elemento nióbio
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Arley Henrique de Souza Luz (10021002801)
Moysés P. Mufarrej (10021000601)
Waldemilson Correia da Silva (10021003101)
MINÉRIO DE NIÓBIO
Trabalho sobre Minério de Nióbio, da disciplina
Tecnologia Metalúrgica, ministrado pelo
Mestrando: Engº Lúcio da Silva Barboza Filho,
Orientador: Prof. Dr. Eduardo de Magalhães
Braga.
Belém
Junho/2010
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Sumário
1. OBJETIVO ........................................................................................................................... 4
2. INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 4
3. DESCRIÇÃO ........................................................................................................................ 5
4. PROPRIEDADES ................................................................................................................. 5
4.1. PROPRIEDADES ATÔMICAS ...................................................................................... 6
4.2. PROPRIEDADES QUÍMICAS ....................................................................................... 6
4.3. PROPRIEDADES FÍSICAS ............................................................................................ 6
5. COMPOSTOS ....................................................................................................................... 7
6. HISTÓRIA ............................................................................................................................ 7
7. FORMAS DE OCORRÊNCIA ........................................................................................... 9
8. DADOS TÉCNICOS ............................................................................................................ 9
8.1. MINÉRIO PRIMÁRIO .................................................................................................... 9
8.2. MINÉRIO RESIDUAL .................................................................................................. 10
9. DEPARTAMENTOS PRODUTIVOS E TECNOLOGIA APLICADA ....................... 10
9.1. UNIDADE DE CONCENTRAÇÃO ............................................................................. 10
9.2. UNIDADE DE CALCINAÇÃO .................................................................................... 11
9.3. UNIDADE DE PRODUÇÃO DE NIÓBIO METÁLICO ............................................. 11
10. PROCESSOS EXTRATIVOS ......................................................................................... 12
10.1. PROCESSO DE BRITAGEM ..................................................................................... 12
10.2. PROCESSO DE PRODUÇÃO .................................................................................... 17
3
11. OBTENÇÃO DO NIÓBIO METÁLICO ....................................................................... 18
12. OFERTA MUNDIAL - 2000 ............................................................................................ 20
12.1. PRODUÇÃO INTERNA ............................................................................................. 21
12.2. IMPORTAÇÃO ........................................................................................................... 22
12.3. EXPORTAÇÃO ........................................................................................................... 22
12.4. CONSUMO INTERNO ............................................................................................... 23
12.5. PROJETOS EM ANDAMENTO E/OU PREVISTOS ................................................ 24
12.6. OUTROS FATORES RELEVANTES ........................................................................ 24
13. APLICAÇÕES .................................................................................................................. 25
14. RELATIVIDADE ............................................................................................................. 27
15. REATIVIDADE ................................................................................................................ 28
16. O NIÓBIO NA NATUREZA ........................................................................................... 28
17. O NIÓBIO E A VIDA ...................................................................................................... 29
18. CONCLUSÃO ................................................................................................................... 29
19. REFERÊNCIAS BIOGRÁFICAS .................................................................................. 30
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1. OBJETIVO
Este trabalho tem por objetivo mostrar a estrutura e aplicações do metal nióbio,
mostrando a potência deste minério no mercado mundial. O estudo do minério visa
demonstrar como é gerado o material fino durante a britagem do ferro nióbio bem como um
projeto de sua redução durante o processo de produção.
2. INTRODUÇÃO
O nióbio é um metal de alto ponto de fusão (2.4680
C) do grupo dos metais ditos
refratários, que se destaca pelas seguintes características: densidade pouco superior à do ferro,
elevada resistência ao ataque por certos ácidos e metais líquidos, baixa resistência à oxidação
e supercondutividade a temperaturas inferiores a 264 graus negativos Celsius.
A liga ferronióbio, obtida através da aluminotermia, é o produto final mais
importante da cadeia do nióbio, sendo destinado à produção de alguns aços especiais,
especialmente os micro-ligados e os inoxidáveis. Nos aços microligados, mesmo com um
reduzido consumo específico (cerca de 400g de FeNb por t de aço), o nióbio confere ao
produto características de resistência mecânica, tenacidade e soldabilidade. Já para os
inoxidáveis, seu valor está em neutralizar o efeito de carbono e nitrogênio, afastando risco de
deterioração do produto por corrosão.
O óxido de nióbio (99% de Nb2O5), que representa 13% do mercado mundial de
nióbio, é a matéria-prima para a fabricação de produtos especiais como: ferronióbio de alta
pureza, níquel-nióbio, óxidos especiais de nióbio (grau ótico e grau cristal) e nióbio metálico
e suas ligas, os quais se destinam a uma série de usos mais sofisticados como as superligas
aeronáuticas, os cerâmicos para opto-eletrônica e os supercondutores.
Vale ressaltar que o nióbio, como metal puro, apresenta pouca aplicação.
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3. DESCRIÇÃO
O nióbio é o elemento de
número atômico 41 e símbolo químico Nb,
pertence ao grupo 5 e ao 5º período da
tabela periódica.
Descoberto em 1801, por
Charles Hatchett, o nióbio deve este nome a
Níobe, filha de Tântalo (cujo nome foi dado
ao elemento imediatamente abaixo do nióbio
na tabela periódica), ambos personagens da
mitologia Grega.
O nióbio, no seu estado puro, é
um metal cinzento de aspecto brilhante. Figura 01: Niobita
São extraídas, anualmente, cerca de 25 mil toneladas deste metal, sendo o Brasil o
seu principal produtor.
As aplicações são variadas, mas a sua adição a ligas metálicas é um uso comum.
Algumas destas ligas são usadas devido às suas propriedades supercondutoras de eletricidade.
Noutros casos, o nióbio também é adicionado a ligas para promover uma maior resistência a
altas temperaturas, sendo exemplo disso, o seu uso em reatores nucleares.
4. PROPRIEDADES
• Nome: Nióbio
• Símbolo: Nb
• Número atômico: 41
• Massa atômica: 92,90638
• Classe: metal
• Série: metal de transição
• Grupo: 5
• Período: 5
• Bloco: d
• Configuração eletrônica: [Kr] 4d4 5s1
• Abundância:
6
o Terra: 631 ppb
o Crosta terrestre: 10 ppm
o Oceano: 10 pM
o Sistema Solar: 79 (relativa a H × 1012)
4.1. Propriedades atômicas
• Raio atômico: 1,429 Å
• Raio covalente: 1,34 Å
• Raio iônico: (Nb5+) 0,78 Å; (Nb3+) 0,86 Å
• Íons comuns: Nb5+ ; Nb3+
4.2. Propriedades Químicas
• Electronegatividade de Pauling: 1,6
• Energias de ionização:
o 1º 652,1kJ mol-1
o 2º 1380 kJ mol-1
4.3. Propriedades Físicas (em condições de pressão e temperatura normais)
• Estado físico: Sólido
• Estrutura cristalina: Cúbica de corpo centrado
• Cor e aparência: cinzento metálico
• Ponto de fusão: 2477 ºC
• Ponto de ebulição: 4744 ºC
• Condutividade térmica: 54,2 W m-1 K-1
• Densidade: 8,570 g cm-3
• Volume molar: 10,83 cm3 mol-1
• Capacidade calorífica: 24,62 J mol-1 K-1
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5. COMPOSTOS
O nióbio pode apresentar diversos estados de oxidação, sendo os mais comuns +2,
+4 e +5, formando os óxidos NbO (cinzento), NbO2 (preto-azulado) e Nb2O5,
respectivamente. Este último óxido apresenta um considerável polimorfismo.
Alguns compostos de nióbio são caracterizados pelas suas propriedades
magnéticas ou pela sua cor. O LiNbO3 é usado como alternativa ao quartzo em filtros de
freqüência para aparelhos de comunicação. O SrxNbO3 (x=0,7-0,95) é caracterizado pela sua
variação de cor, de azul-escuro a vermelho, de acordo com a quantidade de Sr.
O nióbio surge também diretamente associado ao flúor, cloro, bromo e iodo. Para
um dado estado de oxidação a do nióbio (de +5 a +2), surgem compostos da forma NbXa
onde X = F, Cl, Br, I.
Este elemento forma também diversos compostos de enxofre, de selênio e de
telúrio, com estequiometrias variadas.
Exemplos de outros compostos contendo nióbio nos diversos estados de oxidação podem ser:
• No estado de oxidação -3: [Nb(CO)5]3-
• No estado de oxidação -1: [Nb(CO)6]-
• No estado de oxidação +2: NbS
• No estado de oxidação +3: [Nb2Cl9]3-
• No estado de oxidação +4: [Nb(CN)8]5-; [NbC16]
2-; [NbF7]3-
• No estado de oxidação +5: ScNbO4; [NbF6]-; [MF7]2-; [MF8]
3-
6. HISTÓRIA
O elemento 41 foi descoberto na Inglaterra em 1801, por Charles Hatchett, que na
época o denominou de colúmbio. Posteriormente, o químico alemão Heinrich Rose, pensando
haver encontrado um novo elemento ao separá-lo do metal tântalo, deu-lhe o nome de nióbio
em homenagem a Níobe, filha do mitológico rei Tântalo.
As informações mais antigas sobre o uso de nióbio datam de 1925, referindo-se à
substituição do tungstênio na produção de ferramentas de aço. No início da década de 1930, o
nióbio passou a ser utilizado na prevenção de corrosão intergranular em aços inoxidáveis.
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Até a descoberta quase simultânea de depósitos de pirocloro no Canadá (Oka) e
no Brasil (Araxá), na década de 1950, o uso do nióbio era limitado pela oferta limitada (era
um subproduto do tântalo) e custo elevado. Com a produção primária de nióbio, o metal
tornou-se abundante e ganhou importância no desenvolvimento de materiais de engenharia.
Na década de 1950, com o início da corrida espacial, aumentou muito o interesse
pelo nióbio, o mais leve dos metais refratários. Ligas de nióbio, como Nb-Ti, Nb-Zr, Nb-Ta-
Zr, foram desenvolvidas para utilização nas indústrias espacial e nuclear, e também para fins
relacionados à supercondutividade. Os tomógrafos de ressonância magnética para diagnóstico
por imagem, utilizam magnetos supercondutores feitos com a liga NbTi.
As superligas aeronáuticas também utilizam nióbio. Destas, a mais importante é o
IN718, introduzida em 1966 e cujo aperfeiçoamento resultou numa família de superligas
utilizadas nas turbinas aeronáuticas e estacionárias mais modernas.
Outro desenvolvimento importante da década de 1950 foi o aço microligado.
Estudos conduzidos na Inglaterra - na Universidade de Sheffield e na British Steel - e também
nos Estados Unidos, tornaram o aço microligado uma realidade industrial quando a Great
Lakes Steel entrou no mercado, em 1958, com uma série de aços contendo cerca de 400
gramas de nióbio por tonelada, exibindo características (resistência mecânica e tenacidade)
que até então somente podiam ser obtidas com aços ligados muito mais caros.
A descoberta de que a adição de uma pequena quantidade de nióbio ao aço
carbono comum melhorava consideravelmente as propriedades deste, levou à utilização em
grande escala do conceito de microliga, com grandes vantagens econômicas para a engenharia
estrutural, para a exploração de óleo e gás e para a fabricação de automóveis.
Atualmente, os aços microligados respondem por 75% do consumo de nióbio. São
materiais sofisticados, desenvolvidos a partir de princípios de metalurgia física que refletem o
esforço conjunto da pesquisa e desenvolvimento conduzidos na indústria e nos laboratórios de
universidades.
O conhecimento científico se revelou essencial para o elemento 41. Os avanços
conseguidos até aqui ampliaram o raio de aplicação do nióbio em aços, superligas, materiais
intermetálicos e ligas de Nb, bem como em compostos, revestimentos, nano materiais,
dispositivos optoeletrônicas e catalisadores.
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7. FORMAS DE OCORRÊNCIA
O nióbio ocorre na natureza na forma de sais complexos, os minérios são em
número de aproximadamente de 100.
Os minérios de maior interesse são:
• Columbita, que é um sal onde ocorre o Nb e o Tântalo, com a formula geral: [(Fe,Mn)
(Nb,Ta)2 O6, 40 – 75% Nb2C5 e 1 – 42% de Ta2 O6]. O peso especifico desta série
varia entre 5,3 – 8,0, sendo denominado tantalita misturas com pesos específicos
maiores que 6,6.
• Pirocloro, o pirocloro tem a seguinte formula geral: [(Na,Ca)2 (Nb,Ti)2 (O,F)7 47 –
70% Nb2 O5 0,2 – 2%TaO5]. Estes são os minérios de maior interesse comercial, entre
outros pode ainda ser citado, a SAMARSKITA que é um composto Nióbio – Tântalo
de terras raras contendo urânio, a microlita, tantalato de cálcio e sódio; a djalmita
variedade da microlita, encontrada na área de São João Del Rei, Fergunsonita-Nióbio-
Tantalato de terras raras e outros.
8. DADOS TÉCNICOS
8.1. Minério Primário
As maiores concentrações de nióbio no depósito são encontradas na porção
central da estrutura. O minério primário contém carbonatos, flogopita, magnetita e apatita,
usualmente rico em pirocloro, o mineral- minério de nióbio.
A concentração média de nióbio no minério primário é 1,5% Nb2O5, enquanto os
teores máximos atingem 8% Nb2O5. As reservas de nióbio são praticamente inesgotáveis,
considerando o mercado atual consumidor. Testemunhos de sondagem, coletados a 800
metros de profundidade, evidenciam rochas com pirocloro, que provavelmente se estendem
em profundidade. O Complexo é dominantemente constituído de dolomita carbonatito, com
calcita carbonatito e glimerito (rocha rica em flogopita) subordinados. Os glimeritos gerados
por metassomatismo provavelmente de piroxenitos / peridotitos, apresentam apenas
localmente piroxênios e olivinas. O metassomatismo pode ter ocorrido durante o estágio
alcalino carbonatítico da evolução magmática, envolvendo fluidos ricos em álcalis.
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8.2. Minério residual
Derivado do minério primário, o minério residual está sendo lavrado e contém
cerca de 5% de bariopirocloro. As reservas minerais são de cerca de 460 milhões de
toneladas, suficientes para atender a demanda mundial por cerca de 500 anos conforme já
comentado. O minério é friável e as operações de lavra são desenvolvidas a céu aberto, sem a
necessidade da ação de explosivos. A espessura do minério residual atinge 250 m e o teor
médio de Nb2O5 é de 2,5 - 3,0 %. O intemperismo do minério primário propiciou o
enriquecimento relativo do pirocloro devido à preservação física desse mineral em relação aos
demais minerais. Rochas coletadas a partir de testemunhos de sondagem em zonas brechadas
do minério primário, evidenciam um processo de transformação do pirocloro, a partir das
bordas e fraturas, com substituição de Ca e Na por Ba
9. DEPARTAMENTOS PRODUTIVOS E TECNOLOGIA APLICADA 9.1. Unidade de Concentração
A concentração tem capacidade produtiva de 84.000 toneladas por ano, utilizando
processos de moagem úmida, separação magnética, deslame e flutuação. O objetivo do
processo de moagem úmida é reduzir o minério a partículas muito pequenas possibilitando a
liberação dos cristais de pirocloro. Em seqüência, a separação magnética elimina a magnetita
do minério extraído e o processo de deslame retira partes que contenham granulometria
inferiores a 0, 005 mm. Por fim, o processo de flutuação que fornecerá o pirocloro, atua
fazendo com que o pirocloro concentrado seja exposto a reagentes químicos e retirados pela
injeção de ar com o surgimento de bolhas. Desta forma obtemos um concentrado de pirocloro
com 60% de Pentóxido de Nióbio (Nb2 O5).
Figura 02: Unidade de Concentração moinho de bolas Fonte: CBMM
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9.2. Unidade de Calcinação e Lixiviação
Este processo é usado para reduzir o teor de fósforo, enxofre e chumbo do
concentrado e para assegurar a obtenção dos níveis de pureza exigidos pela indústria. À
calcinação é realizada com cloreto de cálcio e cal em alta temperatura, prosseguindo-se a
lixiviação com uma solução de ácido clorídrico e seguido de secagem.
Esta tecnologia está sendo substituída por um processo de refino pirometalúrgico,
que propiciará ganhos de produtividade e benefícios ambientais. Na unidade de refino
pirometalúrgico, o concentrado será pelotizado e sinterizado em um forno de esteira de aço,
antes de ser alimentado para um forno elétrico, juntamente com pó de carvão e ferro.
9.3. Unidade de Produção de Nióbio Metálico
Para fabricar nióbio metálico puro e a liga nióbio-1% zircônio, utiliza-se um forno
de feixe de elétrons. A capacidade instalada deste forno é de 40 toneladas por ano de lingotes
cilíndricos, fabricados de acordo com os padrões ASTM B-391, normas de produção para
esses produtos, mas, porém, a produção anual desta unidade já alcançou a quantidade de 60
toneladas.
Figura 03: Forno de feixe de elétrons Fonte: CBMM
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10. PROCESSOS EXTRATIVOS
10.1. Processo de Britagem
O processo de britagem tem como base as atividades de cominuição, ou seja, um
conjunto de operações de redução de tamanhos dos minerais, executado de maneira
controlada e de modo a cumprir um objetivo pré-determinado. No conteúdo do livro Teoria
Prática do Tratamento de Minério, foi possível todo um levantamento da teoria e prática dos
processos de cominuição.
Este processo inclui as exigências de controlar o tamanho máximo dos produtos e
de evitar a geração de quantidades excessivas de finos. Estes materiais são produzidos durante
a quebra das pedras de minerais. Sua formação é um processo natural e se caracteriza pela
geração de material de pequena granulometria, às vezes considerado como pó que se
desprendem das pedras primárias quando estas recebem a ação de impacto de britadores no
processo redução granulométrico.
Assim, as operações de cominuição se fazem necessárias na realidade industrial
por diversas razões:
• Para permitir o manuseio do material de mineração. Em muitos casos as matérias
primas são rochas com cerca de 40 polegadas de granulometria, tornando-se muito
pesadas para transporte e manutenção. Assim, necessitamos de reduzir seu tamanho
para possibilitar seu retrabalho;
• Para permitir o transporte contínuo. Transportadores de correia são, em princípio,
muito mais convenientes que caminhões ou outros veículos a diesel, pois custam mais
barato, usam energia elétrica, são silenciosos e, sobretudo, operam continuamente.
Entretanto são limitados quanto ao tamanho das peças que podem transportar. Desta
forma, para qualquer transporte em transportadores de correia, o minério precisa estar
britado;
• Para permitir a utilização do minério, ou seja, possibilitar a liberação de partículas
úteis de interesse para cada tipo de processo no qual o mineral será inserido.
Este processo de cominuição se divide praticamente em duas fases, a de Britagem
que irá reduzir o tamanho do mineral e a fase de peneiramento, caracterizada pela seleção e
classificação do material de acordo com o tamanho determinado pelo cliente.
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Nos processos de britagem as partículas grosseiras sofrem a ação de forças de
compressão ou de impacto. Dependendo destas forças, impacto ou cisalhamento, existe um
volume de partículas que podem se desenvolver. A quebra dos minerais se faz através de
tensões principais de cisalhamento e de inclinação constante em relação à direção das tensões
de compressão. Em conseqüência, as partículas britadas tendem a apresentar certa cubicidade
e faces relativamente planas. Na figura 04 temos um circuito básico de britagem.
BRITADOR
MANDIBULA
BRITADOR
CÔMICO
PENEIRA PENEIRA
VIBRATÓRIA
Figura 04: Esquema de Circuito de Britagem
Fonte: Teoria prática de Tratamento de Minério
Primeiramente torna-se necessário entender este processo. Após a fundição, temos
a fabricação de lingotes de Ferro Nióbio Standard. Este material não pode ser vendido na
forma em que se encontra devido ao seu alto volume e concentração, tornando difícil seu
manuseio e aplicação. Como o Nióbio é utilizado para prover características especiais às ligas
metálicas, este precisa ter seu tamanho reduzido e assim ser comercializado em pedras que
podem variar entre 1 mm e 80 mm de tamanho, valor este que será definido pelo cliente no
momento da ordem de formação de lote de produção. Assim o processo de Britagem é
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iniciado.
As pedras são transportadas até um Britador de Mandíbulas para que possam
sofrer um primeiro estágio de redução. Posteriormente, o material pré britado é transportado
para outros 2 Britadores do tipo Cônico para que alcancem a redução necessária determinada
pelo cliente.
Como podemos ver no lay out acima, o Britador do tipo Mandíbula é o primeiro a
ser implantado da seqüência de produção. Isso se deve ao fato que neste estágio temos pedras
de Nióbio mineral com granulometria elevada e para este tipo de operação, este equipamento
é mais adequado, devido sua robustez. Pela causa que este projeto tem por base a redução de
finos através da otimização do funcionamento deste equipamento, necessitou-se de maior
aprofundamento na operação deste britador.
O fragmento de rocha ou minério a ser britado é introduzido no espaço entre as
duas mandíbulas e, durante o movimento de aproximação, é esmagado. Os fragmentos
resultantes escoam para baixo, durante o movimento de afastamento, cada qual se deslocando
até uma posição em que fique contido pelas mandíbulas e seja novamente esmagado na
próxima aproximação. Vejamos na figura 05 o Britador do tipo Mandíbula utilizado pela
usina de britagem do Ferro Nióbio Standard.
Mandibulas Fonte: Empresa Nordberg
Figura 05: Britador de Mandíbulas
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A próxima parte do processo de cominuição e britagem caracteriza-se pela
utilização dos Britadores Cônicos. Vejamos na figura 06 um corte vertical deste equipamento.
Figura 06: Britador Cônico Fonte: Empresa Nordberg.
O processo de funcionamento deste equipamento é pouco complexo, porém muito
eficaz. Um cone rotativo disposto no centro do Britador gira em torno de seu eixo
descrevendo um movimento elíptico durante sua operação. À medida que as pedras entram
neste equipamento, elas são esmagadas pelo Cone rotativo e a parede interna do Britador,
chamada de revestimento. Com essa compressão realizada, as pedras de Nióbio são trituradas
e adquirem menores tamanhos, sendo este o objetivo desta máquina.
O controle do tamanho das pedras que irão deixar o Britador é feito de acordo
com a distância entre o Cone Rotativo e o Revestimento. Quanto maior for o espaço entre
estas partes, maiores serão as pedras como produto deste Britador. Assim, este equipamento
permite uma operação de britagem com pedras de 3,0 polegadas de tamanho e uma redução
destas para até 1 mm de espessura.
Por fim, a última fase de processo de cominuição e britagem é descrito pelo
peneiramento do material que foi britado. Este conteúdo teórico e prático foi encontrado em
material interativo da Empresa do ramo de máquinas para mineração, a Nordberg.
Vejamos na figura 07 uma Peneira Vibratória similar à utilizada pelo
Departamento de Britagem.
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Figura 07: Peneira Vibratória de 2 decks Fonte: Empresa Nordberg.
O Peneiramento é a operação de separação de uma população de partículas em
duas frações de tamanhos de tamanhos diferentes, mediante a sua apresentação a um gabarito
de abertura fixa e pré-determinada. Cada partícula tem apenas as possibilidades de passar ou
de ficar retida. Os dois produtos chamam-se “oversize” ou retido e “undersize” ou passante.
Os gabaritos podem ser grelhas ou telas de barras paralelas, malhas quadradas ou
retangulares, de fios paralelos, chapas perfuradas ou placas fundidas.
A faixa de tamanhos submetidos ao peneiramento vai de elevados tamanhos como
18 polegadas a minúsculas partículas de 130 µm. Os equipamentos capazes de fazer esta
operação são muito variados, podendo ser divididos genericamente em peneiras fixas,
vibratórias, inclinadas e horizontais. Esses equipamentos são constituídos por um chassi
robusto, apoiado em molas, um mecanismo acionador do movimento vibratório e suportes
para fixação das telas. Seu movimento vibratório se dá de forma circular ou elíptico fazendo
com que as partículas sejam lançadas para cima e para frente. A Peneira Vibratória, como o
próprio nome diz, funciona através de vibração, pela rotação de um eixo com contrapesos a
este acoplados. Este caráter vibratório confere à Peneira uma vibração que irá transmitir às
pedras de Nióbio e estas serão forçadas a passarem pelos orifícios das telas de acordo com o
tamanho desejado. O material que não foi selecionado na peneira, ou seja, ficou acima do
tamanho requerido será retornado ao processo para ser britado novamente em um terceiro
britador do tipo Cônico caracterizando neste momento um processo fechado enquanto as
pedras de Nióbio não forem classificadas na peneira.
Em relação à geração de material fino deparamos com alguns conceitos que
necessitaram de aprofundamento. Primeiramente, a engenharia não trata diretamente como
desperdício de material os finos gerados durante o processo de britagem. Desta forma os
materiais bibliográficos voltados a esta área justifica que a produção de finos é um processo
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natural em contra ação da britagem de minerais, mas que seu controle de geração deve ser
feita para que não obtenhamos perdas no processo produtivo.
10.2. Processo de Produção
Conforme os processos de produção, a extração do nióbio se faz ao fatiar a terra e
raspá-la, a ponto de se formar camadas sobrepostas de vários metros cada uma, no formato de
imensos degraus. A terra raspada na mina (meio avermelhada e visualmente comum) é
transportada através de uma esteira até a usina de beneficiamento. Como podemos observar
nas imagens a seguir.
Figura 08: Mina a céu aberto Figura 09: Esteira transportadora de minério
A presença de alto teor de óxidos e minério de ferro obrigou processos de
beneficiamentos diferentes para a extração do nióbio. Entretanto, todo o minério extraído, por
meio de detonação de explosivos ou raspagem do solo, é levado a mina, em caminhões
convencionais até as unidades de beneficiamento. Primeiramente, este minério é britado e
moído, até atingir uma granulometria ideal, em seguida é feita uma separação magnética, a
retirada de alguns resíduos desnecessários e a flotação, processos físicos de onde são retiradas
as impurezas. Após estes processos, ocorre o processo aluminotérmico, onde todo o
concentrado é transformado em ferro-nióbio.
Outra forma de obtenção do nióbio pode ser descrita por: um processo de moagem, o
minério é levado para o moinho de bolas, onde são liberados os cristais de pirocloro,
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extremamente finos. Após a moagem, o minério passa por um processo de separação
magnética, da qual é retirada a fração de magnetita (Fe) existente no minério; a fração
magnética contendo ferro é bombeada para uma represa especial onde é estocada para uma
eventual comercialização, a parte não magnética é levada para o deslame, de onde são
retiradas as lamas lateríticas que podem impedir a seqüência do processo. Feito o deslame, a
polpa deslamada passa por um processo de flotação e filtragem.
11. OBTENÇÃO DO NIÓBIO METÁLICO
Os processos de obtenção do nióbio metálico variam conforme a origem do
minério.
De uma forma geral, a sistemática seguida pode ser resumida conforme o
fluxograma abaixo. Fato que deve ser mencionado, no entanto, é que devido a semelhança das
propriedades químicas do Nb e do Ta, dependendo da concentração destes no minério, torna-
se necessária a separação por cristalização fracionada ou extração por solvente orgânico, de
seus sais (K2NbF7, K2TaF7). A referência menciona a extração de óxido, de uma solução de
fluoretos em um solvente orgânico, (extração líquido-líquido) para obtenção de óxido de alta
pureza destinada à produção de super liga.
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CONCENTRAÇÃO
KOH + NaOH
LIXIVIAÇÃO
LAVAGEM *
DIGESTÃO COM HCl
PRECIPITADO ** SOLUÇÃO
Nb2O5 x H2O MnCl2
Ta2O5 x H2O FeCl2
HF
H2 NbOF7
H2 TaF7
KCl
ELETRÓLISE **** K2 TaF7 CRISTALIZAÇÃO
EM BANHO DE SAL K2 NbF7 FRACIONADA
SEPARAÇÃO Nb DO Ta
METALURGIA DO PÓ K2NbF7
OU FUSÃO À VÁCUO REDUÇÃO C/METAIS
Na, Ca
TRATAMENTO MECÂNICO FUSÃO E PURIFICA-
ÇÃO EM VÁCUO
LIMPEZA
PRODUTO FINAL REFUGO HCl + HNO3
Figura 10: Mostra esquematicamente a seqüência seguida no processamento do Nb
20
* no tratamento aquoso já são eliminadas a maioria das impurezas Na2SiO3,
Na2WO4, NaAlO2. Resta ainda no precipitado constituído por Na2O, 3TaO5 e Na2O, 6NbO5,
elementos como o ferro, manganês e titânio.
O ferro e o manganês são eliminados na fase subseqüente, ou seja, na digestão
com HCl e o titânio somente é removido parcialmente permanecendo até a redução em
proporções de 0,5 a 1%. O tântalo pode ser eliminado por cristalização fracionada, ou
eletrólise ou extração com solvente orgânico.
** a continuidade do processo a partir deste ponto esta dependente, da
porcentagem de tântalo presente, bem como da tolerância desejada, na composição do produto
final.
Quando aqui se justifica a interrupção do processo, segue-se a redução de
pentóxido de nióbio, por um dos métodos, cálcio térmico, alumínio térmico, carbotérmico,
seguido por fusão em vácuo (ou sinterização) para purificação.
*** a cristalização fracionada está baseada no fato de que a solubilidade do
fluoreto de nióbio é 15 a 20 vezes maior que a do fluoreto de Ta, em solução com 1% de HF
na temperatura de 20 a 70 ºC.
**** a eletrolise segundo ainda era objeto de estudo.
O principal fator restritivo na produção deste material é a sua afinidade por
impurezas intersticiais como C, O, H quando presentes dificultam o tratamento mecânico do
material.
Devido a este fator, a fusão do material deve ser efetuada em vácuo, e a
eliminação destes elementos não apresenta maiores dificuldades.
12. OFERTA MUNDIAL - 2000
As reservas brasileiras de pirocloro (Nb2O5) estão concentradas nos Estados de Minas
Gerais (96,3%); Amazonas (2,7%) e Goiás (1,0%).
Líder na oferta mundial, a CBMM, responde por 78,3% da produção brasileira de
concentrado de nióbio e a Mineração Catalã, pelos 21,7% restantes.
A CBMM (Cia. Brasileira de Metalurgia e Mineração) e a COMIG (Cia. de Mineração
de Minas Gerais), são as concessionárias das principais reservas situadas no município de
Araxá (MG), ambas constituíram desde 1973 a COMIPA – Cia. Mineradora de Pirocloro de
Araxá, que lavra os jazimentos das duas empresas e vende à CBMM todo o produto.
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Reserva e Produção Mundial
DISCRIMINAÇÃO RESERVAS (2) (103t) PRODUÇÃO (1) (t)
Países 2000 (p) (%) 2000 (p) (%)
Brasil 5.000 90,0 31.418 92,4
Canadá 400 7,2 2.400 7,1
Nigéria 90 1,6 30 0,1
Congo 50 0,9 - -
Austrália 16 0,3 150 0,4
TOTAL 5.556 100,0 33.998 100,0
Fontes: DNPM-DIRIN, Mineral Commodity Summaries - 2001. (1) Dados referentes à Nb205 contido no minério. (p) Preliminar (-) Não disponível
(2) Reservas medidas e indicadas (r) Revisado
12.1. Produção interna
A Mineração Catalão de Goiás, com participação acionária do Grupo Anglo
American e Bozzano Simonsen com capacidade nominal instalada de 670.000 t/ano, produziu
em 2000, 589.349 t de minério britado com 7.211 t de Nb2O5 beneficiado e 4.123 t de liga
FeNb com 2.741 t de Nb contido, representando um aumento de 12,6% em relação ao ano
anterior devido a nova frente de lavra, com teor de minério mais elevado.
A Cia. Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM), com capital distribuído
entre o Grupo Moreira Sales e a Molycorp, com capacidade instalada para produção de
50.400 t/ano de Nb2O5 contido no concentrado, obteve uma expansão de 68,0% na sua
capacidade produtiva, em relação ao ano de 1999. Produziu 24.207 t de Nb2O5 contido no
concentrado, 15.477 t de Nb contido na liga FeNb e 1.274 t de óxido de nióbio. A pequena
redução na produção do concentrado em relação ao ano anterior está ligada a queda na
produção de FeNb e do óxido de nióbio, devido a ajustes nos níveis de estoques, visto que, o
nível de vendas em geral foi superior ao do ano anterior. A redução na produção de óxido de
nióbio é conseqüência da retração nas vendas, provocada pelo crescimento da concorrência
em um mercado inelástico.
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12.2. Importação
Não há registros de dados de importação da liga FeNb desde 1985. O Brasil é auto-suficiente e líder mundial na produção de Nióbio.
12.3. Exportação
O valor total das exportações de minério de nióbio apresentou um crescimento de
66,1% em relação ao ano anterior. Os blocos econômicos de destino foram: EUA (55,0%),
Europa Oriental (28,0%) e União Européia (17,0%).
A Mineração Catalão de Goiás exportou toda a sua produção de 2.777 t de Nb
contido na liga FeNb para a Alemanha (35,4%), para os EUA (29,7%), para o Japão (22,0%) e
para Inglaterra, Taiwan, Coréia, México, Canadá, Luxemburgo, Arábia Saudita e África do
Sul (12,9%); totalizando US$ 37.858.735,54 em ingresso de divisas para o país. Registrando
um aumento de 16,0% no valor das exportações, devido ao crescimento no volume das vendas
em relação ao ano de 1999.
A Cia. Brasileira de Metalurgia e Mineração destinou 94,5% da sua produção ao
mercado externo em 2000, totalizando 14.630 t de nióbio contido na liga FeNb, resultando
US$ 194.225.000 de entrada de divisas para o país. O aumento no valor das exportações da
liga-FeNb e a redução na quantidade e no valor das exportações do óxido de nióbio observado
em relação ao ano anterior deram-se em função de concorrência predatória no segmento de
óxido de nióbio e de ligas grau vácuo, para as quais, o óxido é a matéria prima principal. A
ação da concorrência de material proveniente de subproduto do estanho (FeNb Ta) e da
colombita-tantalita reprocessados na Rússia e na China levou a uma expansão na oferta de
óxido no mercado. A compensação parcial pela perda de participação no mercado de óxido
deu-se pelo aumento na exportação da liga FeNb. Embora o acréscimo tenha sido de apenas
1,5%, foi resultado de uma demanda favorável, principalmente na Europa.
A liga FeNb, destinada ao mercado externo é utilizada na fabricação de produtos
de aços especiais (grades, estruturas e oleodutos), nas indústrias automobilísticas, espaciais,
navais, aeronáuticas e de ferramentas de alta precisão.
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12.4. Consumo interno
A Mineração Catalão de Goiás destina toda sua produção ao mercado externo.
A CBMM destinou 790 t de sua produção em Nb contido na liga FeNb ao
mercado interno, sendo o Estado de Minas Gerais (59,4%) o seu principal comprador e o
restante, distribuído entre as regiões Sul/Sudeste (33,5%) e uma pequena participação na
região Nordeste (7,1%).
A principal aplicação do nióbio é nos chamados aços de baixa liga e alta
resistência (HSLA), utilizados em tubulações de grande diâmetro, na construção civil de obras
de grande porte e na indústria automobilística. Um dos principais fatores que influenciaram na
queda do consumo foi o término do gasoduto Brasil-Bolívia e, o segundo fator está
relacionado à conjuntura econômica e a ausência de grandes obras civis (hidrelétricas, pontes,
etc.) e, finalmente, a retração verificada na segunda metade do ano na indústria automotiva
brasileira.
Principais Estatísticas - Brasil
Discriminação 1998 (r) 1999 (r) 2000 (p)
Concentrado (1) (t) 33.795 31.352 31.190
Produção: Liga Fe-Nb(2) (t) 20.516 18.866 18.218
Óxido de Nióbio (t) 2.400 1.375 1.274
Liga Fe-Nb(2) (t) 18.504 16.821 17.407
Exportação: (103 US$-FOB) 239.964 223.945 232.084
Óxido de nióbio (t) 1.138 1.064 639
(103 US$-FOB) 19.504 18.170 11.080
Consumo Aparente:
Liga Fe-Nb(2) (t) 2.012 2.045 811
Óxido de Nióbio (t) 1.262 311 635
Preço Médio *: Liga Fe-Nb(2) (US$/t-FOB) 12.968 13.313 13.333
Óxido de nióbio (US$/t-FOB) 17.138 17.077 17.340
Fontes: DNPM-DIRIN; MDIC-SECEX,CBMM
(1) Dados em Nb2O5 contido no concentrado; (2) Dados em Nb contido na liga; (r) revisado.
* Preço Médio base exportação.
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12.5. Projetos em andamento e/ou previstos
A Mineração Catalão de Goiás Ltda. investiu em tecnologia para beneficiar o
minério da Mina Boa Vista, de elevado teor de silicatos e alto teor de Nb2O5, o que elevará a
sua produção.
A demanda mundial depois de ter mostrado índices animadores de crescimento,
no início da década passada, atingiu o seu ponto de maturação. O crescimento esperado não é
superior a 3,0%. Indicadores favoráveis como a continuada elevação nos preços do petróleo,
viabilizando novos projetos de exploração e a manutenção de linhas de transmissão
desativadas, demandam uma maior produção de tubos para essa finalidade, o que reflete em
um maior consumo de nióbio. A indústria automobilística também está realizando pesquisas
com novos aços microligas visando aumentar a resistência com o menor peso, nos futuros
carros ultraleves, movidos a bateria e não a petróleo.
12.6. Outros fatores relevantes
São duas as minas da Mineração Catalão de Goiás Ltda.: Catalão I, no município
de Ouvidor (GO) com uma reserva de 3.807.047 t e 0,8% de teor médio de Nb2O5 e Catalão
II no município de Catalão (GO), com uma reserva de 1.997.476 t com teor médio de 1,6% e
vida útil de 3,5 anos. O processo de beneficiamento utilizado pela empresa é o de flotação.
Sendo suas exportações destinadas em maior proporção à Europa (39,7%), América do Norte
(32,9%), Ásia (26,7%) e demais continentes (0,7%).
A Cia. Brasileira de Mineração e Metalurgia, expandiu sua capacidade produtiva
em 2000 para 50.400 t de Nb2O5 contido no concentrado e 29.700 t de Nb contido na liga
FeNb (Nb/liga FeNb=0,66), através do processo de beneficiamento convencional de flotação
do minério. Obtendo-se um concentrado com cerca de 60,0% Nb2O5. As reservas do minério
residual somam 450 milhões t com teor de 2,5% Nb2O5, sendo suficientes para mais 400 anos.
As reservas minerais de nióbio existentes na Amazônia totalizam em 82.002.974 t,
situadas nos municípios de São Gabriel da Cachoeira e Presidente Figueiredo.
25
13. APLICAÇÕES
Dentre os usos mais correntes pode-se citar:
• Utilização em ligas metálicas. Este elemento é adicionado ao aço inoxidável para
aumentar a resistência do mesmo. Quando exposto a temperaturas superiores a 550 ºC
a estrutura cristalina do aço sofre uma alteração e este fica mais propenso a estragos.
A adição de nióbio ao aço torna-o capaz de suportar maiores temperaturas e reduz a
probabilidade de este se danificar. Por este motivo, esta adição é freqüentemente usada
em aço destinado a ser soldado ou, precisamente, a aço destinado ao fabrico de
ferramentas de soldagem. Esta propriedade do nióbio faz também com que o aço
inoxidável estabilizado com nióbio seja, muitas vezes, utilizado na construção de
reatores nucleares devido à necessidade de resistir a temperaturas elevadas durante
longos períodos de tempo.
• O metal nióbio pode ser utilizado também em ligas de nióbio titânio, para uso em
implantes cirúrgicos; em componentes de nióbio titânio resistentes à ignição, usados
por mineradoras, principalmente na extração de ouro; em lâminas de nióbio puro
usadas na produção de diamantes sintéticos; em plataformas marítimas, com cabos
anódicos de nióbio platinizados para proteção catódica (contra corrosão) e para alvos
de evaporação usados na indústria eletrônica e nas lâminas de barbear.
• A produção de monocristais de niobato de lítio, utilizados em filtros especiais de
receptores de TV exige o teor de 99,99% de óxido de nióbio, ou seja, óxido de nióbio
de altíssima pureza.
• Representando cerca de 87% do consumo geral de nióbio, o ferronióbio é utilizado em
aços inoxidáveis e como microliga em aços de alta resistência e baixa liga (ARBL),
sendo destinado a várias aplicações objetivando agregar, em geral, mais resistência
mecânica, tenacidade e leveza ao produto final.
Abaixo se tem a distribuição do consumo segundo os mercados consumidores:
26
• O nióbio é um mineral raro e considerado estratégico, já que o mesmo é insubstituível
na produção de ligas utilizadas para fabricação de sofisticados instrumentos de
precisão. O nióbio, depois de usinado, é empregado na produção de avançados
produtos de alta tecnologia; desde instrumentos cirúrgicos, passando por armas, até
complexos componentes de foguetes espaciais, satélites e módulos (tripulados ou não)
que deixam a Terra em missão de sondagem espacial.
• Pela mesma razão, elevadas quantidades de nióbio foram utilizadas na exploração
espacial - em particular no projeto Gemini da NASA. Este projeto foi anunciado em
Janeiro de 1962 e teve o seu último vôo em Novembro de 1966. O objetivo do
programa foi aperfeiçoar métodos e ganhar experiência em atividades relacionadas
com missões tripuladas ao espaço.
Figigura: 11 Lançamento de uma missão parte do programa Gemini, na Flórida (E.U.A) em 8 de Abril de 1964 (fonte: NASA).
• O nióbio tem, também, um papel relevante na história da supercondutividade. Ligas de
nióbio com estanho, titânio ou germânio são materiais supercondutores a temperaturas
perto dos 23ºK. Estas ligas têm a propriedade de, ao contrário de outros materiais
supercondutores, manterem a supercondutividade, mesmo com altas correntes
elétricas. Estes compostos foram importantes do desenvolvimento das tecnologias
associadas à ressonância magnética.
• Aplicações em implantes cirúrgicos uma vez que alguma liga com nióbio não reagem
no corpo humano, permitindo assim implantes seguros.
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• Utilização em joalharia uma vez que este reflete a luz criando um padrão de
interferência que resulta num visual multicolor que varia com a posição do
observador. Tal deve-se à formação de uma película fina de óxido, à superfície do
metal - a luz refletida por esta superfície não está em fase com a luz refletida pela
camada não oxidada imediatamente abaixo, gerando assim a interferência.
• Energia atômica – revestimento da câmara de combustível liga de urânio, onde o Nb
entra na porcentagem de até 7% a fim de aumentar o tempo útil dos combustíveis.
• Siderurgia – Na forma de ferro nióbio com diferentes graus de pureza, é adicionado
em uma ampla faixa de aços de alta resistência em composições que variam de no
mínimo 0,05 a 0,005%. É usado na produção de super ligas à base de níquel, onde
participa em até 6% em peso da composição nominal. Encontra ainda utilização em
ligas de metais refratários, onde participa em numa ampla faixa de concentração,
juntamente com o W, Ta, Hf, Zr, Mo, etc. O carbeto de Nb, juntamente com o de
Tungstênio, é utilizado na produção de metais duros para ferramentas.
14. RELATIVIDADE
A Gravity Probe B (GP-B) é um experimento em relatividade desenvolvido na
Universidade de Stanford para testar duas previsões extraordinárias da Relatividade Geral de
Albert Einstein. O experimento medirá, muito precisamente, as esperadas e pequenas
mudanças na direção de rotação do eixo de quatro giroscópios contidos em um satélite que
orbita a Terra a 640 km de altitude.
Livres de perturbações os giroscópios providenciarão um sistema de referência
espaço-tempo quase perfeito. Eles medirão como o espaço e o tempo é levemente deformado
pela presença da Terra, e, mais fortemente, como a rotação da Terra arrasta o espaço-tempo.
Estes efeitos, embora pequenos para a Terra, tem implicações na natureza da matéria e
estrutura do Universo.
Figura 12: Motor giroscópio recoberto com nióbio
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Esta fotografia é um close de do motor giroscópio recoberto com nióbio e suas
metades protetoras. A GP-B está entre os programas mais criteriosos realizados pela NASA.
Esta é a história de uma busca científica na qual físicos e engenheiros colaboram juntamente
por muitos anos. Ispirados pela busca eles inventaram um grande número de tecnologias que
já tomam vida em outros ramos da ciência e engenharia.
Lançada em 20 de abril de 2004, o programa GP-B foi conduzido pela NASA no
Marshall Space Flight Center. E o desenvolvimento da GP-B é de responsabilidade da
Universidade de Stanford em conjunto com Lockheed Martin Corporation.
15. REATIVIDADE
A reatividade do nióbio está bem enquadrada dentro do seu grupo, o grupo 5 da
tabela periódica, não diferindo muito da reatividade dos elementos do grupo precedente. Uma
característica que é disso exemplo é o fato de o nióbio, quando no estado puro e exposto ao ar,
formar uma película superficial de óxido que protege o restante material da corrosão - tal
como em menor ou maior extensão, os outros elementos dos grupos 4 e 5 (consultar
elementos deste grupo, como por exemplo, o titânio).
O nióbio, à temperatura ambiente, não reage com ácidos nem com Água-régia ,
mas a temperaturas elevadas é atacado por ácidos minerais concentrados, agentes alcalinos e
agentes oxidantes.
16. O NIÓBIO NA NATUREZA
O nióbio é o trigésimo terceiro elemento mais abundante na crosta terrestre onde a
sua concentração é de cerca de 10ppm podendo atingir valores nos solos entre 24 ppm e
300ppm. Na água do mar a sua concentração é de cerca de 1 ppt e na atmosfera as
quantidades são perto de nulas.
O nióbio, quando na sua forma pura, é um metal cinzento brilhante de
consistência mole. Ocorre na natureza em duas principais formas mináveis: a columbite
(Fe,Mn)(Nb,Ta)2O6 e o pirocloro (NaCa)2Nb2O6(OH,F).
A quantidade de reservas não exploradas não está ainda descrita, mas sabe-se que
existem extensos depósitos de pirocloro.
O único isótopo natural do nióbio é o nióbio-93, um isótopo não radioativo.
29
17. O NIÓBIO E A VIDA
O nióbio não tem qualquer papel biológico conhecido, embora o ser humano
tenha quantidades mensuráveis no organismo. O nióbio e seus compostos podem ser tóxicos
(nióbio em pó provoca irritação cutânea e ocular), mas não existem relatos de envenenamento
por nióbio. Ensaios feitos em animais mostram que, quando ingerido, o elemento pode
acumular-se nos ossos, no fígado e nos rins, sendo excretado via urina.
As plantas apresentam em geral quantidades muito baixas ou mesmo nenhum
nióbio. No entanto, quando crescem em solos ricos no elemento, podem acumular níveis até
1ppm.
18. CONCLUSÃO
O minério de Nióbio conforme podemos notar ao longo deste trabalho possui um
avanço em diversas áreas produtivas e em diversas aplicações, por isso consegue ser um
exemplo de operação de lucratividade para o setor de seu mercado. Pode-se notar a excelência
operacional alcançada em diversas áreas e um potencial enorme de perenidade no tempo para
esta organização. Sendo que o Brasil é uma das maiores reservas do minério de Nb. As
formas comerciais de redução do metal é alumínio térmico, seguida de fusão e purificação em
vácuo. O material tem grandes potencialidades de uso devido as suas propriedades físicas e
mecânicas.
Na indústria siderúrgica, o consumo de nióbio – que já se encontra bem restrito -
vem sendo reduzido pela inserção de melhorias no processo, como o lingotamento contínuo e
o resfriamento acelerado. Além disso, a própria demanda pelos aços vem sofrendo ameaças de
substituição por outros materiais como plásticos, alumínio e cerâmicos. Desse modo, o
investimento e o trabalho em pesquisa e desenvolvimento de novos usos, bem como dos
atuais, torna-se fundamental para a proteção técnica da posição do nióbio nos seus mercados
consumidores.
Ressalte-se também que, dentro do atual cenário, o surgimento de novos projetos,
em especial o de Mebounié no Gabão, pode provocar alguma alteração na distribuição desse
mercado.
Porém o Brasil tem todas as condições competitivas para manter e desenvolver
sua posição de liderança no mercado mundial de nióbio.
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19. REFERÊNCIAS BIOGRÁFICAS
• NELSON NOVAES DE ALMEIDA, E. GAMA CAMARA – Ita Engenharia Nov.
1971, pag. 25.
• SILVIO FROES ABREU – Recursos minerais do Brasil – USP. 1973.
• COMPANHIA BRASILEIRA DE METALURGIA E MINERAÇÃO – Instruções
técnicas de operação – ITE’S. Araxá, 2003, 12 a. Edição.
• ALLIS MINERAL SYSTEM – Fábrica de Aço Paulista. Manual de britagem.
Sorocaba, Svedala, 1994, 5 a. Edição.
• COMPANHIA BRASILEIRA DE METALURGIA E MINERAÇÃO – Livro norma
ISO 9002 - Instruções de Operação e Processos – ITE’S. Araxá, 2003, 5 a . Edição.
• http://www.cbmm.com.br. Acesso em 13/06/2010.
• http://www.e-escola.pt/topico.asp?id=554&ordem=3. Acesso em 13/06/2010.