Processos Metalúrgicos AULA 4 PRODUÇÃO DE MATERIAIS NÃO FERROSOS PROF.: KAIO DUTRA
Cobre Os minérios de cobre podem ser sulfetados ou óxidos, além, mais raramente, do próprio cobre nativo. Geralmente, o teor de metal contido é muito baixo, da ordem de 1 a 3%. Os mais importantes são os sulfetados, entre os quais a calcopirita, de fórmula CuFeS 2. Além de cobre e de enxofre, esses minerais contêm ferro, zinco, arsênio, antimônio, bismuto, selênio, telúrio e outros elementos.
Cobre
Cobre A primeira fase do processo de extração do cobre é a concentração do seu minério. Este é peneirado, britado, moído e submetido ao processo de flotação, que consiste na adição de água, misturada com produtos químicos adequados. Essa mistura molha somente as partículas chamadas estéreis, que se decantam, formando um lodo. O material é novamente decantado e aspirado, obtendo-se, por filtragem final, um concentrado com teor de cobre entre 15 e 30%.
Cobre Esse concentrado é levado a um forno de reverbero, juntamente com fundente, cuja função é formar a escória pela sua combinação com as impurezas do concentrado. Obtém um sulfeto duplo de cobre e ferro, denominado "mate", contendo geralmente entre 35 e 55% de cobre metálico, além de ferro e enxofre. A temperatura do forno é superior a 1.100 C, de modo a ter-se a fusão do material. O ferro é oxidado na forma de FeO.
Cobre O mate é a seguir oxidado num "conversor", onde é introduzida uma corrente de ar que, em presença de sílica, atravessa o mate liquido. Essas reações são de natureza exotérmicas. A primeira fase dura cerca de 20 horas e, ao aproximar-se o fim, procura-se aquecer o material a uma temperatura em torno de 1.200 C.
Cobre O metal resultante é chamado "cobre blister, contendo em geral de 98 a 99,5% de cobre e as impurezas como antimônio, bismuto, chumbo, ferro, níquel, selênio, enxofre, telúrio e zinco. O "cobre blister" deve ser refinado, sendo o processo clássico o de "refinação a fogo". Os fornos empregados são do tipo "revérbero", aquecidos a óleo, gás ou carvão moído. Junto com o cobre blister fundido, ou sólido em placas, carregam-se quantidades suficientes de fundente (silica) para fixar os óxidos de alumínio, ferro e magnésio que se formam durante o processo.
Cobre Outro método de refino consiste na "refinação eletrolítica". Nela, empregam-se anodos de cobre fundidos a partir de cobre blister refinado a fogo, com um teor mínimo de cobre de 99%. O eletrólito, mantido a uma temperatura entre 40 e 60 C, é uma solução de sulfato de cobre. O cobre deposita-se sobre o catodo que, por sua vez, é de cobre, com a mesma pureza do cobre a ser nele depositado. A operação demora várias semanas
Cobre Algumas ligas de cobre: Latão: Cobre + Zinco (5 45%); Bronze: Cobre + Estanho (2 12%).
Alumínio O minério de alumínio predominante é a bauxita, a qual é constituída essencialmente de um óxido hidratado Al 2 0 3 H20 contendo ainda óxido de ferro, sílica, óxido de titânio e pequenas quantidades de outros compostos. Nos minérios utilizados na produção de alumínio, o teor de Al 2 O 3 varia de 40 a 60%. A metalurgia do alumínio compreende basicamente duas fases: Obtenção da alumina, a partir do minério; Eletrólise da alumina.
Alumínio Para a obtenção da alumina, emprega-se, quase que exclusivamente o processo Bayer. A bauxita é inicialmente britada e, em seguida, moída em moinhos de bola. O pó é misturado intimamente, num tanque de mistura, com uma solução de hidróxido de sódio. A mistura é bombeada numa autoclave, ou seja, num recipiente de aço submetido a altas pressões e a elevada temperatura. Na autoclave ocorre o processo de "digestão", do qual resulta um aluminato de sódio solúvel.
Alumínio Completado o processo de digestão, a solução de aluminato de sódio é tratada por sedimentação ou decantação e por filtração sob pressão, de modo a separá-la dos resíduos em suspensão, constituídos essencialmente de um hidróxido de ferro impuro contendo a maior parte da sílica, outras impurezas e uma pequena quantidade de alumina. Depois da filtração, a solução é levada a um tanque de resfriamento e aos depósitos de precipitação. A suspensão de alumina hidratada é levada a espessadores, filtrada e calcinada, num forno rotativo de forma tubular, a cerca de 1.200 C, obtendo-se como produto final a alumina Al 2 O 3, com 99,5 a 100% de óxido de alumínio.
Alumínio A etapa seguinte é a eletrólise da alumina (redução da alumina). Devido à grande afinidade do alumínio com o oxigênio, não é possível reduzir a alumina pelos redutores usuais, carbono e óxido de carbono. Recorre-se então o processo eletrolítico, em que o banho eletrolítico é constituído de criolita, que consiste em um fluoreto de sódio e alumínio (AlF 3, 3NaF). Neste banho de criolita, coloca-se a alumina em solução. Em outras palavras, o eletrólito atua como fundente e dissolve o óxido de alumínio.
Alumínio O catodo corresponde ao fundo da célula eletrolítica e ao alumínio que se forma paulatinamente, o anodo é constituído de eletrodos de carbono. A operação é realizada a cerca de 950 C. O alumínio deposita-se no fundo e é retirado periodicamente. Sua pureza varia de 99,4 a 99,85%, sendo o silício e o ferro as principais impurezas.
Alumínio Para obter-se alumínio de pureza 99,99%, é necessária uma refinação adicional, o que pode ser feito eletroliticamente, numa cuba eletrolítica semelhante à empregada na redução da alumina. Para fabricar uma tonelada de alumínio são necessárias cerca de duas toneladas de alumina e estima-se que são necessárias 5t de bauxita e 0,25t de combustível.
Zinco O principal mineral de zinco é a blenda Zns; sua ganga é de natureza sílico-calcária, podendo, às vezes, conter galena (mineral de chumbo), sulfeto de cádmio e ferro. Outros minerais são a "smithsonita" (ZnCO,) e a willemita (ZnSO 4 ). Os minérios são inicialmente concentrados de modo a elevar-se o teor de zinco para 50 ou 60%. A concentração é realizada por gravidade ou por flotação. Os dois processos básicos de obtenção do zinco são: processo pirometalúrgico; processo hidrometalúrgico.
Zinco No processo pirometalúrgico, o minério concentrado sofre uma operação inicial de ustulação (fazer expelir uma substância da outra), à temperatura entre 550 C e 600 C, com o objetivo de dessulfurá-lo, sendo a reação fundamental a seguinte: Misturado com coque, o minério ustulado, ou seja, o ZnO, é submetido a um processo de destilação, a cerca de 1.400 C, ocorrendo a seguinte reação básica: O vapor de zinco é condensado, resultando zinco líquido, que é vazado periodicamente em lingotes.
Zinco No processo hidrometalúrgico, as primeiras fases são idênticas às do processo anterior, resultando igualmente ZnO. Este é submetido a uma operação de lixiviação", realizada pelo ataque com uma solução de ácido sulfúrico a 10% de concentração a 60 C. Resulta uma solução de ZnSO 2 que deve ser purificada, sendo, para isso, submetida a operações de concentração e filtragem. A purificação permite eliminar as impurezas. A eliminação do ferro é feita pela oxidação do sulfato ferroso por meio de MnO 2 e a eliminação do Cu e do Cd é levada a efeito pela adição de pó de zinco.
Zinco Do processo resulta uma solução pura de ZnSO 4, a qual é submetida uma "eletrólise", em cuba eletrolítica onde os anodos são de chumbo e os catodos de alumínio. Opera-se essa eletrólise com elevada densidade de corrente e temperatura em torno de 400 C. O zinco deposita-se no catodo, com pureza que pode ser superior 99,98%. Dos resíduos do banho, recupera-se cádmio, cobre e, eventualmente metais preciosos e germânio.
Estanho O principal minério é a cassiterita SnO 2, geralmente muito impuro, pois o teor de estanho contido é, em média, 1%. Há minérios contendo a 4% de estanho. Os metais associados à cassiterita são, entre outros, W, Pb, Zn e Cu. Inicialmente, procede-se, por intermédio de mesas vibratórias, flotação e separação magnética. O concentrado é submetido a uma ustulação de modo a serem removidos o enxofre, o arsênio e o antimônio. Em seguida, procede-se a uma lavagem com ácido sulfúrico diluído. Neste momento, o produto contém cerca de 70% de SnO 2, com certa quantidade de óxido de ferro.
Estanho O SnO 2 é misturado com coque e fundente e levado a um forno de revérbero ou elétrico. O processo, aparentemente simples, apresenta certas dificuldades, entre as quais a temperatura final de redução, que não pode ser muito elevada, para evitar perda do metal por volatilização. O estanho metálico obtido apresenta uma pureza de 97 a 98,5%.
Chumbo O principal minério é a galena PbS, em que o teor de chumbo varia de 1 a 12% e as impurezas são mais freqüentemente de natureza silicosa; às vezes, são calcárias. Nesses minérios, os outros elementos metálicos que podem ocorrer são: zinco, prata, cobre, antimônio, arsénio, bismuto, cadmio, estanho, germânio, ouro, selênio etc. De início, procede-se à concentração do minério por flotação, resultando um concentrado contendo de 40 a 80% de chumbo, 4 a 15% de zinco e 2 a 3% de cobre. Antes da redução, realizam-se as fases de "ustulação" e "sinterização", em que as reações fundamentais são as seguintes:
Chumbo A redução se faz em "forno de cuba", onde se introduz o sintetizado, coque e fundente. O coque atua como combustível e redutor. A redução é direta e indireta: Os materiais líquidos juntam-se no cadinho do forno e se separam por diferença de densidades.