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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.


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.


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


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


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.


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)


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:


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)


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.


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


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


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


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


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


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.


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



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.


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



• 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




• 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




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




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.



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


1.2.2) 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




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



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.)



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.)



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.)



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

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