PMM 03

Processamento e
Manufatura de Metais 1
Prof. Lucas Freitas Berti
Engenharia de Materiais - UTFPR
[email protected]
1
Aula 3
29/05/2013
Siderurgia e Metalurgia
Cobrança de presença
Transferência de Calor e Massa
3
 Siderurgia
 Siderurgia:
▫
▫
▫
▫
Minérios metálicos.
Processos de extração e refino.
Processos siderúrgicos.
Nucleação e solidificação dos metais.
Transferência de Calor e Massa
4
 Minérios Metálicos
Siderurgia
versus
Metalurgia
Transferência de Calor e Massa
5
 Siderurgia
 Metalurgia
▫ é o conjunto de técnicas que o homem desenvolveu
com o decorrer do tempo que lhe permitiu extrair e
manipular metais e gerar ligas metálicas.
 Siderurgia
▫ é o ramo da metalurgia que se dedica à fabricação e
tratamento de aços e ferros fundidos.
Transferência de Calor e Massa
6
 Siderurgia
Transferência de Calor e Massa
7
 Siderurgia
Transferência de Calor e Massa
8
 Siderurgia
Transferência de Calor e Massa
9
 Siderurgia
PELLETS
 Siderurgia
SINTER
CRUSHED
COKE
Transferência de Calor e Massa
10
 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
Transferência de Calor e Massa
11
 Minérios Metálicos
 Minério de Ferro
▫ Hematita, Fe2O3;
▫ Magnetita, Fe3O4;
▫ Pirita, FeS2.
Transferência de Calor e Massa
12
 Minérios Metálicos
 Minério de Alumínio:
▫ Diásporo, Al2O3.H2O;
▫ Boehmita, Al2O3.H2O;
▫ Gibbsita ou Hidrargita, Al2O3.H2O;
 Quando há silicatos: Bauxita
Transferência de Calor e Massa
13
 Minérios Metálicos
 Minério de Cobre:
▫
▫
▫
▫
▫
Bornita, Cu5FeS4;
Calcopirita, CuFeS2;
Calcosita, Cu2S;
Cuprita, Cu2O;
Malaquita, Cu2CO3.Cu(OH)2;
Transferência de Calor e Massa
14
 Minérios Metálicos
 Minério de Zinco:
▫ Blenda, ZnS;
 Minério de Estanho:
▫ Cassiterita, SnO2;
Transferência de Calor e Massa
15
 Minérios Metálicos
 Outros Minérios:








Chumbo – Galena, PbS;
Manganês – Pirolusita, MnO2;
Prata – Argentita, Ag2S;
Bário – Barita, BaSO4;
Berílio – Berilo, Be3Al2(SiO3)6;
Mercúrio – Cinábrio, HgS;
Cobalto– Cobaltita, (Co,Fe)AsS;
Nióbio e Tântalo – Columbita Tantalita, (Fe,Mn)(Nb,Ta)2O3;
 Cromo – Cromita,
(Fe,Mg)Cr2O4;
 Níquel – Pentlandita, (Fe,Ni)11S10 –
Garnierita (Ni,Mg)SiO3.H2O;
 Tungstênio – Volframita,
(Fe,Mn)WO4 – Scheelita, CaWO4;
 Urânio – Calaverita, AuTe2 –
(pirita);
 Titânio – Ilmenita, FeTiO3;
 Vanádio – Patronita, VS4 –
Vanadita, Pb5(VO4)3Cl e Carnotita,
K5(UO2)3(VO4)2.H2O;
 Fluorita – CaF2.
Transferência de Calor e Massa
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 Minérios Metálicos
Ocorrência de minérios
Minério
Brasil Res.
[106 t] (%)
Brasil - 2007
Prod. [103 t]
(%)
Maior ocorr.
[%]
País prod.
[%]
Res./ Prod. Mun.
[109 t / 106 t]
Ferro
33233 (9,77)
354674 (18,67)
Ucrânia – 20
China – 31,58
340 / 1900
Alumíni 3600 (12,74)
o
22900 (12,736)
Guiné – 25,4
Brasil – 12,74
33,85 / 194,4
Cobre
14284 (1,52)
205,7 (1,33)
Chile – 38,42
Chile – 35,92
0,937 / 15,471
Zinco
4,9 (1,02)
194 (1,85)
Aus – 20,75
China – 26,67
0,482 / 10,5
Estanho
0,746 (11,8)
12,596 (3,71)
China – 26,91
China – 39,75
0,632 / 0,353
Nióbio
- /(75)
57,3 (95)
Brasil - 75
Brasil - 95
- / 0,06
Transferência de Calor e Massa
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 Minérios Metálicos
Ocorrência de minérios no Brasil
Minério
Estado
Ferro
Minas Gerais e Pará
Cobre
Pará, Goiás e Bahia
Zinco
Minas Gerais
Estanho
Rondônia
Nióbio
Minas Gerais e Amazonas
Transferência de Calor e Massa
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 Minérios Metálicos
 Beneficiamento
▫ Britagem/Moagem;
 Ajustar o tamanho de partículas de acordo com o processo
metalúrgico;
 A classificação pode ser realizada a seco ou úmido.
▫ Concentração;
 Visa aumentar a concentração por meios magnéticos,
densidade, gravimétrica, eletrostática ou flotação (mais
utilizado)
Transferência de Calor e Massa
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 Minérios Metálicos
 Britamento / moagem:
▫ Sinterização e pelotização
 Sinterização: minério com 0,15 a 8mm;
 Pelotização : minério inferior a 0,15 mm.
Transferência de Calor e Massa
20
 Minérios Metálicos
 Reutilização por meio de sucata:
▫ Impurezas nocivas:
 Enxofre:
 Eliminação exige condições de alta basicidade e redutora, o
que é contraditório com a o que se tem no refino (condições
oxidantes);
 Cu e Ni, difícil eliminação por oxidação seletiva;
 Metais de alta pressão de vapor são removidos pela
corrente gasosa (Sb, As, Pb, Ca, e Hg) o que pode gerar
dificuldades com os gases de exaustão.
Transferência de Calor e Massa
21
 Minérios Metálicos
 Reutilização por meio de sucata:
▫ Impurezas nocivas:
 Fósforo necessita de alta basicidade para sua remoção;
 Alguns metais são toleráveis, a menos que haja restrições
na aplicação (Al, Ti, Cr, V, Si, Mn e C).
Transferência de Calor e Massa
22
 Minérios Metálicos
 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
Transferência de Calor e Massa
23
 Minérios Metálicos
Matérias primas:
 Siderurgia Integradas:










Minérios;
Redutores;
Combustíveis;
Fundentes;
Sucatas;
Ferros-liga;
Desoxidantes;
Dessulfurantes;
Refratários.
Utilidades:
▫
▫
▫
Água;
Oxigênio;
Energia elétrica
 Siderurgia Semi-integradas:
 Ainda referidas como
“aciarias elétricas”
 Sucatas;
 Fundentes;
 Ferros-liga;
 Refratários;
 Utilidades:
▫ As mesmas, apenas com
maior consumo de EE.
Transferência de Calor e Massa
24
 Minérios Metálicos
Minérios, aglomerados, combustíveis e redutores
 Ferro:
▫ Hematíticos (Fe2O3), magnetíticos (Fe3O4) e ilmeníticos
(FeTiO3), 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.
Transferência de Calor e Massa
25
 Minérios Metálicos
Fluxantes, escorificantes e fundentes
 Normamente são:
▫
▫
▫
▫
Óxidos;
Carbonatos;
Fluoretos;
Cloretos.
Transferência de Calor e Massa
26
 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.
Transferência de Calor e Massa
27
 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.
Transferência de Calor e Massa
28
 Minérios Metálicos
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 metalescória
▫ A principal substância fluxante é o CaF2;
 Escorificantes:
▫ Tem a função de reter as impurezas com baixa atividade na escória (Carbonato
de Calcio, CaCO3), Criolita para Al;
 Fundentes:
▫ Tem a função de reduzir a temperatura liquidus;
▫ Exemploes na siderurgia são: dolomita (Mg),(calcário, CaMg(CO3)2), CaO,
MgO e SiO2;
▫ Poder ter efeito fluxante;
Transferência de Calor e Massa
29
 Minérios Metálicos
Sucatas
 Siderúrgicas integradas usam até 20%;
▫ Porque?
 Semi-integrada é o principal insumo;
▫ Nesse tipo, o consumo de energia é alto!
Transferência de Calor e Massa
30
 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, CaO, MgO, Ca-Mg, não
podem conter P, pois esse irá permanecer no material;
Transferência de Calor e Massa
31
 Minérios Metálicos
Desoxidantes, dessulfurantes, ferros-liga
 Ferros-Liga
▫ Ligas-mãe que são utilizadas para adição de elemnto 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.
Transferência de Calor e Massa
32
 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.
Transferência de Calor e Massa
33
 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 (Fe3O4 e FeO), por causa de trincamentos;
 Quando ocorrem entre 900 e 1050°C, inviabilizando o processo;
Transferência de Calor e Massa
34
 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 Cl2 e SO2, 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;
Transferência de Calor e Massa
35
 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%), CaO.Fe2O3
(40,1%), 2CaO.Fe2O3 (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 CO2 nas condições
estabelecidas.
Transferência de Calor e Massa
36
 Ementa
 Siderurgia:
▫
▫
▫
▫
Minérios metálicos.
Processos de extração e refino.
Processos siderúrgicos.
Nucleação e solidificação dos metais.
Transferência de Calor e Massa
37
 Nesta aula
 Processos de obtenção dos Metais
▫ Redução
 Ferro;
 Alumínio,
Transferência de Calor e Massa
38
 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 H2SO4, com posterior cementação redutora;
▫ Condições redutoras são obtidas pela inclusão de compostos
com maior afinidade pelo oxigênio, e.g. C, ou redução
eletrolítica
Transferência de Calor e Massa
39
 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 + 3e- → Fe
 Fe2O3 + 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.
Transferência de Calor e Massa
40
 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.)
Transferência de Calor e Massa
41
 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:
▫ 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.
Composição genérica do gusa
Transferência de Calor e Massa
Carbono
3,5 a 4,5%
Silício
0,3 a 2%
Enxofre
0,01 a 0,1%
Fósforo
0,05 a 2%
Manganês
0,5 a 2%
42
 Ferro primário
 Processos de Extração e Refino
5mm<Pelotas<18mm
5mm<Sinter<50mm
6mm< Minério <40mm
granulado
Em detalhe
Transferência de Calor e Massa
43
 Processos de Extração e Refino
 Ferro primário
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.
Mn3O4
FeO
MnO
Fe (99%)
MnO
Mn (70%)
K2O
Al2O3
CaO
Al2O3
C
P2O5
P (95%)
K2O
GÁS
GÁS
Fe3O4
FeO
P2O5
COQUE
GÁS
MnO2
GÁS
Fe2O3
MINÉRIO
CaO
SiO2
SiO2
Si (10%)
Transferência de Calor e Massa
ESCÓRIA
GUSA
C (12%)
44
 Processos de Extração e Refino
Redução primária do Ferro
 As principais reações no alto-forno são
 C + 1/2O2 → CO
 2CO + Fe2O3 → 2Fe + CO + CO2
 S + O2 → SO2 (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;
Transferência de Calor e Massa
45
 Processos de Extração e Refino
Redução primária do Ferro
 Sobrenadando no metal fundido encontra-se a escória, que em
mistura com o calcário (CaCO3) remove impurezas de acordo com
as reações:
▫ CaCO3 CaO +CO2;
▫ SiO2 + CaO  CaSiO3.
▫ 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.
Transferência de Calor e Massa
46
 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.
Transferência de Calor e Massa
47
 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;
Transferência de Calor e Massa
48
 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.
Transferência de Calor e Massa
49
 Processos de Extração e Refino
Processo Bayer
Transferência de Calor e Massa
50
 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, Na3AlF6), o
processo ocorre em 1000°C;
▫ Hoje em dia está se utilizando a ciolita, um fluoreto
artificial de alumínio, sódio e cálcio, NaCaAlF6.
Transferência de Calor e Massa
51
 Processos de Extração e Refino
Redução primária do Alumínio
 Eletrólise da alumina;
▫ A alumina se dissocia:
 Al2O3 → 2 Al3+ + 3 O2-
▫ No eletrodo negativo ocorre a seguinte reação:
 4 Al3+ + 12 e- → 4 Al0
▫ Enquanto no eletrodo positivo:
 6 O2- → 3 O2 + 12 e-
▫ A equação glogal apresenta-se como:





2 Al2O3 → 4 Al3+ + 6 O24 Al3+ + 12 e- → 4 Al0
6 O2- → 3 O2 + 12 e2 Al2O3 → 4 Al0 + 3 O2
6C + 6 O2 → 6 CO2
▫ A reação global:
 4 Al2O3 + 6C→ 8 Al + 6 CO2
Transferência de Calor e Massa
52
 Processos de Extração e Refino
Redução primária do Alumínio
Transferência de Calor e Massa
53
 Próxima 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.
Transferência de Calor e Massa
54
 Próxima aula
Processos de preparação das matérias-primas
▫
▫
▫
▫
Secagem;
Calcinação;
Aglomeração;
Coqueificação;
Transferência de Calor e Massa
55