INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS · • Tabela pág. 335: Calores de formação dos hidratos a partir de MeO e H2O. • Compostos mais estáveis → hidratos de metais alcalinos

INTRODUÇÃO AOS

PROCESSOS METALÚRGICOS

Prof. Carlos Falcão Jr.

INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS

2. PROCESSOS HIDROMETALÚRGICOS

• Ocorrem na interface entre as fases sólida e líquida

• Temperaturas entre 10 e 300ºC

• São divididos em diferentes tipos:

2.1) Lixiviação

2.2) Refino de soluções p/ eliminar impurezas

2.3) Precipitação de metal elementar a partir de soluções


2.1) Lixiviação

• Técnica que permite a transferência de um metal, contido em um minério, para a solução, seguida pela separação posterior da ganga

• Os solventes usados são:

soluções de ácidos

soluções de bases

soluções de sais


2.1) Lixiviação

• Exemplo: lixiviação do óxido de zinco de um concentrado de zinco ustulado por meio de uma solução de ácido sulfúrico, seguida por separação de resíduos insolúveis (“cakes” – massa de pó não compactada) através de sedimentação e filtração

(ZnO+Fe2O3+SiO2)sol + H2SO4 → ZnSO4 +

(Fe2O3+SiO2)sol“cake”

concentrado de zinco ustulado


2.2) Refino de soluções p/ eliminar impurezas

• As soluções podem conter, junto ao metal, um número de impurezas que permanecem no processo de lixiviação.

• As técnicas para refino de soluções são:

2.2.1) Precipitação com aditivos

2.2.2) Extração com solventes orgânicos

2.2.3) Processos de adsorção ou troca iônica usando trocadores de íons (resinas sintéticas)

2.2.4) Cristalização


2.2) Refino de soluções das impurezas

2.2.1) Precipitação com aditivos

• Exemplo: precipitação de impurezas de ferro com formação de sulfato de zinco, utilizando óxido de zinco (aditivo).

Fe2(SO4)3 + ZnO + H2O → Fe(OH)3 + ZnSO4



2.2.2) Extração com solventes orgânicos

• Alguns solventes orgânicos tem a capacidade de dissolver e formar compostos complexos com sais de alguns metais, não formando sais de outros metais, nem dissolvendo-os.

• Exemplo: extração de nitrato de uranila com ajuda do tributilfosfato

UO2(NO3)2 + 2TBPh → UO2.2NO3.2TBPh



2.2.3) Processos de adsorção ou troca iônica usando trocadores de íons (resinas sintéticas)

• Resinas tem a capacidade de trocar seus íons constituintes H+ por alguns cátions contidos em solução.

• Exemplo: extração de urânio de soluções por meio de resinas de troca iônica

UO2SO4 + 2 trocador de cátion HR → UO2R2 + H2SO4



2.2.4) Cristalização

• Geralmente, é fracional, ou seja, é repetida muitas vezes.

• Na parte final de um sistema de cristalizadores, obtém-se cristais puros de um sal metálico, além de uma solução do contaminante.

• Exemplo: separação por cristalização de oxi-fluoretos de zircônio e háfnio é baseada em suas diferentes solubilidades em água.


2.3) Precipitação de metal elementar a partir de soluções

• Uma das seguintes técnicas é aplicável:

2.3.1) precipitação eletrolítica a partir de soluções aquosas

2.3.2) cementação ou deslocamento de um metal de uma solução por outro metal

2.3.3) redução por meio de agentes redutores gasosos (H2, CO, CH4) ou sólidos, sob pressão


• Estes processos não cobrem todas as técnicas empregadas nos trabalhos metalúrgicos.

• Existem outros estágios de produção, que não envolvem reações químicas, mas possuem extrema importância.


• Estes são chamados de estágios auxiliares:

a)Manuseio de produtos (sólidos, líquidos e gasosos)

b)Mistura de produtos sólidos com outros líquidos ou de sólidos com sólidos

c)Secagem de materiais

d)Briquetagem -

e)Evaporação de soluções

f) Coleta de poeira

g)Detenção de gases nocivos ou de valor etc


TEORIA BÁSICA DA USTULAÇÃO DE MINÉRIOS E CONCENTRADOS

1.Pressões de Dissociação de Carbonatos e Hidratos e Condições para a Decomposição destes na Ustulação

1.1 Calcinação de carbonatos

• Baseia-se na dissociação de carbonatos

• Exemplo: calcinação do calcário

CaCO3sol ↔ CaOsol + CO2 Kp = pCO2



CaCO3sol ↔ CaOsol + CO2 Kp = pCO2

• Reação procede: razão da pressão de CO2 no meio circundante (p’CO2) pela pressão de equilíbrio (pCO2)

• Quando:

(p’CO2) < (pCO2) → ocorre dissociação

(p’CO2) > (pCO2) → carbonato é formado

(p’CO2) = (pCO2) → existe equilíbrio



• Figura 152 – Relação entre a pressão de equilíbrio ou pressão de dissociação pCO2 e a temperatura para carbonatos de vários metais.

• Figura 153 – Energias livres de formação de carbonatos do tipo MeO e CO2.

• Conclusões:

carbonatos de metais pesados não-ferrosos são instáveis quando comparados aos carbonatos de metais alcalinos e alcalino-terrosos → decomposição a baixas temperaturas



• Conclusões:

pCO2 varia com a mudança no raio iônico, como nos metais do grupo 2 → função periódica da localização dos elementos químicos na TP

> raio iônico; > pCO2

• Na indústria:

Cal é obtida pela calcinação do calcário no forno de chaminé aquecido por coque

pCO2 = 1 atm e p’CO2 = 0,2 atm, em 910ºC


1.2 Calcinação de Hidratos

Me(OH)2 ↔ MeO + H2O Kp = pH2O

• Reação procede: razão da pressão de no meio circundante (p’H2O) pela pressão de equilíbrio (pH2O)

• pH2O na dissociação de um hidrato, numa dada temperatura → pressão de dissociação do hidrato



• Tabela pág. 335: Calores de formação dos hidratos a partir de MeO e H2O.

• Compostos mais estáveis → hidratos de metais alcalinos e alcalino-terrrosos

• A decomposição de hidratos, ou melhor, hidróxidos de alumínio se dá em forno rotatório

• Al(OH)3 se dissocia em etapas, formando hidróxidos, progressivamente, com menores número de moléculas de água e pH2O :

Al2O3.3H2O → Al2O3.H2O → γ-Al2O3 → α-Al2O3



• Objetivo: Obter alumina anidra com, aproximadamente, 70% γ-Al2O3 e 30% α-Al2O3

• Logo, a temperatura no forno deve ser elevada a 1200º C.



2.Condições para Ustulação Oxidante de Minérios e Concentrados de Sulfetos

• Baseia-se na seguinte reação:

MeS + 1,5O2 ↔ MeO + SO2

• Faixa de temperatura: 500-1000ºC

• Na presença de ar



• Além da formação de óxidos, sulfatos metálicos (ustulação sulfatante) também são formados, de acordo com a reação:

MeS + 2O2 ↔ MeSO4

• Fornos de ustulação atuais → ustulador “fluid-bed” (leito de fluido) - Figura 154

• Ar entra pelas aberturas da parte de baixo do forno

• Acima, entra o concentrado de sulfeto metálico



• Os subprodutos gasosos, contendo SO2, escapam pela abertura na parte superior do forno

• Uma haste vertical localizada no centro do forno movimenta o concentrado das laterais para o centro e vice-versa

• Vantagem: dispensa o uso de combustíveis



3.Ponto de Ignição (ou Inflamação) de Sulfetos

• Sulfetos inflamam em altas taxas de oxidação

• Resultam num excelente progresso da reação

• Dispensando o consumo de combustível

• Condição para ignição de um sulfeto → alto valor de calor liberado por unidade de tempo

• Ponto de ignição de um sulfeto → temperatura da sua combustão autógena no ar, sem aplicação de fonte externa de calor



• Valores de pontos de ignição dos sulfetos variam em função de alguns fatores:

aumenta com sua capacidade calorífica

aumenta com a compactação do sulfeto e de seus produtos de combustão

diminui com o aumento do seu poder calorífico

diminui com a diminuição do tamanho e da compactação das partículas do sulfeto

• Tabela XIII – pág. 337



• Sulfetos de chumbo e de zinco são menos inflamáveis que os de ferro e de cobre

• Os valores dos pontos de ignição dos mesmos sulfetos (pirita e esfalerita) praticamente não são afetados pela variação de tamanho das partículas de 0,2 a 2 mm.

• Obs: Ponto de ignição de um sulfeto é dependente do conteúdo da mistura e das concentrações de gases (O2 e SO2) no forno.



4.Condições para Formação e Dissociação de Sulfatos Metálicos

• Sulfetos oxidam também a baixas temperaturas, inclusive à temperatura ambiente

• Minérios de sulfeto oxidam a sulfato, logo que são extraídos (mineração)

• A reação de oxidação é:

MeS + 2O2 ↔ MeSO4

• Também se dá a altas temperaturas (autoclave)



• Sob aquecimento, sulfatos podem se decompor conforme a seguinte reação de dissociação:

MeSO4sol ↔ MeOsol + SO3 Kp = pSO3

• Reação procede: razão da pressão de SO3 no meio circundante (p’SO3) pela pressão de equilíbrio (pSO3)

• pSO3 na dissociação de um sulfato, numa dada temperatura → pressão de dissociação do sulfato


• Quando:

(p’SO3) < (pSO3) → ocorre dissociação

(p’SO3) > (pSO3) → sulfato é formado

(p’SO3) = (pSO3) → existe equilíbrio

• Figura 155 – pág. 338 – pSO3 de vários metais em função da temperatura

• Figura 156 – pág. 339 – potenciais termodinâmicos de formação dos sulfatos a partir de MeO e SO3




• Sulfatos mais estáveis – de metais alcalinos e alcalino-terrosos

• Sulfatos menos estáveis – de metais pesados não-ferrosos

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