PIROMETALURGIA

Prof. Carlos Falcão Jr.

INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS

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

INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS

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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Fusão a Mate

Definição → Tratamento de uma substância mineral constituída basicamente por sulfetos metálicos.

Finalidade → Obtenção de matéria-prima líquida, separando-a em duas fases líquidas imiscíveis (separação líquido-líquido).

Fase A → contem a maior parte da ganga, que será descartada.

Fase B → contem o metal de valor do minério.

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Fusão a Mate

Separação das fases → ajuste da temperatura e composição da carga.

Fase A (flutua sobre a Fase B) → constitui a escória composta por óxidos.

Fase B → mate composta por sulfetos.

Processo → rota vantajosa em relação à temperatura.

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Fusão a Mate

Motivo → Maioria dos sulfetos metálicos possui baixo P.F. permitindo o uso de T inferiores.

Mate formada por sulfetos completamente miscíveis no estado líquido → mono, bi, multi-constituída.

Exemplos: mate Cu2S, mate Cu2S-Ni3S2 (notação mate Cu-Ni).

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Fusão a Mate

Constituintes → sulfetos de metais que não são de valor, se estão presentes em quantidades apreciáveis.

Impurezas → sulfetos de metais que não são de valor em pequenas quantidades.

Exemplo: mate Cu-Fe – sulfeto de ferro (constituinte) em grande quantidade e cobre (metal de valor).

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Fusão a Mate

Mate → caráter semi-metálico e condutividade eletrônica.

Pode ser formada por metais de transição, como Cu2S, FeS, NiS etc., e também por PbS.

Os compostos não são perfeitamente estequiométricos.

Sulfetos dos metais alcalinos, alcalino-terrosos e de Mn, Zn e Al não formam mates.

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Fusão a Mate

Mate mais importante para a indústria é a Fe-Cu, seguida de Cu-Ni.

O calor necessário para a fusão da carga pode vir da combustão de combustíveis fósseis.

A partir da década de 40 → utilização do calor da combustão dos sulfetos da ganga → “flash smelting”.

Processo autógeno e muito competitivo.

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Fusão a Mate

A mate será considerada rica se tiver alto teor do metal de valor e, consequentemente, outros metais em grande quantidade na escória.

Produtos líquidos do processo de fusão a mate:

mate – solfetos de Fe e Cu

escória – óxidos de ferro

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Fusão a Mate

As 2 fases, apesar de imiscíveis, formam uma emulsão, mas são separadas devido ao fato das partículas da mate serem mais densas e “afundam”, separando-se da escória.

O ideal é que a escória seja de baixa viscosidade.

Sílica (SiO2) pode ser adicionada para que a viscosidade da escória se torne menor.

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Fusão a Mate

Principais reatores que atuam com a tecnologia “flash smelting”:

Outokumpu - Finlândia

Inco - Canadá

C-Furnace - Japão

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Redução Metalotérmica

Tratamento químico de redução de uma substância mineral pelo emprego de um metal como agente redutor para a produção de outro metal de interesse.

MeX + Me’ ↔ Me + Me’X

Me’ = metal redutor

X = O, F ou Cl

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Redução Metalotérmica

Me’X não é um gás → PROBLEMA:

dificulta o processo de separação física das fases após a redução

significa um volume perdido no reator

perigo potencial de perda do metal de valor pela dissolução no produto

Me’X → matéria-prima na indústria cerâmica e de abrasivos.

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Redução Metalotérmica

Empregada quando o metal a ser extraído apresenta forte tendência a formar carbonetos.

Trata-se de uma alternativa à redução eletrolítica de sais fundidos.

Maior aplicação → produção de ferro-ligas com baixo teor de carbono de metais como Ti, Nb, Cr, V.

Metais usados como redutores → Si, Al, Mg, C, Na, K.

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Redução Metalotérmica

É uma reação exotérmica.

Quanto maior a afinidade do metal redutor pelo oxigênio, mais exotérmica será a reação.

INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS

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

INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS

INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS

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

INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS

1.2) Fusão Metalúrgica

1.2.2) Refino

1.2.2.3) Oxirrefino

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.)

INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS

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.)

INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS

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