Processamento e Manufatura de Metais 1 Prof Lucas

Processamento e Manufatura de Metais 1 Prof. Lucas Freitas Berti Engenharia de Materiais - UTFPR 1

Aula 4 29/05/2013 Extração e Refino

Presença Cobrança da presença Processamento e Manufatura de Metais 1 3

§ Siderurgia Processamento e Manufatura de Metais 4

PELLETS § Siderurgia SINTER CRUSHED COKE Processamento e Manufatura de Metais 5

§ Siderurgia § Alto-forno (Blast-Furnace) ▫ Insumo: Minério de Fe (Iron-ore), Coque (Coke), Calcário (limestone) e ar quente; ▫ Metalurgia: Reações químicas acontecem, o que causa aquecimento, redução e fusão; Impurezas “boiam” no metal líquido; ▫ Produto: Ferro-gusa (Pig-Iron), que é transferido em carros-torpedo para os fornos de refino Processamento e Manufatura de Metais 6

§ Minérios Metálicos § Minerais com características específicas: ▫ Desoxidantes: Fe-Si, Fe-Si-Mn, Al(aço); ▫ Dessulfurantes Cao, Mg. O; ▫ Ligas-mães Ferro-liga Fe-Mn, Fe-Cr, Fe-Mo, Fe-Nb e Fe-Ni Processamento e Manufatura de Metais 7

§: Matérias primas: § Minérios; Integradas: § Siderurgia § Redutores; § § § § Combustíveis; Fundentes; Sucatas; Ferros-liga; Desoxidantes; Dessulfurantes; Refratários. Utilidades: ▫ Água; ▫ Oxigênio; ▫ Energia elétrica § Ainda referidas como “aciarias elétricas” § Sucatas; § Fundentes; § Ferros-liga; § Refratários; § Utilidades: ▫ As mesmas, apenas com maior consumo de EE. Processamento e Manufatura de Metais 8

§ Minérios Metálicos Minérios, aglomerados, combustíveis e redutores § Ferro: ▫ Hematíticos (Fe 2 O 3), magnetíticos (Fe 3 O 4) e ilmeníticos (Fe. Ti. O 3), limoníticos (Fex. Oy hidratados), porém os mais importantes são os dois primeiros. ▫ No Brasil, os hematíticos são predominantes e possuem muito pouca ganga, com 70% de Fe, considerados um dos melhores do mundo. § Redutor: ▫ O mais utilizado é o coque, formado pelo beneficiamento (destilação) do carvão metalúrgico, produzindo um material de alta concentração de carbono. Processamento e Manufatura de Metais 9

§ Minérios Metálicos Fluxantes, escorificantes e fundentes § Normamente são: ▫ ▫ Óxidos; Carbonatos; Fluoretos; Cloretos. Processamento e Manufatura de Metais 10

§ Minérios Metálicos Fluxantes, escorificantes e fundentes § Óxidos e carbonatos são mais frequentemente utilizados ▫ Óxidos de Cálcio, Magnésio, Silício, Bário etc; ▫ Carbonato correspondentes: Calcário, Dolomita, Magnesita Esses ao reagir produzem reações endotérmicas, assim é necessário ter cuidado no balanço e perfil térmico do processo. Processamento e Manufatura de Metais 11

§ Minérios Metálicos Fluxantes, escorificantes e fundentes § Fluoretos ▫ A fluorita, fluoreto de Cálcio, é um eficiente fluxante; ▫ Sua utilização só é limitada por sua característica redutora, que prejudica o refratário dos fornos. Processamento e Manufatura de Metais 12

§ Minérios Metálicos Fluxantes, escorificantes e fundentes § Fluxantes ▫ Também denominados escorificantes e fundentes (não sinônimos); ▫ Tem a função de aumentar a fluidez e facilita as reações e separação metalescória ▫ A principal substância fluxante é o Ca. F 2; § Escorificantes: ▫ Tem a função de reter as impurezas com baixa atividade na escória (Carbonato de Calcio, Ca. CO 3), Criolita para Al; § Fundentes: ▫ Tem a função de reduzir a temperatura liquidus; ▫ Exemploes na siderurgia são: dolomita (Mg), (calcário, Ca. Mg(CO 3)2), Ca. O, Mg. O e Si. O 2; ▫ Poder ter efeito fluxante; Processamento e Manufatura de Metais 13

§ Minérios Metálicos Sucatas § Siderúrgicas integradas usam até 20%; ▫ Porque? § Semi-integrada é o principal insumo; ▫ Nesse tipo, o consumo de energia é alto! Processamento e Manufatura de Metais 14

§ Minérios Metálicos Desoxidantes, dessulfurantes, ferros-liga § Desoxidantes: ▫ Fe-Si, Fe-Si-Mn e Al, por conterem componentes com alta afinidade por oxigênio; § Dessulfurantes: ▫ Ca, Mg, Ca-Si, Terras-Raras, Ca. O, Mg. O, Ca-Mg, não podem conter P, pois esse irá permanecer no material; Processamento e Manufatura de Metais 15

§ Minérios Metálicos Desoxidantes, dessulfurantes, ferros-liga § Ferros-Liga ▫ Ligas-mãe que são utilizadas para adição de elemtno de liga nos aços. Quando utilizado em microligados, não são tão susceptíveis às impurezas; Quando utilizado em ligados e de alta-liga, apresentam maior susceptibilidade às impurezas; Quando obtido por Redução metalotérmica, Al e Si, não são críticas, pois são facilmente removidas; Quando obtido por Redução carbontérmica, por conter alto teor de carbono, não permite a utilização com adição final; A umidade precisa ser controlada, para evitar a incorporação de H no aço. Processamento e Manufatura de Metais 16

§ Minérios Metálicos Impurezas § As mais nocivas: ▫ S, pois sua eliminação necessita meios básicos e redutores ▫ Cu, As, Sb, Ni são mais nobres e não oxidam na oxidação seletiva; § Nocivas: ▫ P, pois sua eliminação necessita meios básicos e oxidantes; ▫ Zn, reduz o teor de Fe, gera gases e aquece tubulações de exaustão por re-oxidação e gera mais poeira; § Menos nocívas: ▫ Al, Ti, Nb, Cr, V, Si, Mn, C, pela fácil oxidação seletiva e baixa restrição de composição nos produtos finais. Processamento e Manufatura de Metais 17

§ Minérios Metálicos Propriedade dos minérios § A frio: ▫ Resistência a fratura Ensaios de tamboreamento, queda e compressão; § A quente: ▫ Crepitação: degradação por ruptura quando submetido abruptamente a temperaturas maiores que 300°C, por conta da umidade; ▫ Inchamento: ocorre quando a hematita é reduzida para magnetita e wustita (Fe 3 O 4 e Fe. O), por causa de trincamentos; Quando ocorrem entre 900 e 1050°C, inviabilizando o processo; Processamento e Manufatura de Metais 18

§ Minérios Metálicos Propriedade dos minérios § A quente: ▫ Degradação a baixas temperaturas: Ocorre na redução da hematita em magnesita e wustita, onde a romboédrica é mais susceptsível a esse processo. Pequenas adições de Cl 2 e SO 2, normalmente presentes nos Alto-Fornos, diminuem esse tipo de degradação; ▫ Resistência a compressão, aglomerados de cura a frio perdem a resistência com a degradação desses; Processamento e Manufatura de Metais 19

§ Minérios Metálicos Propriedade dos minérios § A quente: ▫ Redutibilidade: é a propriedade do minério de ser mais ou menos facilmente reduzido, que depende de porosidade, granulometria, porosidade, mineralogia e trincas. Onde a hematita apresenta (49, 9%), megnetita (26, 7%), Ca. O. Fe 2 O 3 (40, 1%), 2 Ca. O. Fe 2 O 3 (28, 5%), e Fayalita (1%); ▫ Reatividade: é a propriedade cinética importante para os carvões e coques; Reatividade CRI é definido como o percentual de massa perdida durante o ensaio por adição de CO 2 nas condições estabelecidas. Processamento e Manufatura de Metais 20

§ Ementa § Siderurgia: ▫ ▫ Minérios metálicos. Processos de extração e refino. Processos siderúrgicos. Nucleação e solidificação dos metais. Processamento e Manufatura de Metais 21

§ Nesta aula § Processos de obtenção dos Metais ▫ Redução Ferro; Alumínio, Processamento e Manufatura de Metais 22

§ Processos de Extração e Refino § Processo de redução: ▫ Normalmente os metais aparecem na natureza como, óxidos, sulfetos, silicatos e raramente como metais nativos; ▫ Normalmente ocorrem em fornos de alta temperatura; ▫ Pode ocorrer em eletrólises de baixa ou alta temperatura, e. g. eletrólise ígnea do Al; ▫ Lixiviação com H 2 SO 4, com posterior cementação redutora; ▫ Condições redutoras são obtidas pela inclusão de compostos com maior afinidade pelo oxigênio, e. g. C, ou redução eletrolítica Processamento e Manufatura de Metais 23

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Ferro § Os minérios de ferro precisam ser quimicamente reduzidos para que se obtenha o ferro metálico: Fe+3 + 3 e- → Fe Fe 2 O 3 + 3 C → 2 Fe + 3 CO § Atualmente há duas técnicas mais importantes para redução do minério de ferro: redução em alto-forno, produzindo gusa líquido e a redução direta. Processamento e Manufatura de Metais 24

§ Processos de Extração e Refino Mineração Desmonte Britagem Classificação Concentração Produtos Sinter 0, 15 a 8 mm Minério Fragmentar o corpo mineral Utilização de explosivos Liberar a Hematita da ganga Granular a partícula em função do tamanho Separar a ganga da hematita Pellet <0, 15 mm Rejeito (óxidos , Si, Al, Ca, Mg, P etc. ) Processamento e Manufatura de Metais 25

§ Processos de Extração e Refino § O gusa é o produto imediato da redução do minério de ferro pelo coque ou carvão e calcário num alto forno. O gusa normalmente contém até 4, 5% de carbono, o que faz com que seja um material quebradiço e sem grande uso direto. § O ferro gusa é a matéria-prima do aço. É formado por uma liga de ferrocarbono, obtida em alto forno e fundida em molde padrão de formato piramidal, de aproximadamente 4, 5 kg, e em formato trapezoidal de 6, 5 kg. É dividido em 3 categorias de acordo com sua especificação química: Composição genérica do gusa ▫ Ferro Gusa de Aciaria: matéria-prima utilizada na produção do aço; Carbono 3, 5 a 4, 5% ▫ Ferro Gusa de Fundição: matéria-prima para peças fundidas; Silíciode peças especiais. 0, 3 a 2% ▫ Ferro Gusa Nodular: matéria-prima utilizada na produção Enxofre 0, 01 a 0, 1% Fósforo 0, 05 a 2% Manganês Processamento e Manufatura de Metais 0, 5 a 2% 26

§ Ferro primário § Processos de Extração e Refino 5 mm<Pelotas<18 mm 5 mm<Sinter<50 mm 6 mm< Minério <40 mm granulado Em detalhe Processamento e Manufatura de Metais 27

As condições termodinâmicas existentes no interior do reator promovem a incorporação de algumas impurezas ao gusa líquido e separa outras na fase escória e gás. MINÉRIO § Processos de Extração e Refino Mn. O Fe O Ca. O PO K O Si. O Mn 3 O 4 Fe. O Mn. O Fe (99%) Mn. O 5 2 2 Al 2 O 3 P 2 O 5 K 2 O Mn (70%) P (95%) C GÁS Fe 3 O 4 Fe. O 2 GÁS 2 3 GÁS 2 COQUE Si. O 2 Ca. O Al 2 O 3 ESCÓRIA Si (10%) Processamento e Manufatura de Metais GUSA C (12%) 28

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Ferro § As principais reações no alto-forno são C + ½ O 2 → CO 2 CO + Fe 2 O 3 → 2 Fe + CO 2 S + O 2 → SO 2 (ocorre no topo do alto-forno) § O gradiente de temperatura vai desde 1800°C na base até 300°C no topo; § Gerando pirâmides e trapézios sólidos (lingotes) ou no estado líquido sendo transportado para a etapa seguinte de refino; Processamento e Manufatura de Metais 29

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Ferro § Sobrenadando no metal fundido encontra-se a escória, que em mistura com o calcário (Ca. CO 3) remove impurezas de acordo com as reações: ▫ Ca. CO 3 Ca. O +CO 2; ▫ Si. O 2 + Ca. O Ca. Si. O 3. ▫ Assim removendo a sílica em forma de silicato na escória. § O Ferro-gusa é um material de propriedades muito ruins (duro, frágil e impuro) e ele precisa ser refinado § O refino visa reduzir Si, P e S, podendo ser realizada a redução direta ou a fusão redução, onde essa última divide o Alto-forno em duas parte evitando a região coesiva, que reduz a eficiência do AF. Processamento e Manufatura de Metais 30

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Alumínio § Processo Bayer: ▫ Tratamento com soda caustica em temperatura de até 170°C; ▫ Unidades chamada de refinaria de bauxita; § Eletrólise Ígnea da Alumina (e. g. processo Hall–Héroult): ▫ Eletrólise do óxido de alumínio na presença de um fundente; ▫ Unidades chamadas de redução; ▫ No processo Hall–Héroult, a alumina obtida é tratada com água quente e ácido sulfúrico para liberá-la dos possíveis óxidos de titânio que podem ter restado. O processo foi inventado de forma independente e quase simultaneamente em 1886 pelo químico americano Charles Martin Hall e o francês Paul Héroult. Em 1888, Hall abriu a primeira fábrica de produção de alumínio em grande escala em Pittsburgh. Ele mais tarde se tornou a Alcoa corporação. Processamento e Manufatura de Metais 31

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Alumínio § Processo Bayer: ▫ Bauxitas de Gibsita são mais solúveis em soda cáustica em temperaturas e concentrações menores, já de Boehmita as temperaturas e concentrações são maiores; ▫ O processo ocorre em condições onde o aluminato de sódio é solúvel e a outra parcela não reagida permanece um resíduo insolúvel, denominada lama vermelha; Processamento e Manufatura de Metais 32

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Alumínio § Processo Bayer em detalhes: ▫ Polpa: gibsita, argila, sílica reativa e outras impurezas, com soda cáustica 23% e temperatura da ordem de 170°C; ▫ Sai do digestor o licor rico em aluminato de sódio, hidrato de alumínio, soda cáustica e lama; Sendo concentrado à vácuo e o gás que sai é utilizado para o aquecimento do licor pobre; ▫ Floculação para separação do licor e da lama; ▫ Mais um concentrador à vácuo com reutilização dos gases no licor pobre; ▫ O licor vai para o precipidador, onde há sementes de alumina, para precipitação de hidratos; ▫ Os hidratos são separados do licor, o qual se denomina licor-pobre, o qual volta para o processo; ▫ Os hidratos são lavados, secos e calcinados para produção de alumina pura. Processamento e Manufatura de Metais 33

§ Processos de Extração e Refino Processamento e Manufatura de Metais 34

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Alumínio § Eletrólise da alumina; ▫ Devido sua elevada reatividade a alumina não pode ser reduzida por processos químicos, sendo necessária a eletrólise para produção do metal, processo que ocorre em fase líquida; ▫ A temperatura de fusão da alumina é da ordem de 2000°C, porém com a adição de um fundente (criolita, Na 3 Al. F 6), o processo ocorre em 1000°C; ▫ Hoje em dia está se utilizando a ciolita, um fluoreto artificial de alumínio, sódio e cálcio, Na. Ca. Al. F 6. Processamento e Manufatura de Metais 35

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Alumínio § Eletrólise da alumina; ▫ A alumina se dissocia: Al 2 O 3 → 2 Al 3+ + 3 O 2 - ▫ No eletrodo negativo ocorre a seguinte reação: 4 Al 3+ + 12 e- → 4 Al 0 ▫ Enquanto no eletrodo positivo: 6 O 2 - → 3 O 2 + 12 e- ▫ A equação glogal apresenta-se como: 2 Al 2 O 3 → 4 Al 3+ + 6 O 2 4 Al 3+ + 12 e- → 4 Al 0 6 O 2 - → 3 O 2 + 12 e 2 Al 2 O 3 → 4 Al 0 + 3 O 2 6 C + 6 O 2 → 6 CO 2 ▫ A reação global: 4 Al 2 O 3 + 6 C→ 8 Al + 6 CO 2 Processamento e Manufatura de Metais 36

§ Processos de Extração e Refino Processamento e Manufatura de Metais 37

§ Nesta aula § Processos de obtenção dos Metais ▫ Redução Cobre; Zinco; Estanho; Metais de uso restrito (Pb, Ni, Cr, Ta, Mn, Mo, Mg, Ni, W); Outros metais. Processamento e Manufatura de Metais 38

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Cobre § Extração do minério: ▫ A céu aberto; ▫ Em galerias subterâneas; ▫ Lixiviação (in situ): Injeção de ácido sulfúrico e coleta de soluções acidas ricas em sulfato de cobre. § Normalmente a concentração de 1% de Cu; ▫ Enriquecimento processos físicos, mecânicos ou químicos; Resultando em concentrações de 30 a 38%; § Após o enriquecimento, esse é o insumo para etapas de redução; Processamento e Manufatura de Metais 39

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Cobre § Os processos que combinam a via: ▫ Piro- e Hidrometalúrgica (via úmida) ou; ▫ Pirometalúrgica § Minérios sulfetados: ▫ Ustulação (processo pirometalúrgico) e em seguida tratados por via úmida; ▫ O óxido resultante é lixiviado (H 2 SO 4), ▫ A solução de sulfeto é tratada por cementação ou eletrólise para obter o Cu; § Minérios óxidos, carbonatos ou silicatados: ▫ Calcinados e lixiviados Processamento e Manufatura de Metais 40

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Cobre § Ustulação: ▫ consiste em aquecer um sulfeto na presença de gás de oxigênio, conhecido também como "queima de sulfeto". Processo geralmente usado para obtenção de metais como: chumbo, cobre, prata, zinco e mercúrio. Processamento e Manufatura de Metais 41

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Cobre § Calcinação e lixiviação: ▫ Cu. CO 3. Cu(OH)2 Calor 2 Cu. O + H 2 O↑+ CO 2 ↑ (calcinação) ▫ Cu. Si. O 2. 2 H 20 Calor Cu. O + Si. O 2 + 2 H 2 O↑ (calcinação) ▫ Cu. O + H 2 SO 4 Cu. SO 4 + H 2 O (Cu. SO 4 em solução – lixiviação) § Lixiviação direta: ▫ Cu. CO 3. Cu(OH)2+4 H 2 SO 4 4 Cu. SO 4 + 7 H 2 O + CO 2 ↑ A solução é então tratada para extrair cobre por cementação redutora ou eletrólise; Processamento e Manufatura de Metais 42

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Cobre § Redução via úmida: ▫ Cementação redutora Consiste no deslocamento de cobre da solução, através da introdução na mesma de um elemento mais reativo, i. e. metal situado mais acima na tabela de potenciais eletroquímicos, e. g. Fe; ▫ Eletrólise Consiste na redução por corrente elétrica, depositando o cobre no cátodo de um célula eletrolítica; Processamento e Manufatura de Metais 43

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Cobre § Cementação redutora ▫ Cu. SO 4 + Fe Fe. SO 4 + Cu § Eletrólise ▫ ▫ Cu. SO 4 ↔ Cu 2++ SO 42 - (Dissociação do sulfeto); Cu 2++2 e- Cu (reação no cátodo); SO 42 - + 2 e- (SO 4)0 (reação no ânodo); (SO 4)0 + H 2 O H 2 SO 4 + ½ H 2 O↑ (reação no ânodo); Processamento e Manufatura de Metais 44

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Cobre § Minério com alto teor de Fe: ▫ Processo pirometalúrgico, processo de fusão a mate, realizada após operação inicial de ustulação: ▫ Cu. Fe. S 2 + O 2 Cu 2 S + Fe. S + SO 2; ▫ A mistura fundida de Cu 2 S + Fe. S é denominada mate; O mate contém 30 a 55% de Cu ▫ Após escorificação do mate: Cu 2 S + O 2 Cu 2 O + SO 2; Cu 2 O + Cu 2 S Cu + SO 2; ▫ O cobre obtido é chamado de Blister (98, 5%) ▫ O SO 2 é reaproveitado para produção de ácido sulfúrico; Processamento e Manufatura de Metais 45

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Zinco § A extração pode ser feita a céu aberto ou jazidas subterrâneas; ▫ Após extração minério é triturado e flotado; § Minérios com alto teor de sulfeto é tratado a seco; ▫ Após a ustulação o sulfeto é transformado em óxido; ▫ O óxido é reduzido com carbono; Processo é semelhante a outro processo? Processamento e Manufatura de Metais 46

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Zinco § Reações de ustulação e redução na pirometalurgia ▫ ustulação parcial: Zn. S + 2 O 2 Zn. SO 4 (solúvel em água); ▫ ustulação total: Zn. S + ½ O 2 Zn. O + SO 2 ↑ (fabricação H 2 SO 4); § Redução pirometalúrgica: ▫ Zn. O(s) + C(s) Zn(g) + CO(g); § Redução hidrometalúrgica: ▫ Zn. O + H 2 SO 4(s) Zn. SO 4 (s) + H 2 O; § Zn. SO 4 (s) + é submetido a um processo de eletrólise com ânodo de chumbo e câtodo de alumínio; ▫ O Zinco é fundido e lingotado para comercialização Processamento e Manufatura de Metais 47

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Zinco § Minérios com baixo teor de Fe ▫ ▫ também são submetidos à ustulação, para obteção de óxido; Lixiviados com H 2 SO 4 Purificada para extração de Zn. S; O sulfato é submetido a eletrólise § Processamento e Manufatura de Metais 48

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Estanho § O estanho é um elemento escasso na natureza; § A cassiterita tem em torno de 4 a 8%, chegando a ser extraído com 1%. § Obtido pela redução com carbono; ▫ Sn. O 2 + 2 C Sn + 2 CO ▫ Após a redução o Sn tem apenas 95% e precisa de refino. Processamento e Manufatura de Metais 49

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Chumbo § Obtido principalmente pela pirólise da galena ▫ Pb. S + 3/2 O 2 Pb. O + SO 2 ↑; ▫ (800°C) 2 Pb. O + Pb. S 3 Pb + SO 2 ↑; Processamento e Manufatura de Metais 50

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Níquel § Normamente utilizado para produção de Fe-Ni, contém 99, 9% de (Fe, Ni), sendo 40% de Ni; § Partindo-se da garnierita, o minério é carregado com carvão vegetal em fornos elétricos; § A liga é então lingotada ou granulada em água; Processamento e Manufatura de Metais 51

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Cromo ▫ Usado em ligas para aumentar a resistência à corrosão e revestimento brilhante; ▫ Em aços melhora a resistência a corrosão; Processamento e Manufatura de Metais 52

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Cromo ▫ Obtido pela cromita por pirometalurgia, aquecendo o Cr em presença de Al ou Si; ▫ Para utilização em ligas metálicas é produzido sob a forma de Fe. Cr Processamento e Manufatura de Metais 53

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Titânio § É um metal de boa resistência mecânica e de corrosão; § Obtenção ▫ concentração do minério por separações gravimétricas, magnéticas e eletrostáticas; ▫ Ti. O 2 concentrado obtido por dissolução de óxido de ferro com ácido sulfúrico ou clorídrico; ▫ Ti é obtido por cloretação ou redução por magnésio em Ar. § A principal impureza é o Fe ▫ Quanto menor a concentração de Fe, tanto maior a resistência a corrosão Processamento e Manufatura de Metais 54

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Manganês ▫ Obtidao a partir da pirolusita, Mn. O 2, para confecção do Fe-Mn § Redução primária do Molibdênio ▫ Importante para aumentar a resistência a corrosão e fluência; ▫ Obtido a partir da molibdenita, Mo. S, que após a ustulação e formação do Mo. O 2 é usada para confecção do Fe-Mo; § Redução primária do Magnésio ▫ Obtido pela eletrólise de sais marinho de Mg e pela eletrólise do Mg. O, a qual é empregada amplamente industrialmente Processamento e Manufatura de Metais 55

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Nióbio ▫ Usada em aços inoxidáveis e outras ligas não ferrosas, tubos de alta pressão e componentes de motores a jato. ▫ Obtido a partir da columbita para formação de Fe-Nb Processamento e Manufatura de Metais 56

§ Processos de Extração e Refino § Redução primária do Tungstênio § A wolframita é submetida ao processo de: ▫ ▫ Fusão, produzindo Na 2 WO 4; Tratamento do licor para remoção do Na e obtenção do H 2 WO 4; Calcinação para obtenção do WO 4; Redução em hidrogênio ou em carbono § A prata, o ouro, a platina, o mercúrio são produzindo com metalurgia de metais de uso mais intensivo; ▫ Normalmente pela concentração redutora, por ser mais um processo de baixo custo. Processamento e Manufatura de Metais 57

§ Processos de Extração e Refino § Principais impurezas na redução primária § C no ferro gusa torna-o quebradiço , alta dureza; O gusa também apresenta Si e eventualmente S; § Al tem as propriedades influenciadas por altos teores de Fe e Cu; § Cu por altos teores de Fe e óxidos; § Zn por teores de Fe, Cu e Si; § Sn por teores de Fe e Pb Processamento e Manufatura de Metais 58

§ Processos de Extração e Refino § Processos de refino § Visa ajustar as características e propriedades de metais obtidos pela redução primária; ▫ ▫ O principal objetivo é a redução de impurezas por processos de oxidação ou eletrolíticos; Utiliza-se a escória para remoção de elementos prejudiciais; No refino também pode-se adicionar elementos de liga ao metal; Ligas com alto teor de elementos são obtidas por processos secundários em fornos especiais, principalmente os elétricos Processamento e Manufatura de Metais 59

§ Processos de Extração e Refino § Processos de refino do Ferro ▫ O processo de refino do Fe sofreu profundas modificações, desde o primeiro processo em 1780; § Os conversores mais utilizados: ▫ Conversor LD, que injetam oxigênio diretamente no gusa; Em usinas integradas o gusa vai para os conversores nos carros torpedos; No conversor a corrida se dá em menos de 30 minutos; Para esse processo, é necessária uma planta de oxigênio na empresa; § São objetivos do refino: ▫ ▫ Eliminação de impurezas, e. g. C, Si, P e S; Eliminação de gases, e. g. hidrogênio, nitrogênio e oxigênio; Homogeneização de estrutura; Reduzir, quando possível, o tamanho de grão. Processamento e Manufatura de Metais 60

§ Processos de Extração e Refino § Processos de refino do Ferro § As principais reações são: ▫ ▫ Desfosforação; Dessilicização; Descarburação; Dessulfuração. § Após esses processos o material é vazado em moldes sob o formato de: ▫ ▫ Placas; Tarugos; Barras redondas; Normalmente sendo utilizado o lingotamento contínuo, quando existe uma grande produção e a usina é mais moderna; ▫ Em usinas mais antigas, ainda existem o lingotamento em moldes; Esse processo necessita o reaquecimento, em fornos poço, para subsequente laminação primária de desbaste; ▫ Em usinas integradas as placas, tarugos ou fios seguem diretamente para a laminação. Processamento e Manufatura de Metais 61

§ Processos de Extração e Refino § Processos de refino do Ferro § As principais reações são: § Desfosforação; ▫ 5 Fe. O + 2 P P 2 O 5 + 5 Fe; ▫ Fe. O + P 2 O 5 Fe. O. P 2 O 5; ▫ Fe. O. P 2 O 5 + Ca. O. P 2 O 5 + Fe. O. § Ocorre na primeira fase do processos, onde: ▫ Temperaturas mais baixas; ▫ Concentrações de Fe. O são altas; Processamento e Manufatura de Metais 62

§ Processos de Extração e Refino § Processos de refino do Ferro § As principais reações são: § Dessilicização; ▫ ▫ ▫ ▫ 2 Fe + O 2 2 Fe. O; 2 Fe. O + Si Si. O 2 + Fe; Fe. O + Mn Mn. O + Fe; Fe. O + Si. O 2 Fe. O. Si. O 2 ; Mn. O + Si. O 2 Mn. O. Si. O 2 ; Fe. O. Si. O 2 + Ca. O. Si. O 2 + Fe. O; Mn. O. Si. O 2 + Ca. O. Si. O 2 + Mn. O; § São normalmente reações exotérmicas, que gerando um aumento na temperatura global do conversor. Processamento e Manufatura de Metais 63

§ Processos de Extração e Refino § Processos de refino do Ferro § As principais reações são: § Descarburação; ▫ Fe. O + C Fe + CO; ▫ 2 C + O 2 2 CO; § Nas condições reinantes, o carbono ainda reduz o Mn, aumentando a concentração de Mn. Processamento e Manufatura de Metais 64

§ Processos de Extração e Refino § Processos de refino do Ferro § As principais reações são: § Dessulfuração. ▫ Fe. S + Ca. O Ca. S + Fe. O; ▫ Fe. S + O 2 SO 2 + Fe; § Esse processo se dá ao final da segunda fase, onde aumenta a relação Si. O 2/Ca. O, que por sua vez aumenta a basicidade da escória, resultando no aumento da dessulfuração. § O Mn restante é importante para a formação de Mn. S, o qual melhora a trabalhabilidade na etapa de laminação Processamento e Manufatura de Metais 65

§ Processos de Extração e Refino § Processos de refino do Ferro; § Ainda existe o refino em fornos elétricos; ▫ Gusa sólido e sucata; § Existe o refino secundário; ▫ Adicionar elementos de liga, ou eliminar elementos indesejáveis; ▫ Modificar a morfologia de inclusões, para melhorar certas propriedades, e. g. resiliência; § O aço pode ser desoxidado gerando: ▫ Aços acalmados; ▫ Aços semiacalmados; ▫ Aços efervercentes; § Esse processo é realizado com a inclusão de elementos mais reativos, ▫ Fe-Si, Fe-Si-Mn Processamento e Manufatura de Metais 66

§ Processos de Extração e Refino § Processos de refino do Alumínio § O Al produzido por eletrólise permite sua utilização na maioria das aplicações comuns; § O refino é feito por processo eletrolítico. Processamento e Manufatura de Metais 67

§ Processos de Extração e Refino § Processos de refino do Cobre § Quando necessário é realizado o refino eletrolíco; § O Cu primário é fundido em ânodos e depositados sobre cátodos em banho de ácido sulfúrico; ▫ Isso é necessário quando ele é utilizado como material de condutores; Processamento e Manufatura de Metais 68

§ Processos de Extração e Refino § Processos de refino do Zinco § Realizado em fornos de pirólise a partir do minério contendo impurezas, e. g. Fe, Cu e Si; § Realiza-se a purificação por processo eletrolítico; ▫ Isso é necessário quando ele é utilizado como material de ânodos galvânicos; Processamento e Manufatura de Metais 69

§ Processos de Extração e Refino § Processos de refino do Estanho § O processo é realizado em fornos de pirólise, a partir do minério contendo impurezas, e. g. Fe, Cu, Pb, As, Sb, Al, Ti e Bi; § As etapas do processo são: ▫ Liquação ou ressudação, elevando a temperatura até 270°C onde o Sn é escorrido deixando grande parte das impurezas para trás; ▫ Insolubilizaçao, adiciona-se S para remoção do Cu, pela flotação de Cu 2 S, adicionasse Al metálico para remoção de Ni, Sb, Cu, As; O excesso de S é removido com Na 2 CO 3; O excesso de Al é removido por oxidação seletiva; ▫ Oxidação seletiva, para remoção de Al, Ti, Zn e Fe, pela injeção de H 2 O. ▫ Eletrolítico, para remoção residual de As, Sb, Ag e Zn, onde o Sn é colocado no ânodo e deposita-se sobre Zn puro no cátodo. Processamento e Manufatura de Metais 70

§ Processos de Extração e Refino § Principais impurezas remanescentes no processos de refino ▫ No ferro: carbono aumenta dureza, resistência mecânica e reduz ductilidade; ▫ No ferro: silício tem efeito semelhante ao carbono e ainda aumenta a resistência a corrosão; ▫ No ferro: inclusões de óxido, silicatos e carbonatos alteram propriedades mecânicas e resistência a corrosão; ▫ No alumínio: ferro e cobre aumentam dureza e reduzem resistência a corrosão; ▫ No cobre, ferro e oxigênio reduzem condutividade elétrica; ▫ No zinco, cobre e silício reduzem o desempenho como ânodo galvânico Processamento e Manufatura de Metais 71

§ Processos de Extração e Refino Metal Minérios Beneficiamento do minério Redução primária Refino Impurezas Ferro Hematita Magnetita Britagem e seleção Sinterização Pelotização Altos-fornos com coque e fundentes Conversores de oxigênio C e Si Alumínio Bauxita Refino da Bauxita para produção de alumina Em cubas eletrolíticas com fundentes e criolita ou ciolita Eletrolítico Fe e Cu Cobre Bornita Calcopirita Calcosita Cuprita Malaquita Concentração Ustulação Calcinação Lixiviação Redução eletrolitica Cementação redutora Pirometalurgia Eletrolítico Fe e O Zinco Blenda Ustulação Redução eletrolítica Eletrolítico Fe, Cu e Si Em fornos de pirólise Liqüação Solubilização Oxidação eletrolítco Fe, Cu, Pb, As, Sb, Al, Ti e Bi Estanho Cassiterita Concentração Processamento e Manufatura de Metais 72

§ Siderurgia Processamento e Manufatura de Metais 73

§ Próxima aula § Processos de preparação das matérias-primas ▫ ▫ ▫ Secagem; Calcinação; Aglomeração; Coqueificação; Alto-forno; Conversores. Processamento e Manufatura de Metais 74