Atividade 3 FeNi Eurides de Sousa Jesus

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Aluna: Eurides de Sousa Jesus 
Turma: online de segunda a noite 
Pós-graduação: Eng. De Processos Industriais 
Disciplina: Metalurgia e siderurgia I 
 
Atividade 3 - FeNi 
1- A etapa de calcinação tem quatro estágios. Descreva o que acontece em cada um 
desses e suas reações. 
A quatro etapas do processo de calcinação: 
Secagem: O primeiro estágio no forno de cal é o de secagem, processo pelo qual os 
materiais voláteis, geralmente água, são evaporados de um material para se obter um 
produto sólido com baixa ou sem umidade. 
A umidade pode estar vinculada ao sólido de duas maneiras: se a umidade estiver na 
microestrutura do sólido, é chamada de umidade vinculada e, se não estiver vinculada e 
em excesso, é chamada de umidade desvinculada. 
Quando um sólido úmido é submetido a uma secagem térmica, dois processos ocorrem 
simultaneamente: 
1. Transferência de energia (maior parte na forma de calor) do meio que cerca a partícula 
para evaporar a umidade superficial; 
2. Transferência de massa da água (umidade interna) para superfície do sólido e 
subsequente evaporação devido ao processo de transferência de energia. 
MINÉRIO ÚMIDO + CALOR = MINERIO SECO + VAPOR 
Aquecimento: No segundo estágio, a lama seca é aquecida por um sistema de trocadores 
de calor como elevadores e misturadores acoplados à parede do forno. Esse sistema agita 
o carbonato de cálcio e promove uma boa mistura do material com os gases de combustão. 
Em alguns fornos, barreiras de aço são incluídas na zona de aquecimento para aumentar 
a transferência de calor, essa etapa de aquecimento é de grande importância, pois propicia 
um ambiente ideal para que ocorra a reação de calcinação. 
MINÉRIO SECO + VAPOR = MINÉRIO AQUECIDO 
Calcinação: A calcinação acontece na terceira zona, onde o CO2 é liberado do material 
fundido para o gás e os pellets de CaO começam a ser formados, de acordo com a reação 
endotérmica dependente da temperatura. A temperatura mínima necessária para que essa 
reação ocorra é 815°C, mas temperaturas acima de 1149°C podem resultar na queima da 
cal e consequentemente, poderá afetar na qualidade e na reatividade dentro do processo 
de extinção, além de danificar os refratários do forno. 
Uma exigência no processo de calcinação é que o produto de cal deve conter baixas 
quantidades de CaCO3 sem queimar demais e causar uma cal menos reativa. Um bom 
parâmetro para a maioria dos fornos de cal é que o carbonato residual esteja entre 1 e 2%, 
resultando em uma cal de qualidade com pequenas quantidades de material queimado. A 
fração de CaO ativa na calcinação é expressa pela reatividade, que normalmente varia 
entre 85 e 95%. Além disso, para mostrar a qualidade do produto, a reatividade da cal é 
usada como indicador para o acúmulo de non-process elements. 
MINÉRIO AQUECIDO + CALOR = MINÉRIO CALCINADO + VAPOR 
A equação mostra que há uma relação entre a temperatura e a pressão de vapor de água 
em equilíbrio. A calcinação consiste em submeter o minério a uma temperatura superior 
à de equilíbrio de acordo com a pressão parcial de vapor de água no forno. 
Pré-redução: O estágio final, ocorre quando os pellets passam por baixo do queimador e 
se movem para a descarga do forno. Os pellets de cal quente se resfriam e trocam calor 
com o fluxo de ar secundário a ser alimentado no forno. 
 
2- Na etapa de pré-redução é possível se formar FeO e Ni metálico sem fundir o 
minério. Explique como isso é possível. 
Conforme da figura 1, a pré-redução no circuito RKEF ocorre após a etapa de secagem, 
e nela é possível obter a formação de FeO e Ni metálico sem fundir o minério. 
 
Após a remoção da água livre na etapa de secagem, o minério segue para etapa de Pré-
redução que ocorre em fornos rotativos, onde são processadas reações das fases oxidadas 
de níquel (NiO) e ferro (Fe2O3). Nela são utilizados como agente redutor o carvão 
mineral ou biomassa (madeira), que são alimentados juntamente com o minério. 
Na etapa de pré-redução, toda a água estrutural do concentrado saprolítico de níquel é 
eliminada e, além disso, coque é adicionado ao forno para que o minério seja pré-
reduzido. 
Figura01: Rota de processo típica do circuito RKEF para produção de ferroníquel. 
Adaptado de Swinbourne (2014). 
Segue abaixo as reações químicas presentes nessa etapa: 
(Mg,Ni)3 Si2O5 (OH)4 = (Mg,Ni)2 SiO4 + MgSiO3 + 2H2O 
(Mg,Ni)3 Si2O5 (OH)4 = 3NiO + 3MgO + 4SiO2 + 4H2O 
2FeO.OH = Fe2O3 + H2O 
NiO(s) +C(s) = Ni(s) + CO(g) 
NiO (s) +CO g = Ni s +CO2 (g) 
CO2 (g) +C (s) = 2CO (g) 
Fe2O3 (s) +CO (g) = CO2 (g) + 2FeO(s) 
Fe2O3 (s) + H2 (g) = H2O (g) + 2FeO (s) 
Nessa etapa o produto possui de 1,5% a 3% de níquel e é enviado para a próxima etapa 
do processo. 
 
3- A etapa de redução é onde o metal é formado. Descreva o processo e as reações. 
Na redução, o minério calcinado e pré-reduzido é alimentado continuamente em forno 
elétrico a uma temperatura de até 900°C. A resistência das fases presentes no forno 
elétrico (minério calcinado, metal e escória líquidos) à passagem da corrente elétrica 
fornece energia térmica suficiente para fusão do minério calcinado, a aproximadamente 
1600°C. A separação das fases líquidas no interior dos fornos elétricos é realizada por 
diferença de densidade entre metal (7t/m3 ) e escória (3t/m3 ). A proporção em massa das 
duas fases (metal e escória) pode chegar a 1:9 devido ao alto conteúdo de ganga presente 
no minério de níquel. 30 As principais reações que ocorrem durante a etapa de redução 
em forno elétrico são mostradas nas equações (3. 7) a (3. 10): 
a) Redução do óxido de níquel presente no calcinado em níquel metálico: 
𝑁𝑖𝑂(𝑠) + 𝐶(𝑠) → 𝑁𝑖(𝑙) + 𝐶𝑂(𝑔) (3. 7) 
b) Redução do óxido de ferro presente no calcinado em ferro metálico: 
𝐹𝑒𝑂(𝑠) + 𝐶(𝑠) → 𝐹𝑒(𝑠) + 𝐶𝑂(𝑔) (3. 8) 
c) Fusão e ligação do níquel e do ferro: 
𝑁𝑖(𝑙) + 𝐹𝑒(𝑠) → (𝑁𝑖, 𝐹𝑒)(𝑙) (3. 9) d) Fusão dos óxidos não reduzidos, principalmente 
SiO2, MgO e FeO: 2𝑀𝑔𝑂(𝑠) + 𝑆𝑖𝑂2(𝑠) → 2𝑀𝑔2+ + 𝑆𝑖𝑂4 4− (3. 10) 
Metade da perda de níquel na escória ocorre por dissolução do níquel na escória, e a 
outra metade por gotículas de ferro níquel infiltrado na escória 
4- Qual o objetivo do refino e como esse ocorre? A etapa de dessulfuração necessita 
de quais condições para ocorrer adequadamente? Descreva as equações de ambas 
as etapas. 
A finalidade do processo de refino é adequar o metal às especificações exigidas pelo 
cliente, com a redução de componentes indesejáveis e impurezas como enxofre e fósforo 
contidos na liga FeNi cru. Em Onça Puma o refino da liga FeNi, segue as seguintes etapas 
(CRUZ, 2017): i. Vazamento de metal do forno elétrico de redução para a panela 
refratária com sopro de oxigênio seguido por adição de insumos formadores de escória 
durante este processo, para a reação de desfosforação; ii. Retirada da escória formada no 
processo de sopro de oxigênio; iii. Aquecimento no forno panela e formação de uma nova 
escória; iv. Desoxidação do banho e início da etapa de dessulfuração, no forno panela; v. 
Após o término da dessulfuração, com a composição química e temperatura ajustadas, a 
panela segue para a etapa de granulação do FeNi, para a obtenção do produto, FeNi 
granulado. O fluxograma do processo de refino da liga FeNi em Onça Puma, pode ser 
observado na Figura 3. 
 
A primeira etapa do processo de refino da liga FeNi, denominado refino primário, 
compreende o estágio onde é realizada as reações de desfosforação e descarburação, 
através da adição da cal calcitíca e sopro de oxigênio no banho metálico para a formação 
de escória, este processo acontece simultaneamente com o vazamento de metal. As 
principais reações químicas que ocorrem durante a etapa de refino primário estão 
apresentadas a seguir (os dados utilizados estão no intervalo de temperatura 1400°C 
/1673K < T < 1700°C/1973K): 
Si(l) + O2(g) = SiO2(l) ΔG0 = 197,8T – 946550 (J/mol de O2) (2.1) 
 C(l)+ O2(g) = CO2(g) ΔG0 = 6,4*10-4T 2 – 2,31T – 3,94 * 105 (J/mol de O2) (2.2) 
2P(l) + 5/2O2(g) = P2O5(l) ΔG0 = 2,4T – 200370 (J/mol de O2) (2.3) 
 Fe(l) + ½O2(g) = FeO(l) ΔG0 = 114,2T – 503370 (J/mol de O2) (2.4) 
CaO(s) + P2O5(l) = CaO.P2O5(l) ΔG0 = 487T - 368350 (J/mol de O2) (2.5) 
CaO(s) + FeO(l) = CaO.FeO(l) ΔG0 = 504T - 459360 (J/mol de O2) (2.6) 
CaO(s) + SiO2(l) = CaO.SiO2(l) ΔG0 = -5,9T – 51299 (J/mol de O2) (2.7) 
 
A etapa de dessulfuração: 
Na segunda etapa do processo de refino da liga FeNi realiza-se a reação de desulfuração, 
tal reação ocorre a partir de 1580 ºC (CRUZ, 2017). A escória nessa etapa origina-se da 
adição 21 de agentes fundentes ao banho (fluorita), formadores de escória (como cal e 
dolomita) e desoxidantes (ferrosilício), cujo estágio apresentado é denominado refino 
secundário. As principais reações dessa etapa estão representadas abaixo (dados 
utilizados estão no intervalo de temperatura 1400°C /1673K < T < 1700°C/1973K): 
FeSi(s) + 2FeO(l) = SiO2(l) + 3Fe(l) ΔG0 = 181T – 85570 (J/mol) (2.8) 
FeS(l) + NiS(l) + 2CaO(s) = 2CaS(l) + FeO(l) + NiO(l) ΔG0 = 8,5T – 34756 (J/mol) (2.9) 
 
5- Pesquise qual o valor da tonelada de FeNi. 
Em 1999 registrou-se tendência de elevação da média dos preços do níquel devido ao 
aumento da demanda global, impulsionada pelas siderúrgicas asiáticas, e queda dos 
estoques. Portanto, é esperado que a média de 1999 atinja US$ 6.850/t, projetando-se para 
2000 uma média superior, alcançando US$ 9.200/t. Fazendo uma menção ao ferro–
níquel, seus preços são obtidos através de um balizamento feito pela LME sobre o preço 
do níquel contido. Desta forma, como o ferro níquel apresenta teores médios de 25% de 
níquel, os preços da liga de níquel situam-se em valores de aproximadamente ¼ do preço 
do níquel cotado, podendo ter também descontos ou prêmios conforme as regras da LME. 
Preço da liga ferro níquel 2003 a 2007: 
 
Preço da liga ferro níquel 2014 a 2016: 
 
 
 
Referências Bibliográficas: 
https://www.artigos.entmme.org/download/2013/pirometalurgia-
pyrometallurgy/2438%20-%20SOUZA,%20B.F.-
%20INFLU%C3%8ANCIA%20DOS%20DIFERENTES%20TIPOS%20DE%20MIN%
C3%89RIOS%20PARA%20PRODU%C3%87%C3%83O%20DE%20FERRO%20N%
C3%8DQUEL%20E%20O%20USO%20DE%20ADITIVOS%20NO%20PROCESSO
%20ROTARY%20KILNS%20%E2%80%93%20ELECTRIC%20FURNACES.pdf 
https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/31686/3/Disserta%C3%A7%C3%A3o%20-
%20Carac.%20Tec.%20de%20Min%C3%A9rio%20de%20N%C3%ADquel%20Later
%C3%ADtico%20-%20CGGG%20%282%29.pdf 
 https://www.repositorio.ufop.br/bitstream/123456789/11878/1/DISSERTA%C3%87%
C3%83O_Caracteriza%C3%A7%C3%A3oEsc%C3%B3rioFerro-N%C3%ADquel.pdf 
https://www.itv.org/wp-content/uploads/2021/09/TCC-Versao-final-FLAVIO-CRUZ-
CARACTERIZACAO-TECNOLOGICA-DAS-ESCORIAS-ORIUNDAS-DO-
PROCESSO-DE-REFINO-DA-LIGA-FeNi-NA-UNIDADE-OPERACIONAL-ONCA-
PUMA.pdf 
Departamento Nacional de Produção Mineral, 2007. Informações 
preliminares do Anuário Mineral Brasileiro 2007. Fornecido diretamente 
pelo DNPM. 
http://redeetec.mec.gov.br/images/stories/pdf/eixo_ctrl_proc_indust/tec_metal/siderurgi
a/161012_siderurgia.pdf 
https://www.artigos.entmme.org/download/2013/pirometalurgia-pyrometallurgy/2438%20-%20SOUZA,%20B.F.-%20INFLU%C3%8ANCIA%20DOS%20DIFERENTES%20TIPOS%20DE%20MIN%C3%89RIOS%20PARA%20PRODU%C3%87%C3%83O%20DE%20FERRO%20N%C3%8DQUEL%20E%20O%20USO%20DE%20ADITIVOS%20NO%20PROCESSO%20ROTARY%20KILNS%20%E2%80%93%20ELECTRIC%20FURNACES.pdf
https://www.artigos.entmme.org/download/2013/pirometalurgia-pyrometallurgy/2438%20-%20SOUZA,%20B.F.-%20INFLU%C3%8ANCIA%20DOS%20DIFERENTES%20TIPOS%20DE%20MIN%C3%89RIOS%20PARA%20PRODU%C3%87%C3%83O%20DE%20FERRO%20N%C3%8DQUEL%20E%20O%20USO%20DE%20ADITIVOS%20NO%20PROCESSO%20ROTARY%20KILNS%20%E2%80%93%20ELECTRIC%20FURNACES.pdf
https://www.artigos.entmme.org/download/2013/pirometalurgia-pyrometallurgy/2438%20-%20SOUZA,%20B.F.-%20INFLU%C3%8ANCIA%20DOS%20DIFERENTES%20TIPOS%20DE%20MIN%C3%89RIOS%20PARA%20PRODU%C3%87%C3%83O%20DE%20FERRO%20N%C3%8DQUEL%20E%20O%20USO%20DE%20ADITIVOS%20NO%20PROCESSO%20ROTARY%20KILNS%20%E2%80%93%20ELECTRIC%20FURNACES.pdf
https://www.artigos.entmme.org/download/2013/pirometalurgia-pyrometallurgy/2438%20-%20SOUZA,%20B.F.-%20INFLU%C3%8ANCIA%20DOS%20DIFERENTES%20TIPOS%20DE%20MIN%C3%89RIOS%20PARA%20PRODU%C3%87%C3%83O%20DE%20FERRO%20N%C3%8DQUEL%20E%20O%20USO%20DE%20ADITIVOS%20NO%20PROCESSO%20ROTARY%20KILNS%20%E2%80%93%20ELECTRIC%20FURNACES.pdf
https://www.artigos.entmme.org/download/2013/pirometalurgia-pyrometallurgy/2438%20-%20SOUZA,%20B.F.-%20INFLU%C3%8ANCIA%20DOS%20DIFERENTES%20TIPOS%20DE%20MIN%C3%89RIOS%20PARA%20PRODU%C3%87%C3%83O%20DE%20FERRO%20N%C3%8DQUEL%20E%20O%20USO%20DE%20ADITIVOS%20NO%20PROCESSO%20ROTARY%20KILNS%20%E2%80%93%20ELECTRIC%20FURNACES.pdf
https://www.artigos.entmme.org/download/2013/pirometalurgia-pyrometallurgy/2438%20-%20SOUZA,%20B.F.-%20INFLU%C3%8ANCIA%20DOS%20DIFERENTES%20TIPOS%20DE%20MIN%C3%89RIOS%20PARA%20PRODU%C3%87%C3%83O%20DE%20FERRO%20N%C3%8DQUEL%20E%20O%20USO%20DE%20ADITIVOS%20NO%20PROCESSO%20ROTARY%20KILNS%20%E2%80%93%20ELECTRIC%20FURNACES.pdf
https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/31686/3/Disserta%C3%A7%C3%A3o%20-%20Carac.%20Tec.%20de%20Min%C3%A9rio%20de%20N%C3%ADquel%20Later%C3%ADtico%20-%20CGGG%20%282%29.pdf
https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/31686/3/Disserta%C3%A7%C3%A3o%20-%20Carac.%20Tec.%20de%20Min%C3%A9rio%20de%20N%C3%ADquel%20Later%C3%ADtico%20-%20CGGG%20%282%29.pdf
https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/31686/3/Disserta%C3%A7%C3%A3o%20-%20Carac.%20Tec.%20de%20Min%C3%A9rio%20de%20N%C3%ADquel%20Later%C3%ADtico%20-%20CGGG%20%282%29.pdf
https://www.repositorio.ufop.br/bitstream/123456789/11878/1/DISSERTA%C3%87%C3%83O_Caracteriza%C3%A7%C3%A3oEsc%C3%B3rioFerro-N%C3%ADquel.pdf
https://www.repositorio.ufop.br/bitstream/123456789/11878/1/DISSERTA%C3%87%C3%83O_Caracteriza%C3%A7%C3%A3oEsc%C3%B3rioFerro-N%C3%ADquel.pdf
https://www.itv.org/wp-content/uploads/2021/09/TCC-Versao-final-FLAVIO-CRUZ-CARACTERIZACAO-TECNOLOGICA-DAS-ESCORIAS-ORIUNDAS-DO-PROCESSO-DE-REFINO-DA-LIGA-FeNi-NA-UNIDADE-OPERACIONAL-ONCA-PUMA.pdf
https://www.itv.org/wp-content/uploads/2021/09/TCC-Versao-final-FLAVIO-CRUZ-CARACTERIZACAO-TECNOLOGICA-DAS-ESCORIAS-ORIUNDAS-DO-PROCESSO-DE-REFINO-DA-LIGA-FeNi-NA-UNIDADE-OPERACIONAL-ONCA-PUMA.pdf
https://www.itv.org/wp-content/uploads/2021/09/TCC-Versao-final-FLAVIO-CRUZ-CARACTERIZACAO-TECNOLOGICA-DAS-ESCORIAS-ORIUNDAS-DO-PROCESSO-DE-REFINO-DA-LIGA-FeNi-NA-UNIDADE-OPERACIONAL-ONCA-PUMA.pdf
https://www.itv.org/wp-content/uploads/2021/09/TCC-Versao-final-FLAVIO-CRUZ-CARACTERIZACAO-TECNOLOGICA-DAS-ESCORIAS-ORIUNDAS-DO-PROCESSO-DE-REFINO-DA-LIGA-FeNi-NA-UNIDADE-OPERACIONAL-ONCA-PUMA.pdf
http://redeetec.mec.gov.br/images/stories/pdf/eixo_ctrl_proc_indust/tec_metal/siderurgia/161012_siderurgia.pdf
http://redeetec.mec.gov.br/images/stories/pdf/eixo_ctrl_proc_indust/tec_metal/siderurgia/161012_siderurgia.pdf
https://www.metals-hub.com/pt/blog/nickel-metal-vs-ferronickel-for-the-production-of-
ferrous-alloys/ 
https://www.equilibriumtrix.net/refino/forno_eletrico_acs_rev4.pdf 
https://www.indexmundi.com/pt/pre%E7os-de-mercado/?mercadoria=n%C3%ADquel 
BUNJAKU, M. K., P. TASKINEN, L. HOLAPPA. Thermal behaviour of hydrous nickel-
magnesium silicates when heating up to 750°C. Mineral Processing and Extractive 
Metallurgy v. 120, p. 139-146, 2011. 
AGATZINI-LEONARDOU, S.; ZAFIRATOS, I. G. Beneficiation of a Greek serpentinic 
nickeliferous ore Part II. Sulphuric acid heap and agitation leaching. Hydrometallurgy, v. 
74, n. 3–4, p. 267-275, 2004. ISSN 0304-386X. Disponível em: < 
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304386X04001100 >. 
 
 
 
 
https://www.metals-hub.com/pt/blog/nickel-metal-vs-ferronickel-for-the-production-of-ferrous-alloys/
https://www.metals-hub.com/pt/blog/nickel-metal-vs-ferronickel-for-the-production-of-ferrous-alloys/
https://www.equilibriumtrix.net/refino/forno_eletrico_acs_rev4.pdf
https://www.indexmundi.com/pt/pre%E7os-de-mercado/?mercadoria=n%C3%ADquel