ipm_2018_parte2

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Professor: Claudio Rocha Lopes
Volta Redonda, RJ, 2018
Módulo: Metal
Universidade Federal Fluminense
Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica de Volta Redonda
VMT 00002 - Introdução ao Processamento 
de Materiais 
Periodo 4 - Eng. (Metalurgia, Mecânica e Produção)
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PROGRAMA DE AULAS DO 2o SEMESTRE DE 2018 - Período: 13/08 a 20/12
Disciplina: Introdução ao Processamento de Materiais - VMT 00002 - Turma V2
Terças e Quintas de 14 às 16 horas, Salas: B9 e N5B
	DATA 	ASSUNTO 
	14/08	Minérios e Tratamento de Minérios
	16/08	Processos de Redução
	21/08	Processos de Refino (igneos e eletrolíticos)
	23/08	Processos de Solidificação (Lingotamento)
	28/08	Processos de Solidificação (Fundição)
	30/08	Processos Mecânicos de Fabricação
	04/09	Processos de Soldagem
	06/09	Metalurgia do Pó
	11/09	Tratamentos Térmicos
	13/09	Prova de Metal
	25/09	Vista na Sala C66 das 16/18 hs
	11/12	Reposição
	18/12	Verificação Suplementar
Os principais processos de redução e refino de metais são:
Pirometalurgia: 
O metal é produzido pela reação do minério com um redutor (mais comum é o carbono), a redução ocorre temperaturas elevadas em fornos;
Na etapa de refino as impurezas em geral são removidas normalmente por oxidação (sopro de oxigênio);
Redução direta: Processo de redução no estado sólido normalmente por gases redutores que geram sólidos metálicos reduzidos.
Visão Geral dos Processos de Produção de Metais
Visão Geral dos Processos de Produção de Metais
Os principais processos de redução e refino de metais são:
Hidrometalurgia:
Dissolução do minério em solução (normalmente aquosa), sendo que o metal pode ser precipitado ou por eletrólise ser depositado em um eletrodo (cátodo);
Eletrometalurgia:
Processo realizado em altas temperaturas, com a carga metálica (minério ou metal) no estado líquido;
Em alguns metais é usado para redução, mas é mais usado para o refino visando obter metais de elevada pureza.
Produção de Alumínio
Bauxita, minério com cerca de 15 a 25% de alumínio;
Al2O3 (alumina) é extraída da bauxita por tratamento com soda cáustica (NaOH) e cal (CaO) em temperaturas de ≈ 150 °C (Processo Bayer - Processo Hidrometalúrgico);
Após filtragem e secagem, a alumina em forma de pó vai para o processo de produção do alumínio por eletrólise (Processo Eletrometalúrgico - Processo Hall-Héroult);
Na eletrólise utiliza-se anodo e catodo de carbono, sendo que o ânodo reage com o oxigênio da alumina, gerando CO2, e no cátodo o alumínio metálico é obtido;
O alumínio líquido é então refundido e solidificado em lingotes para extrusão, laminação ou para fabricação de peças por fundição;
Para a fabricação da grande maioria de produtos de alumínio e suas ligas, essas etapas são suficientes, sendo que para alumínio de mais alta pureza é necessário novo processo eletrolítico.
Produção de Alumínio
Pilha
Produção do Alumínio (Resumo)
BENEFICIAMENTO:
Bauxita (minério de Al)			 Bauxita concentrada
 (15 a 25 % de Al)
Bauxita Concentrada			 Al2O3 Al2O3
REDUÇÃO:
Al2O3 em Pó					 Alumínio Líquido
Alumínio Líquido				 Alumínio em Lingotes
REFINO:
Alumínio Sólido (Anodo)			 Alumínio Eletrolítico (Catodo)
Lavagem + britagem
Soda cáustica + cal
 150 °C (Bayer)
Lavagem + secagem
Eletrólise
Solidificação
Eletrólise
Produção do Alumínio (Resumo)
Produção de Cobre (Pirometalurgia)
O minério é submetido à britagem, moagem, flotação e secagem, obtendo-se o concentrado com 30% de cobre; 
O concentrado é processado no forno flash, de onde sai o mate (mistura de sulfetos de cobre e ferro - Cu2S e FeS) com teor entre 35% a 65% de cobre;
O mate é processado no forno conversor, de onde obtêm-se o blister com ≈ 98% de cobre;
Dependendo da sua utilização final, o blister pode ser submetido apenas ao refino a fogo, onde se obtém cobre com ≈ 99,5% .
Para aplicações de elevada pureza (ex: como condutor), o cobre é refinado eletroliticamente em ácido sulfúrico, atingindo um grau de pureza de 99,9%.
Produção de Cobre (Hidrometalurgia)
A hidrometalurgia é apropriada para extração de cobre de minérios oxidados de baixo teor. A utilização deste processo para minérios sulfetados implica em uma etapa anterior de beneficiamento para transformação em produto intermediário oxidado;
O processo hidrometalúrgico consiste em lixiviar o minério moído com solventes adequados, sendo o mais utilizado o ácido sulfúrico, obtendo-se soluções ricas em cobre;
Segue-se a filtragem da solução e a precipitação do metal ou eletrodeposição;
Produção de Cobre (Esquemático)
Produção do Cobre (Pirometalurgia) - Resumo
BENEFICIAMENTO:
Minérios de Cobre	 			 Minério Concentrado (30 % de Cu)
 (0,7 a 2,5 % de Cu)
Minério Concentrado				 “Mate” (45 a 60% de Cu)	
	 
REDUÇÃO:
Mate (45 a 60%)				 “Blister” (98,5 % de Cu)
REFINO:
Cobre “Blister”		 		 Cobre (99,7 %)
Cobre (Anodo)					 Cobre Eletrolítico (99,9 %) (Catodo)
Cobre (Blister ou Eletrolíticoo)			 Cobre em Lingotes
Britagem + Moagem
+ Flotação + Secagem
Forno “flash”
Forno Conversor
Refino a fogo
Eletrólise em ácido
 sulfúrico
Refusão + Solidificação
Produção de Cobre (Pirometalurgia-Esquemático)
Produção de Cobre (Hidrometalurgia – Pirometalurgia)
Produção do Aço - Redução
Redução Direta: Redução do minério de Ferro sem ocorrer fusão no processo (produz Ferro Esponja). Processos: Hyl, Midrex, Sl-RN, etc;
Redução via Alto Forno: Processo onde o ferro metálico (Ferro Gusa) é obtido na forma líquida 
Produção de Aço (Fluxo Simplificado de Produção)
Produção do Aço - Resumo
Alto Forno
O alto forno é um forno de cuba que operado em regime de contra corrente. 
No topo do forno o coque, fundentes, e o material portador de ferro (sinter, pelotas e minério granulado) são carregado em diferentes camadas. 
A carga sólida, alimentada pelo topo, desce por gravidade reagindo com o gás que sobe.
Na parte inferior do forno o ar quente (vindo dos regeneradores) é injetado através das ventaneiras.
Em frente as ventaneiras o O2, presente no ar, reage com o coque formando monóxido de carbono (CO) que ascende no forno reduzindo o óxido de ferro presente na carga que desce em contra corrente. 
Alto Forno
John A. Ricketts, Ispat Inland, Inc.A matéria prima requer de 6 a 8 horas para alcançar o fundo do forno (cadinho) na forma do produto final de metal fundido (gusa) e escória líquida (mistura de óxidos não reduzidos). Estes produtos líquidos são vazados em intervalos regulares de tempo. 
Os produtos do alto forno são o gusa (que segue para o processo de refino do aço), a escória (matéria-prima para a indústria de cimento), gases de topo e material particulado.
Uma vez iniciada a campanha de um alto forno ele será operado continuamente por mais de 10 anos. 
Alto Forno
Redução
Fontes de Ferro
5mm<Pelotas<18mm
 5mm<Sinter<50mm
6mm < Minério < 40mm
granulado
 Pelota
Minério
 Sinter
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Conceitos de Redução dos Minérios
Matérias primas ( Alto forno )
	As matérias-primas básicas no processo alto forno são as seguintes:
Carga Metálica (Minério de ferro, pelotas, briquetes e sinter)
Combustível/Redutor (Carvão mineral, Carvão vegetal, Coque e Gás)
Fundentes (Cal e/ou Calcário calcítico/dolomítico e Quartzito) 
Minério de ferro	
	É a principal matéria-prima do alto-forno, pois é dele que se extrai o ferro. Os minerais que contêm ferro em quantidade apreciável são os óxidos, carbonatos, sulfetos e silicatos. Os mais importantes para a indústria siderúrgica são os óxidos, sendo eles:
	Magnetita (óxido ferroso-férrico)  Fe3O4 (72,4% Fe).
	Hematita (óxido férrico)  Fe2O3 (69,9% Fe).
	Limonita (óxido hidratado de ferro)  2FeO3.3H2O (48,3% Fe).
Obs.: O Brasil possui grandes reservas de minério de ferro de alta qualidade (alto teor de ferro).
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Conceitos de Redução dos Minérios
Matérias primas (Alto Forno)
Carvão
	O combustível utilizado no alto forno é o carvão mineral, coque ou carvão vegetal, cuja ação se faz sentir em três sentidos:
	1- Fornecedor de calor para a combustão;
	2- Fornecedor do carbono para a redução de óxido de ferro;
	3- Fornecedor de carbono como principal elemento de liga.
Alto Forno
Produção do Aço - Refino
Redução por Conversor a Oxigênio;
Forno Elétrico a Arco - FEA
Produção do Aço Líquido
A produção do aço líquido se dá através da oxidação controlada das impurezas presentes no gusa líquido e na sucata. 
Este processo é denominado refino do aço e é realizado em uma instalação conhecida como aciaria.
O refino do aço normalmente é realizado em batelada pelos seguintes processos:
	-	Aciaria a oxigênio – Conversor LD 
			(carga predominantemente líquida).
	-	Aciaria elétrica – Forno elétrico a arco – FEA 			(carga predominantemente sólida).
Conversor LD
Responsável por cerca de 60% (≈550 milhões ton/ano) da produção de aço líquido mundial, a tecnologia é a mais importante rota para a produção de aço, particularmente, placas e chapas de aço carbono.
Processo industrial teve início em 1952, quando o oxigênio tornou-se industrialmente barato. A partir daí o crescimento foi explosivo.
Permite elaborar uma enorme gama de tipos de aços, desde o baixo carbono aos média-liga.
Conversor LD
Conversor LD
Aciaria Elétrica
	Processo industrial começou no início do século XX.
Inicialmente, o forno elétrico era considerado sobretudo como um aparelho para a fabricação de aços especiais, inoxidáveis e de alta liga.
Atualmente, ele tem sido cada vez mais utilizado na fabricação de aço carbono.
Processo reciclador de sucata por excelência; não há restrição para proporção de sucata na carga.
A participação do aço elétrico no mundo vem crescendo substancialmente nas últimas décadas.
Aciaria Elétrica
Esquema de um FEA, contendo aço líquido (em vermelho): 
A - transformador; 
B - cabos condutores (1 para cada fase); 
C - sistema hidráulico de posicionamento dos eletrodos (1 para cada eletrodo); 
D - eletrodos (1 para cada fase); 
E - arco, em amarelo; 
F - bica de vazamento (forno bascula para vazar, ou vaza por baixo por um furo especial); 
G - porta de serviço mostrando um tubo para a injeção de oxigênio; 
H - queimadores auxiliares de combustível para aquecimento. 
Aciaria Elétrica
Minério
Coque
Zona
Granular
Zona
de Amolecimento
e Fusão
Zona
de Coque Ativa
Camada
em Amolecimento
e Fusão
Zona
de Combustão
Cadinho
Zona de
Gotejamento
Zona
de Coque
Estagnado