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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 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 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. 2 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 1. INTRODUÇÃO 3 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 1. INTRODUÇÃO 1.1. Ocorrência dos Metais; 1.2. Histórico da Siderurgia; 1.3. A Metalurgia no Brasil. 4 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 1.1 OCORRÊNCIA DOS METAIS 5 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 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. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 7 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 8 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 9 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 10 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. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 11 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 12 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 1.2 HISTÓRICO DA SIDERURGIA 13 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 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. 14 1.1 Ocorrência dos Metais; 1.2 Histórico da Siderurgia; 1.3 A Metalurgia no Brasil. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 15 Histórico da Siderurgia Porta da cidade de Ur. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 16 4. O s I m p é r i o s Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 5. Portões da Babilônia. – Nabucodonosor. – Cobre e ferro. 17 Porta de Ishtar na Babilônia Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 18 6. A Idade do Bronze – Figura 1. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 19 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 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 20 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. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 21 10. Coluna de ferro em Nova Delhi (Sete metros de altura e sete toneladas de peso). Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 11. Os gregos prendiam com grampos de ferro as pedras do Parthenon para evitar que elas escorregassem. 22 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 23 12. Fornos primitivos. – Figuras I/1 e 1.2. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 24 13.O deus ferreiro. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 25 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.” Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 26 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. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 27 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). Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 28 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 29 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. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 30 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 31 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 2. OPERAÇÕES DE BENEFICIAMENTO DE MINÉRIOS 32 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 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. 33 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 34 Etapas da extração do minério Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 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. 35 2.1 Fragmentação; 2.2 Classificação; 2.3 Concentração. Objetivos: Separação da ganga, Concentrar o composto metálico, melhorar a morfologia. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 36 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 37 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. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 38 Britagem – Figuras 2.1 e 2.2. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 39 Trituração – Figuras 2.3 e 2.4. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 40 Moagem – Figura MC15. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 41 Pulverização – Figuras 2.6 e 2.7. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 42 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. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 43 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 44 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. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 45 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 46 Separação gravitacional – Diferença de densidade. Separação magnética – Propriedades magnéticas. Figura 2.12. Separação eletrostática – Condutividade elétrica. Figura 2.13. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 47 Espessamento e filtragem – Suspensão na água. Figuras 2.14 e 2.15. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 48 Limpeza gasosa – Suspensão no ar. Figuras 2.16 e 2.17. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 2.4 PROCESSOS PRÉ-EXTRATIVOS 49 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 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. 50 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 51 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. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 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. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 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. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 54 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. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 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). 55 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 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. 56 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 57 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 58 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 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 59 Processo de Sinterização Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 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. 60 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 61 Processo de Pelotização Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 4. PROCESSOS DE EXTRAÇÃO E REFINO 62 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 63 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. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 4. Processos de Extração e Refino 4.1 Processo Hidrometalúrgico; 4.2 Processo Eletrometalúrgico; 4.3 Processo Pirometalúrgico. 64 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 65 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 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 66 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. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 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 67 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 68 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. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 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. 69 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 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. 70 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 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. 71 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 72 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. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 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. 73 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 74 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. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 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. 75 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 76 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 ). Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 77 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 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 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. 78 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 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. 79 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 80 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. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 81 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. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 82 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 83 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 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). 84 2COMACAMO T Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 85 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 Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 86 Prof. Ricardo Cabral deVasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 87 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. Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos UFCG/CCT/UAEM M E T A L U R G I A E X T R A T I V A 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
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