INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS. Prof. Carlos Falcão Jr.

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Jessica Casqueira Medina
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1 INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS Prof. Carlos Falcão Jr.

2 BREVE HISTÓRICO Metalurgia (sentido restrito da palavra) parte da ciência e da indústria voltada para a extração de metais, em algumas vezes ligas, de minérios e outros materiais e o refino de metais ou ligas crus. Georg Agricola Bauer ( ) primeiro livro sobre metalurgia e mineração foi De Re Metallica, de Porém, seus padrões científicos de tratamento dos fundamentos metalúrgicos eram extremamente inadequados.

3 O ar, e não um combustível, oxida metais correta interpretação dos processos metalúrgicos sob a ótica da interação de minérios e combustível com o ar. INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS BREVE HISTÓRICO M. Lomonosov ( ) fundador da metalurgia científica autor do primeiro livro russo sobre metalurgia Fundamentals of Metallurgy or Mining (1763) primeiro professor de Físico-Química explicou o fenômeno da oxidação de metais

4 BREVE HISTÓRICO N. Sokolov ( ) Primeiro a estudar a ação do enxofre sobre um metal fundido e seu efeito sobre as propriedades dos metais G. Hess ( ) Formulou a Lei da Constância do Calor Total Útil no desenvolvimento da Termodinâmica Química moderna e dos princípios teóricos da Metalurgia Extrativa

5 Propriedades dos elementos químicos têm dependência periódica com massa atômica INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS BREVE HISTÓRICO Rápidos progressos nas áreas de Termodinâmica Geral e Química Gibbs ( ), Van t Hoff ( ), Helmholtz ( ), Le Chatelier ( ). M. Faraday ( ) Formulou as leis da eletrólise, que formam a base dos processos eletrolíticos de eletrorrecuperação e eletrorrefino de metais D. Mendeleev ( )

6 BREVE HISTÓRICO N. Beketov, D. Chernov, N. Kurnakov, M. Pavlov, N. Karnaukhov, A. Baikov, P. Fedotyev, G. Urazov, V. Mostovich, V. Vanyukov teoria dos processos metalúrgicos baseada na aplicação das técnicas físico-químicas para o estudo da metalurgia A. Baikov primeiro professor da disciplina científica Teoria dos Processos Metalúrgicos, que foi introduzida, em 1908, nos currículos das faculdades.

7 BREVE HISTÓRICO A. Volsky equilíbrio químico em fundidos teoria física e química das principais técnicas de fundição utilizadas em metalurgia de nãoferrosos curso de teoria de processos metalúrgicos voltados para a metalurgia de não-ferrrosos The Theory of Metallurgical Processes (1935) An Outline of the Theory of Metallurgical

8 CLASSIFICAÇÃO INDUSTRIAL DE METAIS (segundo Volsky) Os metais são divididos em 2 grandes grupos: Metais Ferrosos Inclui o ferro e suas ligas, como também manganês, vanádio e cromo, desde que sua obtenção esteja relacionada à do ferro e suas ligas. Metais Não-ferrosos são subdivididos nos seguintes grupos:

9 Au, Ag, Pt e metais do grupo da Pt (Os, Ir, Rh, Ru, Pd) INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS METAIS NÃO-FERROSOS Metais pesados não-ferrosos grupo principal: Cu, Ni, Pb, Zn grupo secundário: Cd, Co, As, Sb, Bi, Hg Metais leves não-ferrosos grupo principal: Al, Mg, Ti, Na grupo secundário: Be, Li, Ba, Ca, Sr, K Metais nobres

10 METAIS NÃO-FERROSOS Metais raros: divididos em subgrupos, que são: metais refratários: W, Mo, Ta, Nb, Zr, V metais disseminados: Tl, Ga, Ge, In, Re, Hf, Rb, Cs metais terras-raras: lantanídios metais radioativos: Po, Ra, U, Th, Ac, Pu, Np e outros metais transurânicos * As classificações podem mudar com o tempo.

11 CLASSIFICAÇÃO DOS MINÉRIOS Segundo sua composição química: minérios nativos, que contem metais em estado livre ouro, prata, cobre, platina. minérios de óxidos, nos quais metais estão na forma de óxidos, carbonatos ou hidratos Fe 2 O 3, PbCO 3, Al(OH) 3 minérios de sulfeto, que contem sulfetos metálicos PbS, Cu 2 S, NiS

12 ganga, que não tem metal de valor quartzo, silicatos, alumino-silicatos INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS CLASSIFICAÇÃO DOS MINÉRIOS Segundo sua estrutura heterogênea e composição pelos seguintes minerais: minerais de rocha dos principais metais minerais polimetálicos de Pb-Zn e Cu-Ni minerais associados a minerais principais, que ocorrem independentemente ou como soluções sólidas em minerais principais cobalto associado a níquel ou metais terrasraras associados a chumbo ou zinco

13 CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS METALÚRGICOS Objetivo dos processos metalúrgicos extrair metais de minérios ou de outros materiais São classificados em 2 grandes grupos, que são: 1. Processos pirometalúrgicos 2. Processos hidrometalúrgicos

14 1. PROCESSOS PIROMETALÚRGICOS Conduzidos em altas temperaturas Frequentemente, envolvem fusão de materiais São divididos em 2 grandes grupos, de acordo com as temperaturas envolvidas e a natureza dos reagentes: 1.1) Ustulação 1.2) Fusão Metalúrgica

15 2Al(OH) 3 Al 2 O 3 + 3H 2 O(vapor) 1200ºC INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS 1.1) Ustulação Processo metalúrgico conduzido a altas temperaturas, mas não ocorrendo fusão parcial das fases reagentes. As variedades dos processos de ustulação são: 1.1.1) Calcinação o objetivo é alterar a composição química dos minerais contidos no minério, sendo a reação de dissociação a principal. CaCO 3 CaO + CO ºC

16 1.1) Ustulação 1.1.2) Ustulação oxidante de minérios e concentrados de sulfeto o objetivo é converter os sulfetos metálicos em óxidos ou sulfatos. ZnS + 1,5O 2 ZnO + SO 2 ZnS + 2O 2 ZnSO ºC ºC

17 Frequentemente, aplicado a minérios antes de serem fundidos em fornos. INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS 1.1) Ustulação 1.1.3) Sinterização é a ustulação na qual um material fino é transformado em grãos. Ocorre através de recristalização do material, sem formação de fase líquida, ou através da formação de certa quantidade de fase líquida, que, na solidificação, forma aglomerados até chegar aos grãos. 2PbS + 3O 2 + SiO 2 PbO + PbO.SiO 2 + 2SO 2 ( ºC)

18 1.1) Ustulação 1.1.4) Ustulação redutora é subdividido nas variedades magnética e redutora. a) Ustulação magnética de minérios de ferro: 3Fe 2 O 3 + CO 2Fe 3 O 4 + CO ºC * Aplicável a minérios de ferro antes de serem sujeitos ao beneficiamento magnético. Seu objetivo é transformar minérios pobres magneticamente em altamente magnéticos. b) Ustulação redutora: UO 3 + H 2 UO 2 + H 2 O ºC

19 1.1) Ustulação 1.1.5) Cloração o objetivo é converter óxidos e sulfetos metálicos em cloretos. Exemplo: cloração de óxido de zircônio ZrO 2 + 2Cl 2 + C ZrCl 4 (g) + CO(CO 2 ) ºC * O cloreto de zircônio é, então, condensado, sob resfriamento, num condensador.

20 1.1) Ustulação 1.1.6) Fluoração o objetivo é converter óxidos metálicos em fluoretos. Exemplo: fluoração do óxido de urânio UO 2 + 4HF UF 4 + 2H 2 O ºC

21 1.2) Fusão Metalúrgica Processo complexo devido ao fato de materiais sólidos interagirem e reagirem com fases gasosas, produzindo um número de fases líquidas e fases gasosas alteradas. Os líquidos resultantes têm baixa solubilidade e devem ser separados. A fusão metalúrgica pode ser dividida em: 1.2.1) Fusão de minérios 1.2.2) Refino

22 1.2) Fusão Metalúrgica 1.2.1) Fusão de minérios Aplicada a minérios ou concentrados crus ou processados Podem ser de tipos diferentes de acordo com o caráter das reações químicas envolvidas ) Fusão redutora processo que ocorre no alto-forno. Fe 2 O 3 + SiO 2 + C + CaCO 3 Fe(líq) + CaO.SiO 2 (líq) + CO + CO 2

23 1.2) Fusão Metalúrgica 1.2.1) Fusão de minérios ) Fusão concentradora oxidante o objetivo não é a obtenção do metal elementar, mas a concentrá-lo, formando um produto enriquecido CuS + FeS 2 + O 2 + SiO 2 CuS 2 -FeS + FeO.SiO 2 + SO 2

24 1.2) Fusão Metalúrgica 1.2.1) Fusão de minérios ) Eletrólise de sais fundidos (fusão eletrolítica) o produto obtido nesse processo é um metal no estado sólido ou líquido. Algum metal pode ser produzido na forma elementar através da eletrólise de sais fundidos (cloretos, fluoretos, óxidos etc) ) Fusão metalotérmica ) Fusão de reação baseada na interação entre sulfetos e óxidos, sob aquecimento.

25 1.2) Fusão Metalúrgica 1.2.2) Refino Seu objetivo é refinar metais das impurezas pelo uso das diferenças nas propriedades do metal principal e das impurezas Existe uma variedade de técnicas de refino

26 1.2) Fusão Metalúrgica 1.2.2) Refino INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS ) Segregação Baseia-se na formação e na separação pelas densidades das duas fases A maior quantidade, seja fase líquida ou sólida, é a do metal refinado Concentrado de impurezas é a segunda fase, insolúvel no metal principal Exemplo: Cu em Pb fundido em 350ºC

27 1.2) Fusão Metalúrgica 1.2.2) Refino ) Destilação Os metais são separados através das diferenças nas pressões de vapor dos metais e das impurezas Exemplo: Mg (P.E. = 1107ºC) é separado do Al (P.E. = 2500ºC) em ligas Mg-Al

28 1.2) Fusão Metalúrgica 1.2.2) Refino ) Oxidação Baseia-se nas diferenças de afinidade do metal e do contaminante pelo oxigênio Exemplo: Fe é oxidado a FeO (imiscível) em Cu fundido, na presença de ar. (Cu + Fe) (líq) + 0,5O 2 Cu (líq) + FeO (sol.)

29 1.2) Fusão Metalúrgica 1.2.2) Refino ) Cloro-refino Baseia-se nas diferenças de afinidade do metal e do contaminante pelo cloro Exemplo: Zn pode se removido do chumbo por causa da sua afinidade pelo cloro. ZnCl 2 é insolúvel no chumbo fundido e flutua sobre sua superfície (Pb + Zn) (líq) + Cl 2 Pb (líq) + ZnCl 2 (líq.)

30 1.2) Fusão Metalúrgica 1.2.2) Refino ) Enxofre-refino Baseia-se nas diferenças de afinidade de vários metais pelo enxofre Exemplo: Pb pode ser refinado do Cu com o auxílio do S 2. (Pb + Cu) (líq) + S 2 Pb (líq) + Cu 2 S (sol.)

31 1.2) Fusão Metalúrgica 1.2.2) Refino ) Carbonila-refino Baseia-se na capacidade de alguns metais formarem, sob condições específicas, compostos voláteis, tais como Me(CO) n. Exemplo: refino de Ni a partir do Cu. (Ni + Cu) + 4CO Ni(CO) 4 + Cu

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