Cloração da liga Ferro-Nióbio. Francisco Anastácio de Oliveira Neto(l) Eduardo de Albuquerque Brocchi(2) Resumo

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1 655 Clraçã da liga Ferr-Nióbi. Francisc Anastáci de Oliveira Net(l) Eduard de Albuquerque Brcchi(2) Resum Fram realizads ensais de clraçã cm a liga Ferr-Nióbi tend em vista analisar efeit de variáveis relevantes d prcess (temperatura e granulmetria), sbre a velcidade de gaseificaçã d nióbi cntid. Os resultads indicaram que altas cnversões sã btidas nas temperaturas estudadas (500,600 e 700 C). Os ensais realizads nas temperaturas mais elevadas,nde tem-se altas velcidades de reaçã qu1m1ca apresentaram uma queda nas cnversões btidas cm decréscim da prsidade da amstra. Para ensais a 5 c, s valres mais elevads de cnversões mstraram-se assciads a um balanç timizad entre a superfície especifica e a prsidade. Abstract Chlrinatin experimenta f ferr-nibium was carried ut in rder t study the effects f sme f the prcess imprtant variables, such as temperature and granulmetry, n the kinetics f the nibium gasificatin. The resulta indicated that high cnversin can be btained in the temperature range tested ( 500, 600 and? c). It was als nted that at the highest temperatures (600 and 700 C) the rate tend t diminish fr decreasing prsity. Fr experimenta at 5 c the maximal cnversin btained seems t be related t a ptimum balance between specific area and prsity. 1- Engenheir Metalúrgic, alun d Prgrama de Mestrad d Departament de Ciência ds Materiais e Metalurgia da PUC/RJ. 2- Engenheir Metalúrgic, M. Se., Ph. D., Prfessr Assistente d Departartament de Ciência ds Materiais e Metalurgia da PUC/RJ

2 656 O cntinu desenvlviment cientific vem permitind que cmpsts especiais de nióbi tenham aplicações em setres de avançada tecnlgia, cnstituind-se em uma nva fnte de demanda de nióbil. O métd de clracã pde cntribuir para desenvlviment destes setres, uma vez que NbCls surge cm precursr na btençã de cmpsts especiais destinads a aplicações, em prcesss de depsiçã de filmes fins de Nb em substrats, na metalurgia d pó e em segments da industria eletrônicaz. Neste cntext, a clraçã de ferr0-nióbi apresentase cm umq rta viável na btençã d pentaclret de nióbi3. O prcess é realizad sem a presença de agente redutr e inclui uma etapa critica na separaçã ds clrets btids. A liga ferr-nióbi representa hje 85% da frma cm que metal é cnsumid n país e 87% da demanda mundial de nióbi, tend sua mair aplicaçã na industria siderúrgica ns açs B.L.A.R.s. As frmas restantes na qual nióbi é cnsumid éx: nióbi metálic, superligas, óxid pur), apresentam pssiblidades diversificadas, estand seus uss assciads a desenvlviment tecnlógic. Atualmente, quantidades limitadas de pentaclret de nióbi pdem ser prduzids à partir da clraçã d metal pur, visand atender demandas especificas. Entretant, sabe-se d interesse na clraçã da liga ferr-nióbi uma vez que esta é prdut de mair dispqnibilidade n âmbit da metalurgia

3 657 extrativa d ni6bi3. Dentr deste panrama, s bjetivs deste trabalh estã vltads para estud da cinética da clraçã da liga ferr-nióbi, através da análise d efeit de variáveis relevantes d prcess, tais cm, temperatura e granulmetria d material. A liga Fe-Nb utilizada neste trabalh fi frnecida pela Cmpanhia Brasileira de Metalurgia e Mineraçã, cuja análise química pde ser bservad na Tabela 1. Nb Cmpsiçã Química Fe Si 2.00 Al 0.50 percentagem em pes Ta 0.20 c p 0.10 s Pb 0.03 Tabela 1 - Cmpsiçã Química da Liga Ferr-Nióbi Tend em vista estud d efeit das variáveis mencinadas, a liga Fe-Nb fi preperada em três faixas granulmétricas, , e -200 malhas. As amstras, cm pes de 4,0 gramas, fram ensaiadas nas temperaturas de 500, 600 e 7 c. O prcediment experimental cnsistiu-se da clcaçã da amstra n interir d frn, após pesada em cadinh de alumina cm diâmetr de 1,87 cm, qual era suspens pr um fi de platina. Utilizu-se um flux de nitrgêni até atingirse a temperatura de trabalh, quand era substituíd pr uma vazã de clr estabelecida em 0,205 1/min. Em alguns

4 658 experiments,as amstras após pesagem, retrnavam a frn clradr. Os resultads fram interpretads em terms da percentagem de material reagid, definid cm: pes inicial da liga - pes após clraçã 1 X 100 pes inicial da liga assim cm em terms da percentagem de metal gaseificad, esta btida após análise quantitativa d ferr ainda cntid ns resídus da clracã (material parcialmente reagid). Tend em vista s prcediments mencinads anterirmente, a Figura 1 apresenta a crrelaçã entre a percentagem de Fe-Nb reagid e a percentagem de nióbi gaseificad, btida para ensais em diferentes cndições experimentais. Além da excelente crrelaçã btida, n que se refere a linearidade, nta-se que ceficiente angular da reta é próxim de um, indicand que, em relaçã a percentagem de liga reagida, a cnversã ds seus cnstituintes crre em prprções semelhantes. As F}guras 2, 3 e 4 apresentam as curvas cinéticas btidas em terms da percentagem de nióbi reagid versus temp de expsiçã a clr. Observa-se nestas figuras a inexistência de fatres que viessem a diminuir a velcidade de reaçã d nióbi durante

5 659 prcess de clraçã. As altas percentagens btidas de nióbi éeagi d indicam ainda que a liga é bastante sensível à açã d clr, nas cndições experimentais utilizadas. O efeit da temperatura pde ser identificad nestas figuras, nde nta-se que, para a granulmetria àe malhas, cmprtament cinétic da clraçã é praticamente mesm para 600 e 7 c. Pr utr lad, verifica-se que para a granulmetria mais fina ( malhas), a taxa de cnversã é sensível para s increments de temperatura utilizads. Tais fats indicam que cmprtament da liga Fe-Nb durante a clraçã está sujeit a variações, que dependem das cndições utilizadas. experimentais (granulmetria e temperatura) Cm relaçã a variável temperatura, nta-se que níveis próxims de 7 c sã respnsáveis pr altas velcidades da etapa de reaçã química. Neste cas, a reaçã deve evluir rápida e gradativamente para interir das amstras a partir das camadas superires destas, independentemente da granulmetria d material e da prsidade da carga. Tal hipótese é de fat crrbrada pela Figura 5, nde verifica-se que, para s ensais a 7 c, a percentagem de nióbi reagid é semelhante para as três faixas granulmétricas estudadas. A discreta queda bservada nas cnversões btidas, cm a diminuiçã da granulmetria, pde estar relacinada cm decréscim da prsidade. Para as temperaturas de 500 e 600"C, percebe-se que a

6 660 reaçã de c l raçã é nitidamente influenciada pela granulmetria d material. Tais bservações indicam que s fatres respnsáveis pelas percentagens btidas de metal reagid estã assciadas a um balanç entre a velcidade de reaçã química e a prsidade da amstra, que sã afetadas cnjuntamente pela temperatura e granulmetria d material. Deste md, nas situações que implicaram em uma dificuldade de penetraçã de clr para interir da amstra (altas temperaturas e rápida velcidade de reaçã química), fi discreta a influência da granulmetria nas cnversões alcançadas. Para s ensais realizads na temperatura intermediária, nta-se que uma menr granulmetria é respnsável pr um decréscim nas cnversões btidas. Tal fat, pssivelmente, está assciad cm a diminuiçã da prsidade, decrrente da utilizaçã de uma granulmetria mais fina, cuj efeit trna-se mais prnunciad neste nível de temperatura. Nas cndições ainda mais favráveis para a penetraçã d clr (temperaturas mens elevadas mais ainda prpriciand razável velcidade de reaçã química), s efeits da prsidade e ga superfície específica d material (dependentes da granulmetria) influíram nas cnversões btidas. Neste cas, s valres mais elevads de cnversã devem estar relacinads cm um balanceament timizad entre a facilidade de acess d clr para interir da amstra (mais

7 661 elevada para maires prsidades e granulmetria mais gros~éira) e a superfície especifica d material (mais elevada para menres granulmetrias). 1- A liga Ferr- Nióbi quand submetida à clraçã, apresentu uma crrelaçã, entre a percentagem ttal de perda de pes e a percentagem reagida de nióbi, cm ceficiente linear próxim de um. Tal fat indica que as cnversões ds metais que a cnstituem sã btidas em prprções semelhantes, embra pssam ser alcançadas em temps diferentes, que dependem das cndições experimentais. 2- Dentr de uma abrdagem cinética, as altas cnversões de nióbi cm taxa cnstante, indicam que a liga apresenta cndições favráveis a um tratament pel prcess de clraçã. 3- Nta-se que para a granulmetria de malhas, cmprtament cinétic da liga durante a c l raçã é praticamente mesm para a temperatura de 700 e 600"C. Verifica-se ainda que para uma granulmetria mais fina (-200 malhas), a taxa de cnversã é sensível para s increments de temperatura utilizads. 4- O cmprtament da liga Fe-Nb durante a clraçã é funçã de um balanç entre a velcidade de reaçã química e a prsidade d leit de partículas sólidas, as quais, pr sua vez, sã influenciads pels efeits da temperatura assciads as da granulmetria d material.

8 Para ensais nde tem-se altas velcidades de reaçã quimica (700 e s c), ntu-se uma queda nas cnversões btidas cm a diminuiçã da granulmetria, pssivelmente assciada cm decréscim da prsidade da amstra. Para s ensais a 5 c, tem-se que s valres mais elevads de cnversões estã assciads a um balanç timizad entre superficie especifica e prsidade. 1- Guimarães, J.R.C., "Nióbi, um metal emergente?", Revista Metalurgia- ABM, vl. ~. (363),pp , fevereir, Nióbi, Caracteristicas - Aplicações - Cnsum, Cmpanhia Brasileira de Mineraçã e Metalurgia - CBMM. 3- Sat,N. & Nanj,M.,"Separatin f Nibium frm Ferrnibium by chlrinatin", Metallurgical Transactins B, vl. 16li, pp , september, Cmpanhia Brasileira de Metalurgia e Mineraçã, Revista Metalurgia- ABM, vl.!li, (378), pag. 423, mai, Brcchi, E.A. & Freitas, L.R., "Os métds de clraçã e seu empreg na metalurgia extrativa d nióbi", XXXXIX Cngress Anual da A BM, vl.4., pp , Bel Hriznte, julh, 1984.

9 663..., 8!t 11> "' "'.J:> z.. "O llt 100-r ~ Nb gamif. 1,011x(fe-Nb reagid)-2,577 r O.Q97 n~ r exp. A OKp. 8 e><p. c P O e><p. E ekp. F 700 C, mlha, 4 g. SOO C -48 +&5 malha. 4 g. 500 C, mlhaa, C, mlhai, 4 g. 600 C, malha, 4 g. 600 c, malhai, 4 g. xpa - -. c wp. O xp. E ,. de r e-nb reagid 100 Figura Crrelac entre a Percentagem de Fe-Nb reagid _ --~- -a _Per centagem de - ~lbl qsf11!jc~.. _ 100-r , 20 e Temp (min) Figura 2 - Percentagem de Nb reagid versus Temp pr fl~ grnulmetrfca de mlhe.

10 664 Figura lo 40 ISO ISO Temp (min) 3 - P rc ntg m d Nb rw<19id v rsu T mp pr faix grnulm&trlca ele mlhas. 100-r ~ ISO Temp (min) Fig um 4- - P rc ntagem de "lb reagid ver.ua Temp pr faix grnulmetrfc de -200 mllle.

11 temp de rec: 30 min. pes de amstra: 4 g n njk (!100 C) 873K (600 C) 75 "" 973K (700 C) "O c;. e Jl z -, L------~ r ~----~ &5 Grcnulmetría (mlhas) Figure 5 - Percentagem de Nicbi Reagid par as dlveres flxs granulmetncs.