4 - A METALURGIA EXTRATIVA

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1 A METALURGIA EXTRATIVA 4-1. Razão e características da metalurgia extrativa Os métodos utilizados na produção de materiais metálicos, inexistentes ou raros na natureza, que tiveram a sua origem em tempos remotos, revelam o gênio humano pois foi imensa a necessidade de observação, de dedução dos fundamentos e de criação e aperfeiçoamento das técnicas necessárias para tornar a obtenção desses materiais possível. Hoje, um procedimento extrativo completo resultado dessa colossal evolução pode ser dividido, didaticamente, em três partes fundamentais, e seus objetivos básicos resumidos à apenas quatro. 1 Para atingi-los deve-se fazer uso de inúmeros processos extrativos. 2 Um procedimento extrativo é, assim, o conjunto dos processos extrativos capazes de satisfazer a cada um dos quatro objetivos básicos e de produzir um material metálico com as propriedades almejadas razão única da metalurgia extrativa Procedimento extrativo: partes e objetivos Um procedimento extrativo se inicia com a adequação da matéria prima, de modo a torná-la mais apropriada para as operações subseqüentes. Essa adequação é feita basicamente de duas maneiras: ou (i) transformando-a quimicamente (ou estruturalmente) em outro tipo de composto ou (ii) tornando-a mais pura, pela remoção de elementos indesejáveis. Não há hierarquia entre esses dois objetivos e tanto um quanto o outro pode se dar em primeiro lugar. A essa parte dá-se o nome préextração. Após isso, se procede à obtenção do material metálico (ou daquilo que será a sua base). Embora realizada de muitas maneiras, quimicamente, trata-se sempre de uma redução. Por materializar a idéia fundamental da metalurgia extrativa, essa parte é denominada extração. Por fim, há, na maioria das vezes, a necessidade de se ajustar o produto obtido pela remoção de elementos indesejáveis contidos no metal. Por isso, essa parte é denominada refino. Além desses quatro objetivos básicos, há, em cada procedimento extrativo, outros objetivos, de caráter complementar, em número indeterminado, que podem ser atingidos isoladamente ou concomitantemente com os básicos. Objetivos complementares não são menos importantes que os outros apenas a sua freqüência é menor e vão desde o coalescimento do material metálico (inicialmente pulverulento, por exemplo) até a separação (final) de fases como, por exemplo, metal e escória Processo extrativo Um procedimento extrativo é composto de muitos processos extrativos. Visualmente, um procedimento extrativo pode ser idealizado como uma corrente composta por vários elos individuais encadeados os processos extrativos em número e com funções suficientes para que os quatro objetivos básicos (sem esquecer os complementares) do procedimento extrativo sejam alcançados. Cada um dos processos extrativos opera com base em princípios fisicoquímicos e de engenharia e se assemelha aos processos e às operações unitárias Rotas extrativas Os processos extrativos podem ser classificados em três rotas: a piro, a hidro e a eletrometalurgia 3, caracterizadas, respectivamente, pelo emprego de calor, água e eletricidade. A grande maioria dos processos extrativos tende a pertencer à apenas uma destas rotas, enquanto que outros, em menor número, possuem simultaneamente características de duas dessas classes. Contudo, mesmo estes são classificados em apenas uma das rotas extrativas. 1 Quatro é, na verdade, o número máximo de objetivos básicos; certos procedimentos necessitam menos que quatro. 2 É seguida aqui a sugestão exposta por P.C. Hayes no livro Process Selection in Extractive Metallurgy 3 Do grego: pyrós: fogo; hýdor: água; e électron: âmbar que apresentava fenômenos eletrostáticos, mais metallourgia: ato de extrair os metais

2 34 O Quadro 4-1 mostra alguns exemplos de processos com características inequívocas e outros com características ambíguas. Rota: Piro Elétro Hidro Redução (de Redução Redução óxidos) pelo eletrolítica de eletrolítica de hidrogênio íons em uma íons em uma gasoso solução salina solução aquosa Exemplo de processo: Característica básica: calor eletricidade calor eletricidade Cementação Redução de íons aquosos pelo hidrogênio gasoso eletricidade água água Quadro 4-1. Rotas extrativas com exemplos de processos e suas características básicas O calor serve para se atingir um estado final (com alta temperatura) onde a obtenção de um produto adequado, ou a separação de fases (características fundamentadas na termodinâmica), sejam favorecidas. Simultaneamente, espera-se que a energia de ativação das reações químicas seja superada, minimizando-se, assim, as resistências com origem na cinética química. O uso do calor (associado à temperaturas elevadas) se constitui na característica dominante desta rota da metalurgia extrativa. A água, solvente universal, é o meio ideal para se dissolver seletivamente o mineral do metal de valor (outras vezes, também, para se dissolver impurezas), deixando o restante do minério intacto. O produto dessa operação é uma solução contendo íons aquosos. O recurso de se aquecê-la, tendo-se em vista, novamente, a cinética química, também é, por vezes, empregado. Há casos onde soluções líquidas não aquosas (orgânicas) são usadas, em conjunto com soluções aquosas. A eletricidade a mais cara e nobre de todas as formas de energia é usada na obtenção de metais (muitas vezes de metais reativos) a partir de eletrólitos (soluções contendo íons) aquosos ou salinos os últimos são chamados banhos de sais. Ela também é usada no seu refino, dando origem aos metais refinados eletroliticamente. Um procedimento extrativo emprega normalmente processos extrativos de todas as rotas simultaneamente; quando um procedimento extrativos é constituído nitidamente por processos classificados em apenas uma dessas rotas, ela pode dar o nome ao procedimento embora essa prática não seja aconselhada. Assim, se todos pertencerem à rota pirometalúrgica, fala-se, então, de um procedimento extrativo pirometalúrgico.

3 35 Q4 QUESTÕES E EXERCÍCIOS 4-1. Razão e características da metalurgia extrativa Exerc Um procedimento extrativo completo pode ser dividido em partes e os seus objetivos básicos são (didaticamente) resumidos à apenas Procedimento extrativo: partes e objetivos básicos Questão A adequação da matéria prima ao procedimento não é o mesmo que a adequação da matéria prima ao reator. Explique, por meio de exemplos, e diga: que diferença há nisso? Exerc Complete a Tabela Q4-1 dando o nome dos quatro objetivos básicos, após consulta ao livro de P.C. Hayes: Process Selection in Extractive Metallurgy. Partes: Objetivos básicos: Comentários: Pré-extração 1. Passo de adequação da matéria prima ao procedimento; o composto formado é mais adequado quimicamente ou estruturalmente ao procedimento extrativo do que a matéria prima. 2. Refere-se à remoção de elementos indesejáveis contidos na matéria prima. Extração 3. Aqui se concretiza a meta principal da metalurgia extrativa, qual seja: a obtenção do material metálico ou daquilo que será a sua base. Refino 4. Passo de ajuste do produto obtido, pela remoção de elementos indesejáveis contidos no metal. Tab. Q4-1. Partes e objetivos básicos de um procedimento extrativo Questão Por qual motivo a pré-extração nem sempre é necessária? Questão Por qual motivo também o refino nem sempre é necessário? Questão O que se quer dizer com coalescimento do material metálico, inicialmente pulverulento, no texto? 4-3. Processo extrativo Exerc Complete as sentenças com as características dos processos extrativos. a) Processos extrativos são como ou unitários do procedimento extrativo. b) Cada um deles opera com base em princípios e de engenharia. c) Um processo extrativo assemelha-se aos (transformações químicas) e às (transformações físicas) da engenharia química. d) A justaposição de todos os processos extrativos empregados num dado procedimento extrativo deve satisfazer os (até quatro) desse procedimento extrativo.

4 36 e) Muitos processos são nitidamente orientados (em diferentes procedimentos extrativos) apenas para um mesmo tipo de objetivo (refino a fogo: para a ). Outros podem ser empregados com diferentes objetivos: a ustulação normalmente é empregada para a e, muito raramente, para a. f) O objeto dos processos é sempre dar um destino ao, para isso, contudo, algumas vezes deve-se tratar as. Exemplo: lixiviação é empregada para dissolver embora possa ser empregada mais raramente para dissolver. g) O número de processos necessário para que um único objetivo básico dos existentes no procedimento extrativo seja alcançado, é indeterminado: normalmente ele é alcançado com ; procedimentos complexos, contudo, necessitam processos extrativos. h) Ao reduzir carbotermicamente o minério de Fe, a redução carbotérmica sob fusão tem o objetivo de ; ao produzir, também, a, promove complementarmente a. i) Com freqüência, alguns processos são voltados apenas para uma determinada classe química da matéria prima; por exemplo, a fusão à matte é voltada para os. Exerc Dos termos listados, circule os que são exemplos de processos extrativos. refino destilação sinterização redução eletrolítica de íons aquosos fundição secagem lixiviação peneiramento liqüação refino à fogo calcinação briquetagem redução direta cominuição Questão A ustulação do sulfeto de zinco em óxido de zinco é um exemplo de processo baseado numa transformação química; qual é a reação estequiométrica que a representa? + = + Questão O refino à vácuo do hidrogênio dissolvido no aço é um exemplo de processo baseado numa transformação física; qual é a reação estequiométrica que a representa? = 4-4. Rotas extrativas Questão Por qual motivo um processo extrativo com base no calor & eletricidade é classificado como elétro e com base na eletricidade & água é hidro? Exerc Diga à qual rota pertence cada uma das reações mostradas a seguir: (a) ZnO + 2H + = Zn 2+ + H 2 O (b) Zn 2+ + H 2 O = Zn o + ½O 2 (g) + 2H + Exerc Complete a Tabela Q4-2 com os nomes dos processos extrativos (todos eles já foram citados no texto anteriormente) empregados no procedimento extrativo do zinco, classificando-os nas respectivas rotas e objetivos básicos.

5 37 Rota: Objetivo básico: PIRO HIDRO ELETRO Formação de composto Separação Obtenção do metal Purificação do metal Tab. Q4-2. Processos extrativos da metalurgia extrativa do zinco e sua classificação nas rotas extrativas e objetivos básicos Exerc Complete a Tabela Q4-3 com os símbolos dos produtos (intermediários ou finais) dos processos extrativos empregados no procedimento extrativo do zinco. Objetivo Denominação Produto Formação de composto ustulado Separação lixiviado Obtenção do metal zinco eletrolítico Tab. Q4-3. Produtos dos processos extrativos do zinco Exerc Complete a Tabela Q4-4 identificando e descrevendo uma justificativa para cada uma das características das rotas da metalurgia extrativa. ROTA Característica Justificativa Necessidade de matéria prima sob a forma de compostos puros Temperatura baixa (ou, alternativamente, uso de autoclave) Reagentes na forma de espécies ionizadas Necessidade de matéria prima concentrada Taxas de conversão muito baixas Aspectos termodinâmicos por determinar Taxas de conversão relativamente baixas Transferência de calor é um ítem importante Uso de grande número de pequenos reatores Matéria prima com teores até muito baixos Taxas de conversão elevadas Equipamentos relativamente simples Utilização de energia de alta qualidade Necessidades de reatores e de materiais caros e sofisticados Relativa independência entre teor do minério e o quociente receita / custo A rota de menor perda de valor Grau máximo de pureza do metal produzido

6 38 Aspectos cinéticos por determinar Alcance do equilíbrio químico dentro do reator Utilização de energia de baixa qualidade Concentração de reagentes e produtos em uma faixa relativamente baixa (< 1 mol / L) Rota com casos de processos autógenos (ou aproximadamente autógenos) Tab. Q4-4. Características principais das rotas extrativas e justificativas Exerc A rota influencia em grande parte o estado físico do metal obtido; para metais no estado sólido freqüentemente há necessidade de se realizar o seu coalescimento por fusão. Complete a Tabela Q4-5 anotando um exemplo para cada caso. Rota Temperatura* Estado físico** Estado ou forma Necessita coalescimento? sim T < P.F. Me S pulverulento ou PIRO poroso T > P.F. Me L - não T > P.Eb. Me V - sim não ELETRO T < P.F. Me S pulverulento ou sim de um cátodo T > P.F. Me L - não HIDRO T < P.Eb. Água S pulverulento ou sim de um cátodo * P.F. = ponto de fusão P.Eb. = ponto de ebulição ** S = sólido; L = líquido e V = vapor Exemplos Tab. Q4-5. Estado físico dos produtos metálicos e a necessidade (ou não) de coalescimento, em função das rotas extrativas, da temperatura do processo de redução, e de temperaturas de algumas de suas transformações físicas.