INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS. Prof. Carlos Falcão Jr.

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1 INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS Prof. Carlos Falcão Jr.

2 2. PROCESSOS HIDROMETALÚRGICOS Ocorrem na interface entre as fases sólida e líquida Temperaturas entre 10 e 300ºC São divididos em diferentes tipos: 2.1) Lixiviação 2.2) Refino de soluções p/ eliminar impurezas 2.3) Precipitação de metal elementar a partir de soluções

3 2.1) Lixiviação Técnica que permite a transferência de um metal, contido em um minério, para a solução, seguida pela separação posterior da ganga Os solventes usados são: soluções de ácidos soluções de bases soluções de sais

4 2.1) Lixiviação Exemplo: lixiviação do óxido de zinco de um concentrado de zinco ustulado por meio de uma solução de ácido sulfúrico, seguida por separação de resíduos insolúveis ( cakes massa de pó não compactada) através de sedimentação e filtração (ZnO+Fe 2 O 3 +SiO 2 ) sol + H 2 SO 4 ZnSO 4 + concentrado de zinco ustulado (Fe 2 O 3 +SiO 2 ) sol cake

5 2.2) Refino de soluções p/ eliminar impurezas As soluções podem conter, junto ao metal, um número de impurezas que permanecem no processo de lixiviação. As técnicas para refino de soluções são: 2.2.1) Precipitação com aditivos 2.2.2) Extração com solventes orgânicos 2.2.3) Processos de adsorção ou troca iônica usando trocadores de íons (resinas sintéticas) 2.2.4) Cristalização

6 2.2) Refino de soluções das impurezas 2.2.1) Precipitação com aditivos Exemplo: precipitação de impurezas de ferro com formação de sulfato de zinco, utilizando óxido de zinco (aditivo). Fe 2 (SO 4 ) 3 + ZnO + H 2 O Fe(OH) 3 + ZnSO 4

7 2.2) Refino de soluções das impurezas 2.2.2) Extração com solventes orgânicos Alguns solventes orgânicos tem a capacidade de dissolver e formar compostos complexos com sais de alguns metais, não formando sais de outros metais, nem dissolvendo-os. Exemplo: extração de nitrato de uranila com ajuda do tributilfosfato UO 2 (NO 3 ) 2 + 2TBPh UO 2.2NO 3.2TBPh

8 2.2) Refino de soluções das impurezas 2.2.3) Processos de adsorção ou troca iônica usando trocadores de íons (resinas sintéticas) Resinas tem a capacidade de trocar seus íons constituintes H + por alguns cátions contidos em solução. Exemplo: extração de urânio de soluções por meio de resinas de troca iônica UO 2 SO trocador de cátion HR UO 2 R 2 + H 2 SO 4

9 2.2) Refino de soluções das impurezas 2.2.4) Cristalização Geralmente, é fracional, ou seja, é repetida muitas vezes. Na parte final de um sistema de cristalizadores, obtém-se cristais puros de um sal metálico, além de uma solução do contaminante. Exemplo: separação por cristalização de oxifluoretos de zircônio e háfnio é baseada em suas diferentes solubilidades em água.

10 2.3) Precipitação de metal elementar a partir de soluções Uma das seguintes técnicas é aplicável: 2.3.1) precipitação eletrolítica a partir de soluções aquosas 2.3.2) cementação ou deslocamento de um metal de uma solução por outro metal 2.3.3) redução por meio de agentes redutores gasosos (H 2, CO, CH 4 ) ou sólidos, sob pressão

11 Estes processos não cobrem todas as técnicas empregadas nos trabalhos metalúrgicos. Existem outros estágios de produção, que não envolvem reações químicas, mas possuem extrema importância.

12 Estes são chamados de estágios auxiliares: a)manuseio de produtos (sólidos, líquidos e gasosos) b)mistura de produtos sólidos com outros líquidos ou de sólidos com sólidos c) Secagem de materiais d)briquetagem - e)evaporação de soluções f) Coleta de poeira g)detenção de gases nocivos ou de valor etc

13 TEORIA BÁSICA DA USTULAÇÃO DE MINÉRIOS E CONCENTRADOS 1. Pressões de Dissociação de Carbonatos e Hidratos e Condições para a Decomposição destes na Ustulação 1.1 Calcinação de carbonatos Baseia-se na dissociação de carbonatos Exemplo: calcinação do calcário CaCO 3sol CaO sol + CO 2 K p = p CO2

14 1.1 Calcinação de carbonatos CaCO 3sol CaO sol + CO 2 K p = p CO2 Reação procede: razão da pressão de CO 2 no meio circundante (p CO 2) pela pressão de equilíbrio (p CO 2) Quando: (p CO 2) < (p CO 2) ocorre dissociação (p CO 2) > (p CO 2) carbonato é formado (p CO 2) = (p CO 2) existe equilíbrio

15 carbonatos de metais pesados não-ferrosos são instáveis quando comparados aos carbonatos de metais alcalinos e alcalinoterrosos decomposição a baixas temperaturas INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS 1.1 Calcinação de carbonatos Figura 152 Relação entre a pressão de equilíbrio ou pressão de dissociação p CO 2 e a temperatura para carbonatos de vários metais. Figura 153 Energias livres de formação de carbonatos do tipo MeO e CO 2. Conclusões:

16 1.1 Calcinação de carbonatos Conclusões: p CO 2 varia com a mudança no raio iônico, como nos metais do grupo 2 função periódica da localização dos elementos químicos na TP > raio iônico; > p CO 2 Na indústria: Cal é obtida pela calcinação do calcário no forno de chaminé aquecido por coque p CO 2 = 1 atm e p CO 2 = 0,2 atm, em 910ºC

17 1.2 Calcinação de Hidratos Me(OH) 2 MeO + H 2 O K p = p H2 O Reação procede: razão da pressão de no meio circundante (p H 2O) pela pressão de equilíbrio (p H 2O) p H 2O na dissociação de um hidrato, numa dada temperatura pressão de dissociação do hidrato

18 1.2 Calcinação de Hidratos Tabela pág. 335: Calores de formação dos hidratos a partir de MeO e H 2 O. Compostos mais estáveis hidratos de metais alcalinos e alcalino-terrrosos A decomposição de hidratos, ou melhor, hidróxidos de alumínio se dá em forno rotatório Al(OH) 3 se dissocia em etapas, formando hidróxidos, progressivamente, com menores número de moléculas de água e p H 2O : Al 2 O 3.3H 2 O Al 2 O 3.H 2 O γ-al 2 O 3 α-al 2 O 3

19 1.2 Calcinação de Hidratos Objetivo: Obter alumina anidra com, aproximadamente, 70% γ-al 2 O 3 e 30% α-al 2 O 3 Logo, a temperatura no forno deve ser elevada a 1200º C.

20 TEORIA BÁSICA DA USTULAÇÃO DE MINÉRIOS E CONCENTRADOS 2.Condições para Ustulação Oxidante de Minérios e Concentrados de Sulfetos Baseia-se na seguinte reação: MeS + 1,5O 2 MeO + SO 2 Faixa de temperatura: ºC Na presença de ar

21 2.Condições para Ustulação Oxidante de Minérios e Concentrados de Sulfetos Além da formação de óxidos, sulfatos metálicos (ustulação sulfatante) também são formados, de acordo com a reação: MeS + 2O 2 MeSO 4 Fornos de ustulação atuais ustulador fluidbed (leito de fluido) - Figura 154 Ar entra pelas aberturas da parte de baixo do forno Acima, entra o concentrado de sulfeto metálico

22 2.Condições para Ustulação Oxidante de Minérios e Concentrados de Sulfetos Os subprodutos gasosos, contendo SO 2, escapam pela abertura na parte superior do forno Uma haste vertical localizada no centro do forno movimenta o concentrado das laterais para o centro e vice-versa Vantagem: dispensa o uso de combustíveis

23 TEORIA BÁSICA DA USTULAÇÃO DE MINÉRIOS E CONCENTRADOS 3.Ponto de Ignição (ou Inflamação) de Sulfetos Sulfetos inflamam em altas taxas de oxidação Resultam num excelente progresso da reação Dispensando o consumo de combustível Condição para ignição de um sulfeto alto valor de calor liberado por unidade de tempo Ponto de ignição de um sulfeto temperatura da sua combustão autógena no ar, sem aplicação de fonte externa de calor

24 3.Ponto de Ignição (ou Inflamação) de Sulfetos Valores de pontos de ignição dos sulfetos variam em função de alguns fatores: aumenta com sua capacidade calorífica aumenta com a compactação do sulfeto e de seus produtos de combustão diminui com o aumento do seu poder calorífico diminui com a diminuição do tamanho e da compactação das partículas do sulfeto Tabela XIII pág. 337

25 3.Ponto de Ignição (ou Inflamação) de Sulfetos Sulfetos de chumbo e de zinco são menos inflamáveis que os de ferro e de cobre Os valores dos pontos de ignição dos mesmos sulfetos (pirita e esfalerita) praticamente não são afetados pela variação de tamanho das partículas de 0,2 a 2 mm. Obs: Ponto de ignição de um sulfeto é dependente do conteúdo da mistura e das concentrações de gases (O 2 e SO 2 ) no forno.

26 Também se dá a altas temperaturas (autoclave) INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS TEORIA BÁSICA DA USTULAÇÃO DE MINÉRIOS E CONCENTRADOS 4.Condições para Formação e Dissociação de Sulfatos Metálicos Sulfetos oxidam também a baixas temperaturas, inclusive à temperatura ambiente Minérios de sulfeto oxidam a sulfato, logo que são extraídos (mineração) A reação de oxidação é: MeS + 2O 2 MeSO 4

27 4.Condições para Formação e Dissociação de Sulfatos Metálicos Sob aquecimento, sulfatos podem se decompor conforme a seguinte reação de dissociação: MeSO 4sol MeO sol + SO 3 K p = p SO 3 Reação procede: razão da pressão de SO 3 no meio circundante (p SO 3) pela pressão de equilíbrio (p SO 3) p SO 3 na dissociação de um sulfato, numa dada temperatura pressão de dissociação do sulfato

28 Figura 156 pág. 339 potenciais termodinâmicos de formação dos sulfatos a partir de MeO e SO Quando: INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS 4.Condições para Formação e Dissociação de Sulfatos Metálicos (p SO 3) < (p SO 3) ocorre dissociação (p SO 3) > (p SO 3) sulfato é formado (p SO 3) = (p SO 3) existe equilíbrio Figura 155 pág. 338 p SO 3 de vários metais em função da temperatura

29 4.Condições para Formação e Dissociação de Sulfatos Metálicos Sulfatos mais estáveis de metais alcalinos e alcalino-terrosos Sulfatos menos estáveis de metais pesados não-ferrosos