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

Apresentação em tema: "Processamento e Manufatura de Metais 1 Prof. Lucas Freitas Berti Engenharia de Materiais - UTFPR 1."— Transcrição da apresentação:

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

2 Aula 4 Extração e Refino 29/05/2013

3 Processamento e Manufatura de Metais 1 Presença Cobrança da presença 3

4 Processamento e Manufatura de Metais 4  Siderurgia

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

6 Processamento e Manufatura de Metais  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 6  Siderurgia

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

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

9 Processamento e Manufatura de Metais Minérios, aglomerados, combustíveis e redutores  Ferro: ▫ Hematíticos (Fe 2 O 3 ), magnetíticos (Fe 3 O 4 ) e ilmeníticos (FeTiO 3 ), limoníticos (FexOy 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. 9  Minérios Metálicos

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

11 Processamento e Manufatura de Metais 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. 11  Minérios Metálicos

12 Processamento e Manufatura de Metais 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. 12  Minérios Metálicos

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

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

15 Processamento e Manufatura de Metais 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, CaO, MgO, Ca-Mg, não podem conter P, pois esse irá permanecer no material; 15  Minérios Metálicos

16 Processamento e Manufatura de Metais 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. 16  Minérios Metálicos

17 Processamento e Manufatura de Metais 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. 17  Minérios Metálicos

18 Processamento e Manufatura de Metais 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 FeO), por causa de trincamentos;  Quando ocorrem entre 900 e 1050°C, inviabilizando o processo; 18  Minérios Metálicos

19 Processamento e Manufatura de Metais 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; 19  Minérios Metálicos

20 Processamento e Manufatura de Metais 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%), CaO.Fe 2 O 3 (40,1%), 2CaO.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. 20  Minérios Metálicos

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

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

23 Processamento e Manufatura de Metais  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 23  Processos de Extração e Refino

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

25 Processamento e Manufatura de Metais ProdutosConcentraçãoClassificaçãoBritagemDesmonteMineração 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 Sinter 0,15 a 8 mm Pellet <0,15 mm Rejeito (óxidos, Si, Al, Ca, Mg, P etc.) 25  Processos de Extração e Refino

26 Processamento e Manufatura de Metais  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 ferro- carbono, 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: ▫ Ferro Gusa de Aciaria: matéria-prima utilizada na produção do aço; ▫ Ferro Gusa de Fundição: matéria-prima para peças fundidas; ▫ Ferro Gusa Nodular: matéria-prima utilizada na produção de peças especiais. 26  Processos de Extração e Refino Composição genérica do gusa Carbono3,5 a 4,5% Silício0,3 a 2% Enxofre0,01 a 0,1% Fósforo0,05 a 2% Manganês0,5 a 2%

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

28 Processamento e Manufatura de Metais  Processos de Extração e Refino 28 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. COQUE MINÉRIO Fe 2 O 3 MnO 2 P2O5P2O5 K2OK2OSiO 2 CaOAl 2 O 3 ESCÓRIA GUSA Fe 3 O 4 FeO Fe (99%) Si (10%) SiO 2 CaO Al 2 O 3 P2O5P2O5 P (95%) GÁS K2OK2O C C (12%) GÁS Mn (70%) MnO GÁS Mn 3 O 4 MnO

29 Processamento e Manufatura de Metais  Redução primária do Ferro  As principais reações no alto-forno são  C + ½ O 2 → CO  2CO + Fe 2 O 3 → 2Fe + CO + 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; 29  Processos de Extração e Refino

30 Processamento e Manufatura de Metais  Redução primária do Ferro  Sobrenadando no metal fundido encontra-se a escória, que em mistura com o calcário (CaCO 3 ) remove impurezas de acordo com as reações: ▫ CaCO 3  CaO +CO 2 ; ▫ SiO 2 + CaO  CaSiO 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. 30  Processos de Extração e Refino

31 Processamento e Manufatura de Metais  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. 31  Processos de Extração e Refino

32 Processamento e Manufatura de Metais  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; 32  Processos de Extração e Refino

33 Processamento e Manufatura de Metais  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. 33  Processos de Extração e Refino

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

35 Processamento e Manufatura de Metais  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 AlF 6 ), o processo ocorre em 1000°C; ▫ Hoje em dia está se utilizando a ciolita, um fluoreto artificial de alumínio, sódio e cálcio, NaCaAlF 6. 35  Processos de Extração e Refino

36 Processamento e Manufatura de Metais  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  6C + 6 O 2 → 6 CO 2 ▫ A reação global:  4 Al 2 O 3 + 6C→ 8 Al + 6 CO 2 36  Processos de Extração e Refino

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

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

39 Processamento e Manufatura de Metais  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 pro processos físicos, mecânicos ou químicos;  Resultando em concentrações de 30 a 38%;  Após o enriquecimento, esse é o insumo para etapas de redução; 39  Processos de Extração e Refino

40 Processamento e Manufatura de Metais  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 40  Processos de Extração e Refino

41 Processamento e Manufatura de Metais  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. 41  Processos de Extração e Refino

42 Processamento e Manufatura de Metais  Redução primária do Cobre  Calcinação e lixiviação: ▫ CuCO 3.Cu(OH) 2  Calor  2CuO + H 2 O↑+ CO 2 ↑ (calcinação) ▫ CuSiO 2.2H 2 0  Calor  CuO + SiO 2 + 2H 2 O↑ (calcinação) ▫ CuO + H 2 SO 4  CuSO 4 + H 2 O (CuSO 4 em solução – lixiviação)  Lixiviação direta: ▫ CuCO 3.Cu(OH) 2 +4 H 2 SO 4  4CuSO 4 + 7H 2 O + CO 2 ↑  A solução é então tratada para extrair cobre por cementação redutora ou eletrólise; 42  Processos de Extração e Refino

43 Processamento e Manufatura de Metais  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; 43  Processos de Extração e Refino

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

45 Processamento e Manufatura de Metais  Redução primária do Cobre  Minério com alto teor de Fe: ▫ Processo pirometalúrgico, processo de fusão a mate, realizada após operação inicial de ustulação: ▫ CuFeS 2 + O 2  Cu 2 S + FeS + SO 2 ; ▫ A mistura fundida de Cu 2 S + FeS 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; 45  Processos de Extração e Refino

46 Processamento e Manufatura de Metais  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? 46  Processos de Extração e Refino

47 Processamento e Manufatura de Metais  Redução primária do Zinco  Reações de ustulação e redução na pirometalurgia ▫ ustulação parcial: ZnS + 2O 2  ZnSO 4 (solúvel em água); ▫ ustulação total: ZnS + ½ O 2  ZnO + SO 2 ↑ (fabricação H 2 SO 4 );  Redução pirometalúrgica: ▫ ZnO (s) + C (s)  Zn (g) + CO (g) ;  Redução hidrometalúrgica: ▫ ZnO + H 2 SO 4(s)  ZnSO 4 (s) + H 2 O;  ZnSO 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 47  Processos de Extração e Refino

48 Processamento e Manufatura de Metais  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 ZnS; ▫ O sulfato é submetido a eletrólise  48  Processos de Extração e Refino

49 Processamento e Manufatura de Metais  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; ▫ SnO 2 + 2C  Sn + 2CO ▫ Após a redução o Sn tem apenas 95% e precisa de refino. 49  Processos de Extração e Refino

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

51 Processamento e Manufatura de Metais  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; 51  Processos de Extração e Refino

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

53 Processamento e Manufatura de Metais  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 53  Processos de Extração e Refino

54 Processamento e Manufatura de Metais  Redução primária do Titânio  É um metal de boa resistência mecânica e de corrosão;  Obtenção ▫ concentração do minério por separações gravimétricas, magnéticas e eletrostáticas; ▫ TiO 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 54  Processos de Extração e Refino

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

56 Processamento e Manufatura de Metais  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 56  Processos de Extração e Refino

57 Processamento e Manufatura de Metais  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. 57  Processos de Extração e Refino

58 Processamento e Manufatura de Metais  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 58  Processos de Extração e Refino

59 Processamento e Manufatura de Metais  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 59  Processos de Extração e Refino

60 Processamento e Manufatura de Metais  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. 60  Processos de Extração e Refino

61 Processamento e Manufatura de Metais  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. 61  Processos de Extração e Refino

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

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

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

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

66 Processamento e Manufatura de Metais  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 66  Processos de Extração e Refino

67 Processamento e Manufatura de Metais  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. 67  Processos de Extração e Refino

68 Processamento e Manufatura de Metais  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; 68  Processos de Extração e Refino

69 Processamento e Manufatura de Metais  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; 69  Processos de Extração e Refino

70 Processamento e Manufatura de Metais  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. 70  Processos de Extração e Refino

71 Processamento e Manufatura de Metais  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 71  Processos de Extração e Refino

72 Processamento e Manufatura de Metais 72  Processos de Extração e Refino MetalMinérios Beneficiamento do minério Redução primáriaRefinoImpurezas Ferro Hematita Magnetita Britagem e seleção Sinterização Pelotização Altos-fornos com coque e fundentes Conversores de oxigênio C e Si AlumínioBauxita Refino da Bauxita para produção de alumina Em cubas eletrolíticas com fundentes e criolita ou ciolita EletrolíticoFe e Cu Cobre Bornita Calcopirita Calcosita Cuprita Malaquita Concentração Ustulação Calcinação Lixiviação Redução eletrolitica Cementação redutora Pirometalurgia EletrolíticoFe e O ZincoBlendaUstulaçãoRedução eletrolíticaEletrolíticoFe, Cu e Si EstanhoCassiteritaConcentraçãoEm fornos de pirólise Liqüação Solubilização Oxidação eletrolítco Fe, Cu, Pb, As, Sb, Al, Ti e Bi

73 Processamento e Manufatura de Metais 73  Siderurgia

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