Introdução aos Processos Metalúrgicos - 2ª aula

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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.
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
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.
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
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
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
BREVE HISTÓRICO
• Rápidos progressos nas áreas de 
Termodinâmica Geral e Química → Gibbs (1852-
1911), Van´t Hoff (1852-1911), Helmholtz (1821-
1894), 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 
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
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.
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
BREVE HISTÓRICO
• A. Volsky
 equilíbrio químico em fundidos
 teoria física e química das principais técnicas 
de fundição utilizadas em metalurgia de não-
ferrosos
 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 
Smelting Techniques (1943) 
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
CLASSIFICAÇÃO INDUSTRIAL DE METAIS 
(segundo Volsky)
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) 
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
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.
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
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
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
CLASSIFICAÇÃO DOS MINÉRIOS
• Segundo sua estrutura heterogênea e 
composição pelos seguintes minerais:
 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 terras-
raras associados a chumbo ou zinco
 ganga, que não tem metal de valor → 
quartzo, silicatos, alumino-silicatos
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
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
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
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
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
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
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.
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
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.
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 materiaissólidos 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
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
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
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS
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.
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) 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.)
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.)
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
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