Metal na engenharia

Prévia do material em texto

MATERIAIS 
 
Os materiais competem entre si por mercados novos e por aqueles já existentes. Depois de 
certo tempo, muitos fatores emergem e tornam possível a substituição de um material por 
outro em certas aplicações. O custo é um fator, outro fator é o desenvolvimento de novos 
materiais com propriedades específicas para curtas aplicações. A figura mostra concorrência 
entre importantes materiais. 
 
 
 
 
Os materiais estão internamente ligados à existência e a evolução da espécie humana. Desde o 
inicio da civilização, os materiais e a energia são usados com o objetivo de melhorar o nível de 
vida do ser humano. A produção e transformação de materiais em bens acabados constitui 
uma das mais importantes atividades de uma economia moderna. 
 
 
 
 
METAIS DE ENGENHARIA 
A parte do nosso ambiente que constitui a terra sólida abaixo de nossos pés é chamada de 
litosfera. A litosfera fornece a maioria dos materiais que usamos para nos alimentar, nos 
vestir, nos abrigar e nos entreter. 
Apesar da grande parte da terra ser sólida, temos acesso a uma minúscula região e com isso 
muito dos metais mais uteis não são abundantes na porção da litosfera na qual temos acesso. 
Os depósitos que contém metais em quantidades economicamente exploráveis são 
conhecidos como minérios. Normalmente, os compostos de elementos que desejamos devem 
ser separados de uma grande quantidade de material não desejado e processados 
quimicamente para torna-los uteis. 
Principais Fontes Minerais de Alguns Metais Comuns: 
 
METAL MINERAL COMPOSIÇÃO 
Alumínio Bauxita Al2O3 
Cromo Cremita FeCr2O4 
Cobre Calcocita 
Calcopurita 
Malaquita 
Cu2S 
CuFe2 
Cu2CO3 (OH) 2 
Ferro Hematita 
Magnetita 
Fe2O3 
Fe3o4 
Chumbo Galina PbS 
Manganês Perolusita MnO2 
Titânio Rutilo T : O2 
Zinco Esfarelita ZnS 
 
 
Comercialmente, as fontes mais importantes de metais são os minerais de óxidos, sulfetos e 
carbonatos. Os minerais de silicato são muito abundantes, mas geralmente são difíceis de 
concentrar e reduzir, dessa forma, a maioria dos silicatos não são fontes econômicas de 
metais. 
 
 
 
 
 
 
METALURGIA 
 
Metalurgia é a ciência e a tecnologia de extração de metais a partir de suas fontes naturais e 
de sua preparação para uso prático. Envolve várias etapas: 
1 – Mineração 
2 – Concentração de Minério 
3 – Redução do minério para obtenção do metal livre 
4 – Refinamento ou purificação do metal 
5 – Mistura do metal com outros elementos para modificar suas propriedades 
 
Pirometalurgia: é o uso do calor em altas temperaturas para fazer um grande número de 
processos metalúrgicos para alterar o mineral quimicamente e reduzi-lo a metal livre. 
Hidrometalurgia: As operações pirometalurgicas necessitam de grandes quantidades de 
energia e geralmente são uma fonte de poluição atmosférica. Uma alternativa é a extração do 
metal por meio de reações aquosas. 
Eletrometalurgia: Muitos processos usados para reduzir minerais são baesados na eletrólise. 
Os processos eletrometalurgicos podem ser muito diferenciados de acordo com o fato de 
envolver eletrolise de sal fundido ou de solução aquosa. Os métodos eletrolíticos são 
importantes para obtenção de metais mais ativos como Na, Mg, Al. Esses metais não podem 
ser obtidos a partir de soluções aquosas porque a água é reduzida mais facilmente que íons 
metálicos. 
 
FERRO 
Esse é o metal mais utilizado entre os metais e é o quarto elemento mais abundante da crosta 
terrestre, sendo sua quantidade menos apenas do que O, Si, Al. O Ferro existe em solução 
aquosa nos estados de oxidação +2 (ferroso) ou +3 (férrico). 
A idade do Fe começou quando o homem aprendeu a utilizar o carvão formado na combustão 
da madeira para extrair o ferro de seus minérios, e a usar o metal para fabricar ferramenta e 
implementos. A revolução industrial começou em 1773 na Inglaterra, quando Abraham Derby 
desenvolveu processo de obtenção do ferro que utilizava coque no lugar de carvão vegetal. É 
muito mais barato e fácil de obter coque a partir do carvão mineral que obter carvão vegetal 
pela combustão incompleta da madeira. Com isso, aumentou–se a disponibilidade de Ferro e 
reduziu-se seu preço, tornando-se possível a construção de pontes, navios e trilhos. 
O Ferro é obtido a partir de seus óxidos num alto-forno. O alto-forno é basicamente um reator 
químico enorme capaz de operação continua, que quando aperando com capacidade total 
produz até dez mil toneladas de ferro por dia. 
 
MINÉRIO, COQUE E CALCÁRIO 
 
 
 
Pelo topo é alimentado com 
minério de ferro, um agente 
redutor (coque) e substancias 
formadoras de escória 
(carbonato de cálcio). 
A quantidade de CaCo3 varia em 
função da quantidade de silicatos 
presentes nos minérios. 
 
 
*Calcário: É a fonte de CaO, que reage com silicatos e outros componentes para formar 
escória. 
*Coque: É o carvão aquecido na ausência de ar para eliminar os componentes. Tem 
aproximadamente 85 – 90% de carbono e serve como combustível, produzindo calor na 
medida que é queimado na parte mais baixa do forno. É a fonte das fases redutores de CO e 
H2. 
*Ar Quente: entra no alto-forno na base após o pré-aquecimento, também é importante 
matéria – prima, ele é necessário para combustão do coque, produzindo CaBr e CO. 
- A temperatura do forno é cerca de 2000ºC no ponto de entrada de ar, mais é cerca de 
1500ºC no fundo e apenas 200ºC no topo. 
- O Oxido de FE é reduzido a Fe principalmente pelo CO. 
- O ponto de fusão do ferro puro é 1535ºC; 
- O ferro fundido é coletado pela base do alto-forno. 
- As impurezas reduzem o ponto de fusão do ferro. 
 
 
 
 
REAÇÕES ENVOLVIDAS 
 
Reações Globais (ocorrem em diversas etapas em diversas temperaturas) 
 
3C+Fe2O3  4Fe + 3CO2 
CaCO3+ SiO2  CaSiO3+ CO2 
 
2C(s)+ O2 (g)  2CO(g) 
C(s) + H2O  CO(g) + H2 (g) 
Ocorrem a 200ºC 
 
3Fe2O3+ CO  2Fe3O4+ CO2 
Fe3O4+CO  3FeO+CO2 
Ocorrem a 400ºC 
 
2CO C+CO2 
Ocorrem a 500ºC e 600ºC 
 
CaCO3CaO+CO2 
Ocorre a 900ºC 
 
FeO+CO Fe+CO2 
CO2+C 2CO 
Ocorrem a 1000ºC 
 
CaO+SiO2 CaSiO3 
FeS+CaO+CFe+CaS+CO 
MnO+CMn+CO 
SiO2+2CSi+2CO 
Ocorrem a 1800ºC 
 
A elevada temperatura do forno decompõem o CaCO3 a CaO que então reage com todos os 
silicatos presentes (tais como areia e argila), formando escoria. A escoria também se encontra 
no estado fundido e escoa para o fundo. A escoria flutua sobre o ferro fundido protegendo-o 
da oxidação. 
A escoria é usada como material de conservação, por exemplo, na fabricação de cimento e 
blocos pré-fabricados. 
Propriedades do Fe (Ferro Puro): 
-Cor prateada 
-Bastante reativo 
-Finamente dividido é pirofórico. 
-Ar seco tem pouco efeito sobre o ferro. 
-Ar úmido facilmente oxida o metal ao oxido de ferro (ferrugem). 
-O ferro se dissolve em ácidos não oxidantes. 
-Na presença de ácidos oxidantes leva-se a Fe³+ 
-Não reage na presença de NaOH diluído , mas é atacado com NaOH concentrado. 
 
Enferrujamento 
O enferrujamento é um caso particular de corrosão, sendo de grande interesse prático. 
A-) Os átomos de Fe são convertidos em íons Fe²+ e elétrons: Fe Fe²(+) + 2e(-) 
B-) Esses elétrons se movem para um metal mais nobre que pode estar presente como 
impureza ou contato. 
C-) Os e(-) reduzem os íons H(+) presentes na H2O, formando hidrogênio, que reage com 
oxigênio atmosférico formando H2O 
2H(+)+ 2e(-)  2H H2O 
 
Sequencialmente os íons Fe²+ são oxidados a Fe³+ formando FeO(OH), Fe2O3 ou Fe3O4.Caso o 
oxido não formar uma película protetora aderente, o metal continuasendo corroído. Para 
prevenir a corrosão O2, H2O e impurezas devem ser excluídos. Na prática, o ferro recebe um 
revestimento protetor para impedir o acesso de H2O.