminante pelo cloro
Exemplo: Zn pode se removido do chumbo por causa da sua afinidade pelo cloro.
ZnCl2 é insolúvel no chumbo fundido e flutua sobre sua superfície
(Pb + Zn) (líq) + Cl2 → Pb (líq) + ZnCl2 (líq.)
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1.2) Fusão Metalúrgica
1.2.2) Refino
1.2.2.5) Enxofre-refino
Baseia-se nas diferenças de afinidade de vários metais pelo enxofre
Exemplo: Pb pode ser refinado do Cu com o auxílio do S2.
(Pb + Cu) (líq) + S2 → Pb (líq) + Cu2S (sol.)
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1.2) Fusão Metalúrgica
1.2.2) Refino
1.2.2.6) Carbonila-refino
Baseia-se na capacidade de alguns metais formarem, sob condições específicas, compostos voláteis, tais como Me(CO)n.
Exemplo: refino de Ni a partir do Cu.
(Ni + Cu) + 4CO ↔ Ni(CO)4 + Cu