Introdução aos Processos Metalúrgicos

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 (18521911), Van´t Hoff (1852-1911), Helmholtz (18211894), 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 nãoferrosos
 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
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CLASSIFICAÇÃO INDUSTRIAL
(segundo Volsky)
DE
METAIS
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
composição pelos seguintes minerais:
e
 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 terrasraras 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
ZnS + 2O2 ↔ ZnSO4
900-1100ºC
500-600ºC
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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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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.
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
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
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
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
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
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
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
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
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
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.)
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
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