Metalurgia Extrativa e Siderurgia Tomo I - Alunos pdf

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Universidade Federal de Campina Grande 
Centro de Ciências e Tecnologia 
Unidade Acadêmica de Engenharia Mecânica 
Metalurgia Extrativa e Siderurgia 
Tomo I 
 
 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos 
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Metalurgia Extrativa e Siderurgia 
1. Introdução; 
2. Operações de Beneficiamento de 
Minérios; 
3. Processos Pré-extrativos; 
4. Processos de Extração e Refino; 
5. Processos Siderúrgicos; 
6. Metalurgia de Metais Não-ferrosos. 
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1. INTRODUÇÃO 
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1. INTRODUÇÃO 
1.1. Ocorrência dos Metais; 
1.2. Histórico da Siderurgia; 
1.3. A Metalurgia no Brasil. 
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1.1 OCORRÊNCIA DOS METAIS 
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1.1 Ocorrência dos Metais 
A Crosta Terrestre e sua 
Pobreza Metálica. 
1. Metais – Compostos e 
nativos; Óxidos e sulfetos. 
2. Recursos naturais não 
renováveis – Crosta terrestre 
– Figura 1.2. 
3. Estudo de F. W. Clark e H. S. 
Washington – Tabela 1.1. 
4. A Extração dos Metais; 
5. Tabelas 1.4 e 1.6. 
 
6 
1.1 Ocorrência dos Metais; 
1.2 Histórico da Siderurgia; 
1.3 A Metalurgia no Brasil. 
A Crosta Terrestre e sua 
Pobreza Metálica. 
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A Crosta Terrestre e sua Pobreza Metálica. 
A Extração dos Metais 
1. Tipos de minérios: 
1. De valor primário – Tipos de composto metálico: 
óxidos; sulfetos; carbonatos, sulfatos e 
silicatos; arsenetos e cloretos – Nativos: ouro, 
platina, mercúrio, cobre e ferro; 
2. De valor secundário; 
3. Sem valor comercial. 
4. Tabelas 1.8, 1.9 e 1.10. 
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1.2 HISTÓRICO DA SIDERURGIA 
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1.2 Histórico da Siderurgia 
1.Origem remota. – 
Meteoritos, fogueiras. 
Sidus significa estrela 
ou astro em latim. 
2.Contas de ferro no Egito. 
3.Barras de ferro em Ur. 
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1.1 Ocorrência dos Metais; 
1.2 Histórico da Siderurgia; 
1.3 A Metalurgia no Brasil. 
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Histórico da Siderurgia 
Porta da cidade de Ur. 
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4. O s I m p é r i o s 
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5. Portões da Babilônia. – 
Nabucodonosor. – Cobre e 
ferro. 
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Porta de Ishtar 
na Babilônia 
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6. A Idade do Bronze – Figura 1. 
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7. Primeira indústria de ferro apareceu entre os Hititas. – 
Figura 1.1. Mistura de minério e carvão era aquecida 
dentro de um buraco no solo. A massa pastosa obtida era 
batida para desprender as impurezas e escórias e depois 
era forjada 
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8. Amuleto e punhal (Figura 1.4) encontrado na tumba de 
Tutankamon. 
 
9. O instrumento para a produção do ferro se aperfeiçoa e 
evolui até se tornar uma espécie de forno semi-enterrado 
no qual se colocava, em camadas, minério de ferro e 
carvão vegetal, de acordo com os princípios aplicados 
pelos Hititas nos fornos primitivos. A temperatura atingia 
os 1000
0
C – 12000C. 
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10. Coluna de ferro em 
Nova Delhi (Sete 
metros de altura e sete 
toneladas de peso). 
 
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11. Os gregos prendiam com grampos de ferro as 
pedras do Parthenon para evitar que elas 
escorregassem. 
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12. Fornos primitivos. 
 – Figuras I/1 e 1.2. 
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13.O deus ferreiro. 
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14. Tempera em água na Odisséia. – “Usei toda a minha força para trazê-lo 
para a posição certa, como quem perfura os costados de um navio com 
uma furadeira... Fizemos mais ou menos a mesma coisa com o nosso 
bastão de ponta aquecida e o enfiamos em seu olho até que o sangue 
fervesse em torno da madeira em chamas. A fumaça ardente do globo 
ocular em fogo chamuscava as suas pálpebras e sobrancelha e as próprias 
raízes do seu olho crepitavam com o calor. Lembrei-me do assobio alto que 
é produzido por um machado grande ou por uma enxó quando o ferreiro o 
mergulha em água fria – para temperá-lo e dar força ao ferro. Foi assim 
que o olho do Ciclope assobiou em volta daquela estaca de oliveira.” 
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15. Aristóteles. – Método 
de produção. 
16. Plínio, o velho. – 
Tratamento de 
minério e métodos de 
tempera em água e 
óleo. 
17. Inglaterra (400 a.C.) – 
Fornos de lupa. – 
Figura I/2. 
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18. Forja Catalã (até o sec. XV) – Foles manuais e 
trompa d’água (Figuras I/3 e I/4) e Servos e junta 
de cavalos (Figura I/5). 
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19. Fornos maiores. – Rodas d’água 
(Figuras I/6, I/7 e I/8). 
20. Agrícola, um mineralogista alemão, 
relaciona, desenha, escreve, explica: 
De Re Metallica (1556) ensina os 
homens a servir-se dos metais e do 
ferro. Ela será reeditada durantedois 
séculos em toda a Europa. 
21. 1708/1709. – Coque, produzido por 
Abraham Darby na Inglaterra. 
22. René-Antoine Ferchault de Reaumur 
(1683-1757) entrevê os princípios da 
siderurgia moderna. 
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2. OPERAÇÕES DE BENEFICIAMENTO 
DE MINÉRIOS 
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2. Operações de Beneficiamento de 
Minérios 
Operações unitárias: 
2.1 Fragmentação do Minério Bruto; 
2.2 Classificação do Minério Fragmentado; 
2.3 Concentração do Minério Classificação; 
2.4 Processos pré-extrativos. 
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Etapas da extração do 
minério 
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Beneficiamento de Minérios 
1. Operações: 
1. Fragmentação do minério bruto; 
1. Etapas: 
1. Britagem. 
2. Trituração. 
3. Moagem. 
4. Pulverização. 
2. Classificação; 
1. Operações: 
1. Peneiramento do minério 
fragmentado. 
2. Sedimentação em meio fluido. 
3. Concentração; 
1. Operações: 
1. Flotação. 
2. Separação gravitacional. 
3. Separação magnética. 
4. Separação eletrostática. 
5. Espessamento e filtragem. 
6. Limpeza gasosa. 
 
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2.1 Fragmentação; 
2.2 Classificação; 
2.3 Concentração. 
Objetivos: Separação da ganga, Concentrar o composto 
metálico, melhorar a morfologia. 
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2.1 Fragmentação do minério bruto 
1. Objetivo 
1. Reduzir paulatinamente o tamanho médio dos blocos 
iniciais, sem ainda separar significativamente a ganga 
ou concentrar o minério primário. Tabela 2.1. 
2.1 Fragmentação; 
2.2 Classificação; 
2.3 Concentração. 
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Britagem – Figuras 2.1 e 2.2. 
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Trituração – Figuras 2.3 e 2.4. 
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Moagem – Figura MC15. 
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Pulverização – Figuras 2.6 e 2.7. 
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2.2 Classificação 
Objetivo. 
Separação de acordo 
com as dimensões dos 
fragmentos 
Operações: 
Peneiramento do minério fragmentado. 
– Figura 2.8. 
Sedimentação em meio fluido. – Figura 
2.9. 
2.1 Fragmentação; 
2.2 Classificação; 
2.3 Concentração. 
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2.3 Concentração 
Objetivo. 
Separação de acordo com as 
diferenças de propriedades 
físicas. 
Operações: 
Flotação – Tensão 
superficial. Figuras 2.10 e 
2.11. 
2.1 Fragmentação; 
2.2 Classificação; 
2.3 Concentração. 
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Separação gravitacional – Diferença de densidade. 
Separação magnética – Propriedades magnéticas. Figura 2.12. 
Separação eletrostática – Condutividade elétrica. Figura 2.13. 
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Espessamento e filtragem – Suspensão na água. Figuras 
2.14 e 2.15. 
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Limpeza gasosa – Suspensão 
no ar. Figuras 2.16 e 2.17. 
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2.4 PROCESSOS PRÉ-EXTRATIVOS 
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2.4 Processos pré-extrativos 
2.4.1 Secagem; 
2.4.2 Desidratação; 
2.4.3 Calcinação; 
2.4.4 Tostação ou Ustulação; 
2.4.5 Aglomeração. 
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Processos Pré-extrativos 
1. Objetivos. 
1. Aumento e otimização da concentração do composto metálico no 
minério. – Envolvem reações químicas mas não isolam o metal de 
interesse. – Elo de ligação entre o beneficiamento e a extração do metal. 
2. Principais Processos: 
1. Secagem – Eliminar a umidade do minério (T  1000C). – Estufa – Corrente 
gás quente de combustão circula em meio a um leito pouco espesso de 
minério beneficiado. Pás giratórias podem “varrer” este leito de forma a 
acelerar o processo. 
2. Desidratação – Retirar a água de hidratação de minérios hidratados – T  
700-800
0
C – limonita (Fe
2
O
3
H
2
O) – bauxita (Al
2
O
3
H
2
O). 
3.1 Secagem; 
3.2 Desidratação; 
3.3 Calcinação; 
3.4 Tostação ou Ustulação; 
3.5 Aglomeração. 
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3. Calcinação – Decompor 
carbonatos metálicos 
por dissociação direta, 
produzindo óxido 
metálico e gás 
carbônico. Forno-cuba 
ou forno chaminé. – 
Coque e carbonato. O 
ar é injetado por baixo 
(contra corrente) – 
Figura 4.1. 
52 
3.1 Secagem; 
3.2 Desidratação; 
3.3 Calcinação; 
3.4 Tostação ou Ustulação; 
3.5 Aglomeração. 
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4. Tostação ou Ustulação – 
Oxidação de sulfetos 
metálicos. Geralmente 
utiliza oxigênio do ar. 
Objetivo: produzir óxido 
metálico correspondente e 
dióxido de enxofre. Dióxido 
de enxofre – matéria prima 
na produção de ácido 
sulfúrico (H
2
SO
4
). 
Temperatura de ustulação: 
700-900
0
C. Reação 
exotérmica. Realizada em 
fornos de leito fluidizado. – 
Figura 4.2. Processo 
preparatório de diversos 
minérios metálicos à base 
de sulfetos – minério de 
zinco, chumbo e cobre). 
53 
3.1 Secagem; 
3.2 Desidratação; 
3.3 Calcinação; 
3.4 Tostação ou Ustulação; 
3.5 Aglomeração. 
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5. Existem vários processos 
de Aglomeração. Aqui 
limitar-nos-emos aos 
processos de sinterização 
e de pelotização. 
 
5.1 Aglomeração por sinterização – 
Consiste em dar ao minériouma 
morfologia macroscópica adequada 
para permitir um elevado 
rendimento no processo final de 
extração e manuseio eficiente, sem 
perdas de finos de minérios. 
Consiste, dentre outros 
constituintes, de mistura de 5% de 
coque e 10% de água ao minério. 
Figuras 4.3, 4.4 e 4.5. 
3.1 Secagem; 
3.2 Desidratação; 
3.3 Calcinação; 
3.4 Tostação ou Ustulação; 
3.5 Aglomeração. 
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Processo de Sinterização 
Sinteres são aglomerados de forma 
irregular e esponjosa formados por 
meio de uma combustão forçada 
(sinterização) de um combustível 
previamente adicionado à mistura 
(finos minério de ferro; fundentes – 
calcário, areia; combustível – finos de 
coque; aditivos – corretivo de 
características para aproveitamento de 
resíduos de recirculação). 
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Tecnologia criada com o objetivo de 
aproveitar minérios finos (quantidade 
crescente no mundo) e resíduos 
industriais. 
 
A sinterização atual visa basicamente 
elaborar uma carga de altíssima 
qualidade para o alto forno. 
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Forno de 
ignição Alimentador 
Chaminé 
Exaustor Caixa de 
Despoeiramento 
Tambor de 
mistura 
A B C D E F 
Silos de 
armazenagem 
INSUMOS 
Finos de retorno 
Finos de minério 
Coque 
Calcário 
Pó de alto forno 
Fragmentação do 
bolo de sinter 
Peneiramento a 
quente 
Sinter 
Peneiramento a 
frio Finos de retorno 
Resfriador 
rotativo 
Processo de Sinterização 
Máquina de sinterização 
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Processo de Sinterização 
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5.2 Processo de Pelotização 
Pelotas são aglomerados de forma esférica formados pela 
pelotização de minérios finos com o auxílio de aditivos 
seguido por um endurecimento a frio ou a quente. 
 
Os aditivos geralmente utilizados são: fundentes (calcário, 
dolomita), aglomerantes (bentonita, cal hidratada) e 
combustível sólido (antracito) 
 
Existem basicamente dois tipos de pelotas: 
1. PAF: Pelotas para Alto Forno; 
2. PRD: Pelotas para Redução Direta. 
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Processo de Pelotização 
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4. PROCESSOS DE EXTRAÇÃO E 
REFINO 
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Etapas da extração do minério 
1. Classificação dos processos de redução: 
1. Quanto à natureza físico-química. 
1. Hidrometalúrgicos; 
2. Eletrometalúrgicos; 
3. Pirometalúrgicos; 
1. Siderúrgicos. 
2. Quanto ao funcionamento. 
1. Intermitentes; 
2. Contínuos. 
 
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4. Processos de Extração e Refino 
4.1 Processo Hidrometalúrgico; 
4.2 Processo Eletrometalúrgico; 
4.3 Processo Pirometalúrgico. 
 
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Processos de Extração e Refino 
1. Métodos básicos usados: 
1. Reagir o composto metálico MX com um agente redutor R, 
cuja afinidade química pelo radical X seja maior do que a do 
metal M. 
MX + R  RX + M 
1. Ex: Redução da wustita pelo carbono a 1000
0
C. FeO + C  
Fe + CO. 
 
2. Dissolver o composto metálico MX em um solvente adequado 
(que pode ser uma solução aquosa ou sal fundido) e formar 
uma solução eletrostática, a qual se submete a uma eletrólise. 
MX  M+ + X- 
1. Ex: Redução do sulfato de cobre – CuSO
4
 - (obtido a partir 
da malaquita Cu
2
CO
3
.H
2
O), por meio da eletrólise em 
solução aquosa 
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4.1 Processos Hidrometalúrgicos 
1. Chamados de processos “úmidos” de extração. - 
Minério é de baixo teor. Dispensa matérias 
primas de alto custo como combustível, 
fundentes e refratários (piro) e a energia 
elétrica (eletro). - Dissolução do minério em 
algum tipo de solvente que pode ser reciclado 
para uso posterior. Ex: ácido sulfúrico diluído 
em grandes quantidades de água. 
 
2. Envolvem grandes volumes de minério, grandes 
tanques e unidades custosas. 
4.1 Processo Hidrometalúrgico; 
4.2 Processo Eletrometalúrgico; 
4.3 Processo Pirometalúrgico. 
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1. Etapas do Processo: 
1. Lixiviação – Solução do minério com um solvente adequado 
1. Percolação – o solvente (ácido diluído) é vertido sobre o 
minério 
2. Agitação – o minério é vertido no tanque com o solvente 
e continuamente agitado 
2. Lavagem do minério lixiviado 
3. Clarificação do minério lavado, por meio de alguma 
operação de sedimentação e/ou filtragem 
4. Precipitação (ou extração) do metal desejado a partir da 
solução clarificada. 
1. Eletroliticamente 
2. Troca química (reação química) – cementação  troca 
química por outro metal menos nobre. Ex: CuSO
4
+ Fe  
FeSO
4
 +Cu 
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4.2 Processos Eletrometalúrgicos 
1. Utilizados na extração e no refino de 
metais não ferrosos toda vez que os 
processos pirometalúrgicos mostram-se 
pouco eficientes e, particularmente, onde a 
energia elétrica é barata e abundante. 
 
2. Processo básico da eletrometalurgia – 
dissolução do metal numa cuba eletrolítica 
(célula eletrolítica) contendo um condutor 
iônico denominado “eletrólito”. 
4.1 Processo Hidrometalúrgico; 
4.2 Processo Eletrometalúrgico; 
4.3 Processo Pirometalúrgico. 
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Metal – íons metálicos – submetido a um campo elétrico 
através de dois eletrodos imersos no eletrólito. Íons 
positivos (cátions) são atraídos para o eletrodo negativo 
(catodo) onde captam elétrons e se depositam sob a forma 
de átomos neutros. Figura 5.11. 
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Processos Eletrometalúrgicos- 
Continuação 
1. Os metais reativos – não podem ser 
extraídos pela eletrólise de soluções 
aquosas pois deslocam o hidrogênio da 
solução. Sais iônicos fundidos podem ser 
eficientemente utilizados como 
eletrólitos, particularmente cloretos e 
fluoretos, fundidos a temperaturas da 
ordem de 800
0
C. 
2. Os metais pouco reativos – pode ser 
usados soluções aquosas de seus sais. 
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1. Refino eletrolítico em soluçõesaquosas – Um anodo impuro do metal 
desejado e dissolvido eletroliticamente 
em uma solução eletrolítica e o metal 
puro passa a ser depositado no catodo. 
As impurezas mais nobres se 
depositam perto do anodo (lama 
anódica); as impurezas menos nobres 
permanecem em solução. 
 
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4.3 Processos Pirometalúrgicos 
Processos de extração realizados em 
temperatura notadamente acima da 
temperatura ambiente devido a 
diminuição da estabilidade química dos 
compostos metálicos – Realizados em 
fornos ou reatores. Calor é fornecido por 
combustão (ou outra reação nitidamente 
exotérmica), ou pela transformação de 
energia elétrica em energia térmica. 
4.1 Processo Hidrometalúrgico; 
4.2 Processo Eletrometalúrgico; 
4.3 Processo Pirometalúrgico. 
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Escórias e fundentes estão presentes no 
processo devido as elevadas 
temperaturas envolvidas. 
As escórias são misturas de óxidos em 
fusão. 
Os fundentes são adicionados à escória 
com o objetivo básico de formar uma 
liga de óxidos que apresente baixas 
temperaturas de transformação. 
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Escórias 
1. Funções da Escória: 
1. Proteger e isolar termicamente o banho 
metálico, aumentando o rendimento térmico do 
processo; 
2. Receptor da ganga e de outras impurezas que 
acompanham o composto metálico no minério; 
3. Receptor de impurezas indesejáveis que ainda 
acompanham o metal após sua extração. 
 
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2. Características da Escória: 
1. Baixa viscosidade para que possa ser facilmente separada da 
superfície do banho metálico - Acelerar a transferência de 
massa na interface escória/banho; 
2. Fundir a uma temperatura (baixa) compatível com as 
temperaturas do processo ou banho metálico; 
3. Ter uma densidade menor que a do banho metálico, para que 
possa separar-se facilmente do mesmo; 
4. Ter composição e estrutura corretas para que possa dissolver 
a ganga e as impurezas do banho metálico. 
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Fundentes 
1. Fundentes (ou fluxos) são compostos utilizados 
para baixar o ponto de fusão e aumentar a fluidez 
(diminuir a viscosidade) da escória. Os fundentes 
mais comuns são constituídos de óxidos, 
carbonatos, nitratos, fluoretos e boratos que 
podem ser classificados como ácidos, básicos ou 
neutros. 
1. Ácidos – sílica (SiO
2
), Alumina (Al
2
O
3
). 
2. Básicos – cal (CaO), calcário (CaCO
3
), óxido de ferro 
 (Fe
2
O
3
 ou Fe
3
O
4
), dolomita (MgCO
3
CaCo
3
), 
 soda (Na
2
CO
3
), nitrato (NaNO
3
) 
1. Neutros – fluorita (CaF
2
), bórax (Na
2
B
4
O
7
). 
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Processos Pirometalúrgicos 
Redução Direta de Óxidos 
1. Grande número de metais é extraído de minérios à 
base de óxido. Ex: Fe, Mn, Cr, Sn etc. Muitos minérios 
à base de sulfetos são reduzidos a óxidos, por 
ustulação antes da extração. Ex. Zn e Pb. 
 
2. Os óxidos metálicos necessitam de um agente 
redutor (R), cujo óxido apresenta maior estabilidade 
química que o óxido metálico (MO). 
1. MO + R  RO + M. exemplos no livro 
 
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Agentes Redutores: 
1. Alumínio – redutor de óxido – reação 
aluminotermia – notavelmente exotérmica. Ex: 
redução de óxido de cromo por aluminotermia 
a 1.200
0
C. 
2.Hidrogênio – redutor de óxido de baixa e 
média estabilidade – reação hidrogenação. 
Ex: redução do óxido de tungstênio para a 
produção de W metálico esponjoso. 
3.Carbono – extremamente eficiente e 
largamente usado na redução de diversos 
óxidos metálicos. Ex: ferro. 
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1. O carbono, sob a forma de 
coque metalúrgico, é um 
material da maior 
importância na metalurgia 
extrativa, não só como 
principal agente redutor, 
mas também como 
combustível. – Figura 5.5. 
 
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Processos Pirometalúrgicos 
1. Redução Direta de Óxidos. 
1. Processos Siderurgicos. 
2. Redução de Sulfetos por Escorificação 
e Conversão. 
3. Redução Indireta de Óxidos por 
Halogenação. 
4. Processos de Refino a Fogo. 
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Processos Pirometalúrgicos 
Redução de Sulfetos por Escorificação e Conversão 
1. Óxidos líquidos (escória) e sulfetos líquidos (mate) são 
imiscíveis. - Baixa viscosidade (alta fluidez) e uma diferença 
sensível de densidade. 
2. A redução de minérios a base de sulfeto é feita em duas 
etapas: 
1. Escorificação – separação do óxido e do sulfeto. 
2. Conversão – Injeção de oxigênio (ar) no banho líquido do metal 
sulfuroso no conversor, provocando-se a reação de quebra ou 
redução do sulfeto e obtendo-se o metal desejado (oxidação). 
1. MS + O
2
  SO
2
 + M 
3. Ex: extração do cobre  minério bruto 1 a 2% Cu  
beneficiado 20 a 30% Cu  escorificado 40 a 50% Cu  após 
conversão  98% Cu (denominado cobre-blister). Figuras 5.6, 
5.7 e 5.8. 
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Processos Pirometalúrgicos 
Redução Indireta de Óxidos por Halogenação 
1. Utilizado para óxidos que apresentam estabilidade química 
relativamente alta, não possibilitando, em termos econômicos, a sua 
redução direta, particularmente considerando-se o carbono como 
agente redutor. É o caso dos óxidos de metais refratários (elevado 
ponto de fusão) como titânio, urânio, tungstênio, nióbio, etc.). 
 
2. O método mais indicado nesses casos é utilizar um halogênio (A) e 
halogenar o óxido (MO), geralmente em presença do carbono e obter 
um halogeneto do metal em questão (MA). 
 
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2COMACAMO
T 
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1. O halogeneto assim produzido poderá ser, então, 
convenientemente reduzido por um agente redutor 
(R). 
 
o Ex: Titânio 
 
 
 
o Cl – halogênio / Mg – redutor 
2. Obtém-se titânio na forma de esponja sólida - 
britada e refundida em fornos a vácuo - lingotes. 
Figuras 5.9 e 5.10. 
MRARMA
T 
TiMgClMgTiCl
COTiClCClTiO
C
C


2
850
4
24
500
22
22
2
0
0
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Processos Pirometalúrgicos – 
Processos de Refino a Fogo 
1. Processos pirometalúrgicos de refino 
de metais recém-extraídos. 
Constituindo-se basicamente na 
oxidação das impurezas, geralmente 
obtida por meio de sopragem do ar em 
meio ao banho fundido do metal 
extraído. 
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BIBLIOGRAFIA 
1. Departamento de Ciência dos Materiais e 
Metalurgia – PUC, Rio 
2. Campos Filho, M. Prates, Introdução à 
Metalurgia Extrativa e Siderurgia, 
Lec./Funcamp, 1981. 
3. Chiaverini, V., Tecnologia Mecânica vol. 
I, vol. II e vol. III, Ed. Makron Books do 
Brasil Ltda, 1986. 
4. Luiz Antônio Araújo - Siderurgia - 
Editorial Lema Ltda, 1967. 
88