02 - Tomo II Metalurgia Extrativa e Siderurgia Produção do Ferro Gusa 2020.2

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Universidade Federal de Campina Grande
Centro de Ciências e Tecnologia
Unidade Acadêmica de Engenharia 
Mecânica
Graduação em Engenharia Mecânica
Disciplina: Química dos Materiais
Tomo II: Metalurgia Extrativa e Siderurgia 
– Produção do Ferro Gusa
Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos
Conteúdo a ser abordado
1 Extração e Refino
Processos de Extração e Refino
MX M + X
• Elevada estabilidade química dos compostos metálicos que constituem o
minério (óxidos, sulfetos etc);
• Necessita-se processos que apresentem menor gastos de energia do que os
processos de dissociação direta;
• São utilizados dois processos básicos:
Objetivos da extração
Métodos básicos de extração
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
FeO + C Fe + CO 
(s) (g) (s) (g)
1000°C
Métodos básicos de extração
2. Dissolver o composto metálico MX em um solvente adequado e formar uma
solução eletrolítica, a qual se submete a uma eletrólise
MX + R 𝑴+ + 𝑿−
CuS𝑶𝟒 𝑪𝒖
++ + 𝑺𝑶𝟒
−−
Processos de extração e refino
1. Processos pirometalúrgicos;
2. Processos hidrometalúrgicos;
3. Processos eletrometalúrgicos.
Processos de extração e refino
1. Processos pirometalúrgicos;
2. Processos hidrometalúrgicos;
3. Processos eletrometalúrgicos.
Primeiro método
Segundo método
Processos pirometalúrgicos
• Partem do princípio que os compostos metálicos tendem a diminuir sua
estabilidade química com o aumento da temperatura;
• Realizados em equipamentos denominados fornos ou reatores;
• Calor é fornecido por combustão (ou outra reação nitidamente exotérmica),
ou pela transformação de energia elétrica em energia térmica.
Processos pirometalúrgicos
1. Redução Direta de Óxidos.
1. Processos Siderúrgicos.
2. Redução de Sulfetos por Escorificação e Conversão.
3. Redução Indireta de Óxidos por Halogenação.
4. Processos de Refino a Fogo.
Processos pirometalúrgicos
➢ Escórias e fundentes estão presentes no processo 
devido as elevadas temperaturas envolvidas. 
1. As escórias são misturas de óxidos em fusão.
2. Os fundentes ou fluxos são adicionados à escória com o objetivo básico 
de formar uma liga de óxidos que apresente baixas temperaturas de 
transformação.
Processos pirometalúrgicos
Escória
➢Funções da escória:
1. Proteger e isolar termicamente o banho metálico;
2. Atuar como receptor da ganga;
3. Atuar como receptor de demais impurezas no processo de
refino.
Processos pirometalúrgicos
Escória
➢Características da escória:
1. Baixa viscosidade;
2. Baixa temperatura de fusão;
3. Baixa densidade;
4. Composição e estrutura corretas para dissolver a ganga e as
impurezas do banho metálico.
Processos pirometalúrgicos
Fundentes
1. São adicionados com a finalidade de baixar o ponto de fusão e
aumentar a fluidez da escória;
2. Os mais comuns são óxidos, carbonatos, nitratos, fluoretos e
boratos;
3. Podem ser classificados como ácidos, básicos e neutros.
Processos pirometalúrgicos
Redução direta de óxidos
• Maior parte dos metais são extraídos de minérios à base de óxidos;
✓Fe, Mn, Cr, Sn etc.
• Muitos minérios à base de sulfetos são reduzidos a óxidos por ustulação antes
da extração
✓Zn e Pb.
• Óxidos metálicos necessitam de um agente redutor MO + R→ RO + M
Processos pirometalúrgicos
➢ Agentes redutores
1
2
3
Alumínio
Hidrogênio
Carbono
Redutor de óxidos
Redutor de óxidos de baixa e média estabilidade
Redutor de diversos óxidos
Processos pirometalúrgicos
➢ 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.
Processos pirometalúrgicos
Redução de sulfetos por escorificação e conversão
• Óxidos fundidos (escória) e sulfetos fundidos (mate) são imiscíveis – Baixa
viscosidade (alta fluidez) e uma diferença sensível de densidade.
Escorificação
Conversão
Processos 
pirometalúrgicos
Redução de sulfetos por escorificação
e conversão
Processos pirometalúrgicos
Redução de sulfetos por escorificação e conversão
Escorificação – Separação do óxido e do sulfeto
Processos pirometalúrgicos
Conversão – Injeção de oxigênio
no banho líquido do metal
sulfuroso no conversor,
provocando-se a reação de
quebra ou redução do sulfeto,
obtendo-se o metal desejado.
MS + O2 → SO2 + M
Redução de sulfetos por escorificação e conversão
Exemplo: 
extração do cobre
1 a 2% de 
Cobre
• Minério 
Bruto
20 a 30% 
de Cobre
• Minério 
beneficiado
40 a 50% 
de Cobre
• Escorificado
98% de 
Cobre
• Após 
conversão
Processos pirometalúrgicos
Redução indireta de óxidos por halogenação
• Utilizado quando não é possível, em termos econômicos, a redução direta
devido à alta estabilidade química;
✓ Óxidos de metais refratários – elevada temperatura de fusão – (titânio, urânio, tungstênio,
nióbio etc)
• Utilização de um halogênio, geralmente em presença de carbono, e obter
um halogeneto do metal em questão: MO + A + C→MA + C𝑶𝟐
✓ Halogênios: Cl, F, I etc
• Reduzir, com um agente redutor, o halogeneto formado: MA + R→ RA + M
✓ Metal reativo: Mg, Al etc
Processos pirometalúrgicos
Processos pirometalúrgicos
Processos de refino a fogo
Constitui-se basicamente na oxidação das impurezas, geralmente obtida por
meio da sopragem do ar em meio ao banho fundido do metal extraído.
Ex.: 4Cu + 𝑂2→ 2𝐶𝑢2
Processos eletrometalúrgicos
São utilizados na extração e refino de metais não ferrosos toda vez que os
processos pirometalúrgicos mostram-se pouco eficientes.
1. Dissolução do metal em uma cuba eletrolítica contendo um condutor iônico
chamado eletrólito;
2. O metal se dissolve sob a forma de íons metálicos e é, então, submetido a
um campo elétrico aplicado através de dois eletrodos imersos no eletrólito;
3. Os íons positivos são atraídos para o eletrodo negativo onde captam
elétrons e se depositam sob a forma de átomos neutros.
Processos eletrometalúrgicos
DE ONDE VEM O ALUMÍNIO Boravê com Mari Fulfaro 🔵Manual do Mundo.mp4
Processos hidrometalúrgicos
São particularmente úteis quando o metal a ser extraído é de baixo teor de
metal contido.
• Consiste na dissolução do minério em algum tipo de solvente.
✓ ex.: solução contendo ácido sulfúrico;
Processos hidrometalúrgicos
Vantagens
Dispensa uso de 
matérias primas 
de alto custo
Combustível
Fundentes
Refratários
Dispensa o uso de 
energia elétrica
Desvantagens
Requer grandes 
tanques e 
unidades custosas
Processos hidrometalúrgicos - etapas
1. Lixiviação – solução do minério com um solvente adequado.
1.1 Percolação – o solvente é vertido sobre o minério
1.2 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
4.1 Eletroliticamente
4.2 Troca química CuS𝑂4 + Fe→ FeS𝑂4 + Cu
Precipita da solução
Baixa pureza (necessita refino)
Processos Siderúrgicos
Siderurgia
Minérios de Ferro
Principais 
minérios 
de Ferro
Fórmula 
Química
Teor Nominal Teor real Cor
Magnetita 𝐹𝑒2𝑂4 72,4% 50 a 70% Cinza
Hematita 𝐹𝑒2𝑂3 69,5% 45 a 68% Avermelhada
Limonita
𝐹𝑒2𝑂3𝐻2𝑂
Dependente da 
proporção de água
20 a 50% Marrom
Siderita 𝐹𝑒𝐶𝑂3 48,3% 10 a 40%
Pirita 𝐹𝑒𝑆2 Sem maior interesse siderúrgico
Minérios de Ferro
Minérios de Ferro
• Os minérios são geralmente lavados a céu aberto. 
Beneficiado por fragmentação, britagem, moagem e 
pulverização, seguida de classificação por 
peneiramento, concentração por separação 
magnética. Eventualmente passa por processo de 
preparação como calcinação e ustulação. Finalmente, 
aglomerado por pelotização e sinterização. 
Minérios de Ferro
5mm<Pelotas<18mm 5mm<Sinter<50mm 6mm< Minério 
granulado <40mm
Em detalhe
Fonte: Material de apresentação do 
Departamentode Ciência dos Materiais e 
Metalurgia – PUC – Rio de Janeiro
Coque
Combustível utilizado no alto-forno:
1. Coque;
2. Carvão de madeira.
Carvão Coque – é o produto sólido da destilação de uma mistura de carvões realizada a em 
torno de 1100oC em fornos chamados coquerias através da “coqueificação”.
O processo de coqueificação consiste no aquecimento do carvão mineral na ausência da ar.
Carvão – Mineral – restos de matéria vegetal que se decompõe com o tempo, na presença de 
umidade, ausência de ar e variação de temperatura e pressão, por ação geológica, 
transformando–se através de milênios, progressivamente, em turfa, linhito, carvão sub–
betuminoso, carvão betuminoso, semi–antracito e antracito.
Coque
Seqüência de operação
Fonte: Material de apresentação do 
Departamento de Ciência dos Materiais
e Metalurgia – PUC – Rio de Janeiro
Coque
Típica Bateria 
de coqueificação
Coque incandescente 
pronto para ser 
descarregado
Coqueria
Fonte: Material de apresentação do 
Departamento de Ciência dos Materiais e 
Metalurgia – PUC – Rio de Janeiro
Coque
1. O coque ou o carvão de madeira são introduzidos no alto-forno em vez do carvão 
de pedra ou da lenha – resistência suficiente para suportar a carga. –
Temperaturas mais elevadas são atingidas(menos infamáveis). – Na coqueificação
origina-se uma série de derivados de grande valor tecnológico e comercial. – No 
alto–forno todos os componentes voláteis formados escapariam.
2. A destilação dá origem aos produtos carbo-químicos (gases, vapores 
condensáveis, benzol, alcatrão, etc) que são comercializados pelas siderúrgicas. O 
gás de coqueria é um importante insumo para a própria usina.
3. Principais produtos obtidos a partir da destilação do carvão mineral – Figura 3.
Coque
Coque
O Papel do Coque no Alto Forno
– Fornecer o calor necessário às necessidades térmicas do processo ou 
seja – fornecedor de carbono para a combustão;
– Produzir e "regenerar" os gases redutores – Fornecedor de carbono 
para a redução do óxido de ferro;
– Carburar o ferro gusa – fornecedor de carbono como principal 
elemento de liga do ferro gusa;
– Fornecer o meio permeável nas regiões inferiores do forno onde o 
restante da carga está fundida ou em fusão.
Alto Forno
Fonte: Material de apresentação do 
Departamento de Ciência dos Materiais
e Metalurgia – PUC – Rio de Janeiro
Alto Forno
Sistema de Carregamento
Limpeza Gasosa
Recuperador de Calor
Redução em alto-forno
• Agente redutor: carbono
• Local no qual ocorre a redução: alto-forno
➢Carga sólida:
✓Minério de Ferro;
✓Fundente;
✓Coque
oCarbono-redutor
oCarbono-combustível
Redução em alto-forno
• Resultado das reações que ocorrem no alto-
forno
1. Ferro gusa;
✓3,5 a 4,5% de Carbono;
✓0,4% de Silício;
✓0,3% de Manganês;
✓0,1% de Fósforo;
✓0,03% de Enxofre.
2. Escória (𝑆𝑖𝑂2 − 𝐶𝑎𝑂 − 𝐴𝑙2𝑂3);
3. Gases (CO - C𝑂2 − 𝑁2);
4. Poeira.
Redução em alto-forno
Para cada tonelada de ferro gusa produzida,
são usadas cerca de:
• 2 toneladas de minério;
• 0,5 toneladas de calcário;
• 1 toneladas de coque;
• 4 toneladas de ar
E, como subprodutos, cerca de
• 0,5 toneladas de escória;
• 6 toneladas de gás.
Fonte: Material de apresentação do 
Departamento de Ciência dos Materiais
e Metalurgia – PUC – Rio de Janeiro
Redução em alto-forno
Fonte: Material de apresentação do Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia – PUC – Rio de Janeiro
Redução em alto-forno
Técnicas para aumentar a produção do
alto-forno:
1. Elevação da temperatura do ar soprado
e controle de sua umidade;
2. Injeção de combustível através das
ventaneiras;
3. Adição de oxigênio no ar;
4. Operação a alta pressão.
Funcionamento de um Alto forno.mp4
Referências Bibliográficas
Referências bibliográficas básicas
1. FILHO, Maurício Prates de Campos. Introdução à Metalurgia Extrativa e Siderurgia.
Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos; Campinas: Fundação de Desenvolvimento
da UNICAMP, 1981.
2. CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia Mecânica – v.3 Materiais de Construção Mecânica.
2ª ed. São Paulo: McGraw-Hill, 1986.
3. Luiz Antônio Araújo - Siderurgia - Editorial Lema Ltda, 1967.
4. Aula apresentada por Mathews Lima dos Santos no seu Estágio Docência na disciplina
Química dos Materiais lecionada pelo Prof. Ricardo Cabral de Vasconcelos
5. Callister Jr., W. D., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução, LTC – Livros 
Técnicos e Científicos Editora S.A., 2002.
6. CALLISTER, WILLIAM D.; RETHWISCH, DAVID G. Ciência e Engenharia de Materiais: 
Uma Introdução. 9 ed. Rio de Janeiro: LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 
2016.
7. Material de apresentação do Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia –
PUC, Rio
Referências