AULA PROCESSAMENTO MINERAL I

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Processamento e Manufatura de Metais 1
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Aula 3
Siderurgia e Metalurgia
29/05/2013
Siderurgia:
Minérios metálicos. 
Processos de extração e refino. 
Processos siderúrgicos. 
Nucleação e solidificação dos metais. 
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Siderurgia
Transferência de Calor e Massa
3
Siderurgia 
versus
Metalurgia
4
Minérios Metálicos
Transferência de Calor e Massa
4
Metalurgia 
é o conjunto de técnicas que o homem desenvolveu com o decorrer do tempo que lhe permitiu extrair e manipular metais e gerar ligas metálicas.
Siderurgia 
é o ramo da metalurgia que se dedica à fabricação e tratamento de aços e ferros fundidos. 
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Siderurgia
Transferência de Calor e Massa
5
6
Siderurgia
Transferência de Calor e Massa
6
Siderurgia
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Transferência de Calor e Massa
7
8
Siderurgia
Transferência de Calor e Massa
8
Siderurgia
9
COKE
CRUSHED
SINTER
PELLETS
Siderurgia
Transferência de Calor e Massa
9
Alto-forno (Blast-Furnace)
Insumo:
Minério de Fe (Iron-ore), Coque (Coke), Calcário (limestone) e ar quente;
Metalurgia:
Reações químicas acontecem, o que causa aquecimento, redução e fusão;
Impurezas “boiam” no metal líquido;
Produto:
Ferro-gusa (Pig-Iron), que é transferido em carros-torpedo para os fornos de refino
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Siderurgia
Transferência de Calor e Massa
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Minério de Ferro
Hematita, Fe2O3;
Magnetita, Fe3O4;
Pirita, FeS2.
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Minérios Metálicos
Transferência de Calor e Massa
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Minério de Alumínio:
Diásporo, Al2O3.H2O;
Boehmita, Al2O3.H2O;
Gibbsita ou Hidrargita, Al2O3.H2O;
Quando há silicatos: Bauxita
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Minérios Metálicos
Transferência de Calor e Massa
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Minério de Cobre:
Bornita, Cu5FeS4;
Calcopirita, CuFeS2;
Calcosita, Cu2S;
Cuprita, Cu2O;
Malaquita, Cu2CO3.Cu(OH)2;
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Minérios Metálicos
Transferência de Calor e Massa
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Minério de Zinco:
Blenda, ZnS;
Minério de Estanho:
Cassiterita, SnO2;
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Minérios Metálicos
Transferência de Calor e Massa
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Chumbo – Galena, PbS;
Manganês – Pirolusita, MnO2;
Prata – Argentita, Ag2S;
Bário – Barita, BaSO4;
Berílio – Berilo, Be3Al2(SiO3)6;
Mercúrio – Cinábrio, HgS;
Cobalto– Cobaltita, (Co,Fe)AsS;
Nióbio e Tântalo – Columbita - Tantalita, (Fe,Mn)(Nb,Ta)2O3;
Cromo – Cromita, (Fe,Mg)Cr2O4;
Níquel – Pentlandita, (Fe,Ni)11S10 – Garnierita (Ni,Mg)SiO3.H2O;
Tungstênio – Volframita, (Fe,Mn)WO4 – Scheelita, CaWO4;
Urânio – Calaverita, AuTe2 – (pirita);
Titânio – Ilmenita, FeTiO3;
Vanádio – Patronita, VS4 – Vanadita, Pb5(VO4)3Cl e Carnotita, K5(UO2)3(VO4)2.H2O;
 Fluorita – CaF2.
Outros Minérios:
Minérios Metálicos
Transferência de Calor e Massa
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Ocorrência de minérios
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Minérios Metálicos
Minério
Brasil Res. [106t] (%)
Brasil - 2007Prod. [103t] (%)
Maiorocorr. [%]
País prod. [%]
Res./ Prod. Mun. [109t /106t]
Ferro
33233 (9,77)
354674 (18,67)
Ucrânia– 20
China – 31,58
340 /1900
Alumínio
3600 (12,74)
22900 (12,736)
Guiné – 25,4
Brasil – 12,74
33,85 / 194,4
Cobre
14284 (1,52)
205,7 (1,33)
Chile– 38,42
Chile – 35,92
0,937 / 15,471
Zinco
4,9 (1,02)
194 (1,85)
Aus– 20,75
China– 26,67
0,482 / 10,5
Estanho
0,746 (11,8)
12,596 (3,71)
China – 26,91
China – 39,75
0,632 / 0,353
Nióbio
- /(75)
57,3(95)
Brasil - 75
Brasil - 95
- / 0,06
Transferência de Calor e Massa
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Ocorrência de minérios no Brasil
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Minérios Metálicos
Minério
Estado
Ferro
Minas Geraise Pará
Cobre
Pará,Goiás e Bahia
Zinco
Minas Gerais
Estanho
Rondônia
Nióbio
Minas Gerais e Amazonas
Transferência de Calor e Massa
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Beneficiamento
Britagem/Moagem;
Ajustar o tamanho de partículas de acordo com o processo metalúrgico;
A classificação pode ser realizada a seco ou úmido.
Concentração;
Visa aumentar a concentração por meios magnéticos, densidade, gravimétrica, eletrostática ou flotação (mais utilizado)
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Minérios Metálicos
Transferência de Calor e Massa
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Britamento / moagem:
Sinterização e pelotização
Sinterização: minério com 0,15 a 8mm;
Pelotização : minério inferior a 0,15 mm.
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Minérios Metálicos
Transferência de Calor e Massa
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Reutilização por meio de sucata:
Impurezas nocivas:
Enxofre:
Eliminação exige condições de alta basicidade e redutora, o que é contraditório com a o que se tem no refino (condições oxidantes);
Cu e Ni, difícil eliminação por oxidação seletiva;
Metais de alta pressão de vapor são removidos pela corrente gasosa (Sb, As, Pb, Ca, e Hg) o que pode gerar dificuldades com os gases de exaustão.
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Minérios Metálicos
Transferência de Calor e Massa
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Reutilização por meio de sucata:
Impurezas nocivas:
Fósforo necessita de alta basicidade para sua remoção;
Alguns metais são toleráveis, a menos que haja restrições na aplicação (Al, Ti, Cr, V, Si, Mn e C).
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Minérios Metálicos
Transferência de Calor e Massa
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Minerais com características específicas:
Desoxidantes:
Fe-Si, Fe-Si-Mn, Al(aço);
Dessulfurantes
Cao, MgO;
Ligas-mães
Ferro-liga
Fe-Mn, Fe-Cr, Fe-Mo, Fe-Nb e Fe-Ni
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Minérios Metálicos
Transferência de Calor e Massa
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Matérias primas:
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Minérios;
Redutores;
Combustíveis;
Fundentes;
Sucatas;
Ferros-liga;
Desoxidantes;
Dessulfurantes;
Refratários.
Utilidades:
Água;
Oxigênio; 
Energia elétrica
Ainda referidas como “aciarias elétricas”
Sucatas;
Fundentes;
Ferros-liga;
Refratários;
Utilidades:
As mesmas, apenas com maior consumo de EE.
Siderurgia Integradas:
Siderurgia Semi-integradas:
Minérios Metálicos
Transferência de Calor e Massa
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Minérios, aglomerados, combustíveis e redutores
Ferro:
Hematíticos (Fe2O3), magnetíticos (Fe3O4) e ilmeníticos (FeTiO3), limoníticos (FexOy hidratados), porém os mais importantes são os dois primeiros.
No Brasil, os hematíticos são predominantes e possuem muito pouca ganga, com 70% de Fe, considerados um dos melhores do mundo.
Redutor:
O mais utilizado é o coque, formado pelo beneficiamento (destilação) do carvão metalúrgico, produzindo um material de alta concentração de carbono.
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Minérios Metálicos
Transferência de Calor e Massa
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Fluxantes, escorificantes e fundentes
Normamente são:
Óxidos;
Carbonatos;
Fluoretos;
Cloretos.
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Minérios Metálicos
Transferência de Calor e Massa
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Óxidos e carbonatos são mais frequentemente utilizados
Óxidos de Cálcio, Magnésio, Silício, Bário etc;
Carbonato correspondentes: Calcário, Dolomita, Magnesita
Esses ao reagir produzem reações endotérmicas, assim é necessário ter cuidado no balanço e perfil térmico do processo.
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Minérios Metálicos
Fluxantes, escorificantes e fundentes
Transferência de Calor e Massa
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Fluoretos
A fluorita, fluoreto de Cálcio, é um eficiente fluxante;
Sua utilização só é limitada por sua característica redutora, que prejudica o refratário dos fornos.
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Minérios Metálicos
Fluxantes, escorificantes e fundentes
Transferência de Calor e Massa
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Fluxantes
Também denominados escorificantes e fundentes (não são sinônimos);
Tem a função de aumentar a fluidez e facilita as reações e separação metal-escória
A principal substância fluxante é o CaF2;
Escorificantes:
Tem a função de reter as impurezas com baixa atividade na escória (Carbonato de Calcio, CaCO3), Criolita para Al;
Fundentes:
Tem a função de reduzir a temperatura liquidus;
Exemploes na siderurgia são: dolomita (Mg),(calcário, CaMg(CO3)2), CaO, MgO e SiO2;
Poder ter efeito fluxante;
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Minérios Metálicos
Fluxantes, escorificantes e fundentes
Transferência de Calor e Massa
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Sucatas
Siderúrgicas integradas usam até 20%;
Porque?
Semi-integrada é o principal insumo;
Nesse tipo, o consumo de energia é alto!
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Minérios Metálicos
Transferência de Calor e Massa
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Desoxidantes, dessulfurantes, ferros-liga
Desoxidantes:
Fe-Si, Fe-Si-Mn e Al, por conterem componentes com alta afinidade por oxigênio;
Dessulfurantes:
Ca, Mg, Ca-Si, Terras-Raras, CaO, MgO, Ca-Mg, não podem conter P, pois esse irá permanecer no material;
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Minérios Metálicos
Transferência de Calor e Massa
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Desoxidantes, dessulfurantes, ferros-ligaFerros-Liga
Ligas-mãe que são utilizadas para adição de elemnto de liga nos aços.
Quando utilizado em microligados, não são tão susceptíveis às impurezas;
Quando utilizado em ligados e de alta-liga, apresentam maior susceptibilidade às impurezas;
Quando obtido por Redução metalotérmica, Al e Si, não são críticas, pois são facilmente removidas;
Quando obtido por Redução carbontérmica, por conter alto teor de carbono, não permite a utilização com adição final;
A umidade precisa ser controlada, para evitar a incorporação de H no aço.
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Minérios Metálicos
Transferência de Calor e Massa
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Impurezas
As mais nocivas:
S, pois sua eliminação necessita meios básicos e redutores
Cu, As, Sb, Ni são mais nobres e não oxidam na oxidação seletiva;
Nocivas:
P, pois sua eliminação necessita meios básicos e oxidantes;
Zn, reduz o teor de Fe, gera gases e aquece tubulações de exaustão por re-oxidação e gera mais poeira;
Menos nocívas:
Al, Ti, Nb, Cr, V, Si, Mn,C, pela fácil oxidação seletiva e baixa restrição de composição nos produtos finais.
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Minérios Metálicos
Transferência de Calor e Massa
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Propriedade dos minérios
A frio:
Resistência a fratura
Ensaios de tamboreamento, queda e compressão;
A quente:
Crepitação: degradação por ruptura quando submetido abruptamente a temperaturas maiores que 300°C, por conta da umidade;
Inchamento: ocorre quando a hematita é reduzida para magnetita e wustita (Fe3O4 e FeO), por causa de trincamentos;
Quando ocorrem entre 900 e 1050°C, inviabilizando o processo;
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Minérios Metálicos
Transferência de Calor e Massa
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Propriedade dos minérios
A quente:
Degradação a baixas temperaturas: Ocorre na redução da hematita em magnesita e wustita, onde a romboédrica é mais susceptsível a esse processo. Pequenas adições de Cl2 e SO2, normalmente presentes nos Alto-Fornos, diminuem esse tipo de degradação;
Resistência a compressão, aglomerados de cura a frio perdem a resistência com a degradação desses;
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Minérios Metálicos
Transferência de Calor e Massa
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Propriedade dos minérios
A quente:
Redutibilidade: é a propriedade do minério de ser mais ou menos facilmente reduzido, que depende de porosidade, granulometria, porosidade, mineralogia e trincas. Onde a hematita apresenta (49,9%), megnetita (26,7%), CaO.Fe2O3 (40,1%), 2CaO.Fe2O3 (28,5%), e Fayalita (1%);
Reatividade: é a propriedade cinética importante para os carvões e coques;
Reatividade CRI é definido como o percentual de massa perdida durante o ensaio por adição de CO2 nas condições estabelecidas.
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Minérios Metálicos
Transferência de Calor e Massa
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Siderurgia:
Minérios metálicos. 
Processos de extração e refino. 
Processos siderúrgicos. 
Nucleação e solidificação dos metais. 
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Ementa
Transferência de Calor e Massa
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Processos de obtenção dos Metais
Redução 
Ferro;
Alumínio,
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Nesta aula
Transferência de Calor e Massa
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Processo de redução:
Normalmente os metais aparecem na natureza como, óxidos, sulfetos, silicatos e raramente como metais nativos;
Normalmente ocorrem em fornos de alta temperatura;
Pode ocorrer em eletrólises de baixa ou alta temperatura, e.g. eletrólise ígnea do Al;
Lixiviação com H2SO4, com posterior cementação redutora;
Condições redutoras são obtidas pela inclusão de compostos com maior afinidade pelo oxigênio, e.g. C, ou redução eletrolítica
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Processos de Extração e Refino
Transferência de Calor e Massa
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Redução primária do Ferro
Os minérios de ferro precisam ser quimicamente reduzidos para que se obtenha o ferro metálico:
Fe+3 + 3e- → Fe
Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO
Atualmente há duas técnicas mais importantes para redução do minério de ferro: redução em alto-forno, produzindo gusa líquido e a redução direta.
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Processos de Extração e Refino
Transferência de Calor e Massa
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Processos de Extração e Refino
Transferência de Calor e Massa
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O gusa é o produto imediato da redução do minério de ferro pelo coque ou carvão e calcário num alto forno. O gusa normalmente contém até 4,5% de carbono, o que faz com que seja um material quebradiço e sem grande uso direto.
O ferro gusa é a matéria-prima do aço. É formado por uma liga de ferro-carbono, obtida em alto forno e fundida em molde padrão de formato piramidal, de aproximadamente 4,5 kg, e em formato trapezoidal de 6,5 kg. É dividido em 3 categorias de acordo com sua especificação química:
Ferro Gusa de Aciaria: matéria-prima utilizada na produção do aço;
Ferro Gusa de Fundição: matéria-prima para peças fundidas;
Ferro Gusa Nodular: matéria-prima utilizada na produção de peças especiais.
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Processos de Extração e Refino
Composição genérica do gusa
Carbono
3,5 a 4,5%
Silício
0,3 a 2%
Enxofre
0,01 a 0,1%
Fósforo
0,05 a 2%
Manganês
0,5 a 2%
Transferência de Calor e Massa
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Processos de Extração e Refino
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5mm<Pelotas<18mm
 5mm<Sinter<50mm
6mm< Minério <40mm
granulado
 Em detalhe
Ferro primário
Transferência de Calor e Massa
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As condições termodinâmicas existentes no interior do reator promovem a incorporação de algumas impurezas ao gusa líquido e separa outras na fase escória e gás.
Processos de Extração e Refino
Ferro primário
COQUE
MINÉRIO
Fe2O3
MnO2
P2O5
K2O
SiO2
CaO
Al2O3
ESCÓRIA
GUSA
Fe3O4
FeO
FeO
Fe (99%)
Si (10%)
SiO2
CaO
Al2O3
P2O5
P (95%)
GÁS
K2O
GÁS
C
C (12%)
GÁS
Mn (70%)
MnO
GÁS
Mn3O4
MnO
Transferência de Calor e Massa
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Redução primária do Ferro
As principais reações no alto-forno são
C + 1/2O2 → CO
2CO + Fe2O3 → 2Fe + CO + CO2
S + O2 → SO2 (ocorre no topo do alto-forno)
O gradiente de temperatura vai desde 1800°C na base até 300°C no topo;
Gerando pirâmides e trapézios sólidos (lingotes) ou no estado líquido sendo transportado para a etapa seguinte de refino;
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Processos de Extração e Refino
Transferência de Calor e Massa
44
Redução primária do Ferro
Sobrenadando no metal fundido encontra-se a escória, que em mistura com o calcário (CaCO3) remove impurezas de acordo com as reações:
CaCO3 CaO +CO2;
SiO2 + CaO  CaSiO3.
Assim removendo a sílica em forma de silicato na escória.
O Ferro-gusa é um material de propriedades muito ruins (duro, frágil e impuro) e ele precisa ser refinado
O refino visa reduzir Si, P e S, podendo ser realizada a redução direta ou a fusão redução, onde essa última divide o Alto-forno em duas parte evitando a região coesiva, que reduz a eficiência do AF.
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Processos de Extração e Refino
Transferência de Calor e Massa
45
Redução primária do Alumínio
Processo Bayer:
Tratamento com soda caustica em temperatura de até 170°C;
Unidades chamada de refinaria de bauxita;
Eletrólise Ígnea da Alumina (e.g. processo Hall–Héroult):
Eletrólise do óxido de alumínio na presença de um fundente;
Unidades chamadas de redução;
No processo Hall–Héroult, a alumina obtida é tratada com água quente e ácido sulfúrico para liberá-la dos possíveis óxidos de titânio que podem ter restado.
O processo foi inventado de forma independente e quase simultaneamente em 1886 pelo químico americano Charles Martin Hall e o francês Paul Héroult. 
Em 1888, Hall abriu a primeira fábrica de produção de alumínio em grande escala em Pittsburgh. Ele mais tarde se tornou a Alcoa corporação.
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Processos de Extração e Refino
Transferência de Calor e Massa
46
Redução primária do Alumínio
Processo Bayer:
Bauxitas de Gibsita são mais solúveis em soda cáustica em temperaturas e concentrações menores, já de Boehmita as temperaturas e concentrações são maiores;
O processo ocorre em condições onde o aluminato de sódio é solúvel e a outra parcela não reagida permanece um resíduo insolúvel, denominada lama vermelha;
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Processos de Extração e Refino
Transferência de Calor e Massa
47
Redução primária do Alumínio
Processo Bayer em detalhes:
Polpa: gibsita, argila, sílica reativa e outras impurezas, com soda cáustica 23% e temperatura da ordem de 170°C;
Sai do digestor o licor rico em aluminato de sódio, hidrato de alumínio, soda cáusticae lama; Sendo concentrado à vácuo e o gás que sai é utilizado para o aquecimento do licor pobre;
Floculação para separação do licor e da lama;
Mais um concentrador à vácuo com reutilização dos gases no licor pobre;
O licor vai para o precipidador, onde há sementes de alumina, para precipitação de hidratos;
Os hidratos são separados do licor, o qual se denomina licor-pobre, o qual volta para o processo;
Os hidratos são lavados, secos e calcinados para produção de alumina pura.
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Processos de Extração e Refino
Transferência de Calor e Massa
48
Processo Bayer
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Processos de Extração e Refino
Transferência de Calor e Massa
49
Redução primária do Alumínio
Eletrólise da alumina;
Devido sua elevada reatividade a alumina não pode ser reduzida por processos químicos, sendo necessária a eletrólise para produção do metal, processo que ocorre em fase líquida;
A temperatura de fusão da alumina é da ordem de 2000°C, porém com a adição de um fundente (criolita, Na3AlF6), o processo ocorre em 1000°C;
Hoje em dia está se utilizando a ciolita, um fluoreto artificial de alumínio, sódio e cálcio, NaCaAlF6.
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Processos de Extração e Refino
Transferência de Calor e Massa
50
Redução primária do Alumínio
Eletrólise da alumina;
A alumina se dissocia:
Al2O3 → 2 Al3+ + 3 O2-
No eletrodo negativo ocorre a seguinte reação:
4 Al3+ + 12 e- → 4 Al0
Enquanto no eletrodo positivo:
6 O2- → 3 O2 + 12 e-
A equação glogal apresenta-se como:
2 Al2O3 → 4 Al3+ + 6 O2-
4 Al3+ + 12 e- → 4 Al0
6 O2- → 3 O2 + 12 e-
2 Al2O3 → 4 Al0 + 3 O2
6C + 6 O2 → 6 CO2
A reação global:
4 Al2O3 + 6C→ 8 Al + 6 CO2
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Processos de Extração e Refino
Transferência de Calor e Massa
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Redução primária do Alumínio
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Processos de Extração e Refino
Transferência de Calor e Massa
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Processos de obtenção dos Metais
Redução 
Cobre;
Zinco;
Estanho;
Metais de uso restrito (Pb, Ni, Cr, Ta, Mn, Mo, Mg, Ni, W);
Outros metais.
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Próxima aula
Transferência de Calor e Massa
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Processos de preparação das matérias-primas
Secagem;
Calcinação;
Aglomeração;
Coqueificação;
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Próxima aula
Transferência de Calor e Massa
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