Tecnologia Metalúrgica - jorgeteofilo.files.wordpress.com · 29/05/2018 2 28/05/2018 11:11 TECNOLOGIA METALÚRGICA - Processos de Extração e Refino 5.1 Extração - Objetivos A

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28/05/2018 11:11 TECNOLOGIA METALÚRGICA - Processos de Extração e Refino

Prof. Dr. Jorge Teófilo de Barros Lopes

Universidade Federal do Pará

Instituto de Tecnologia

Campus de Belém

Curso de Engenharia Mecânica

Tecnologia Metalúrgica


Capítulo V

Universidade Federal do Pará

Instituto de Tecnologia

Processos de

Extração e Refino

Campus de Belém

Curso de Engenharia Mecânica

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5.1 Extração - Objetivos

✓ A extração de um metal M a partir do seu minério

primário (constituído do composto MX) → depende

da estabilidade química do composto (maior ou

menor tendência do composto em se deixar reduzir

ao metal por meio de reações químicas).

✓ A simples dissociação do composto pela reação

MX → M + X

exigiria a aplicação de alta energia térmica, em face

da elevada estabilidade química dos compostos

metálicos que constituem os minérios.



✓ ALTERNATIVA → dois métodos básicos utilizados pelos

processos de extração e refino de metais (redução do

composto metálico desejado):

a) Reagir o composto MX com um agente redutor R que

tenha maior afinidade química pelo radical X do que a

do metal M → provoca-se a formação um composto RX

com estabilidade maior do que a do composto metálico

MX, por meio da reação de redução

MX + R → M + RX

• Exemplo: redução da wustita pelo C a 1000 °C

FeO + C → Fe + CO

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b) Dissolver o composto metálico MX em um solvente

adequado (solução aquosa ou um sal fundido) e formar uma

solução eletrolítica, a qual será submetida a uma eletrólise

(transformação de energia elétrica em energia química,

provocando-se a deposição dos íons metálicos em um

eletrodo), conforme a reação:

MX → M+ + X-

• Exemplo: redução do sulfato de cobre (obtido a partir da

malaquita, Cu2CO3(OH)2) por meio de eletrólise em

solução aquosa.

Cu2SO4 → Cu++ + SO4- -



Eletrólise para refino do cobre.Eletrólise para recobrimento

do grafite com cobre

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✓ Existem três processos de extração, os quais utilizam

um desses dois métodos: processos

pirometalúrgicos, processos hidrometalúrgicos e

processos eletrometalúrgicos.

• Processos pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos -

utilizam basicamente o primeiro método (uso de

redutor).

• Processos eletrometalúrgicos - tem como base o

segundo método (uso de eletrólise)


5.2 Processos Pirometalúrgicos

✓Os compostos metálicos tendem a diminuir sua

estabilidade química com o aumento da

temperatura (diagramas de Ellingham).

✓O que explica, em parte, o fato da maioria dos

processos de extração e refino ser efetuada em

altas temperaturas.

✓Processos pirometalúrgicos são aqueles realizados

em temperaturas notavelmente acima da

temperatura ambiente, excetuando-se a eletrólise

de sais fundidos.

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✓ Utilizam fornos ou

reatores, nos quais o calor

necessário para promover

as altas temperaturas do

processo é obtido por

meio de reações

nitidamente exotérmicas

(normalmente, uma

combustão), ou pela

transformação de energia

elétrica em energia

térmica.



➢ ESCÓRIAS

✓ O fato dos processos pirometalúrgicos envolverem

elevadas temperaturas torna frequente a presença de

escórias.

✓ A escória é constituída, essencialmente, em misturas de

óxidos, impurezas do minério, cinzas do coque e fundente,

em fusão, sobrenadando o composto metálico, também em

fusão. ESCÓRIA = GANGA + FUNDENTE.

✓ A escória possui várias aplicações comerciais depois de

resfriada e solidificada, e só raramente é desprezada.

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➢ ESCÓRIAS

✓ A escória é frequentemente reprocessada para separar

quaisquer metais que possa conter – os subprodutos deste

processo podem ser usados em cimento, lastro para linhas

de estrada de ferro e para fertilizante.

✓ A escória é constantemente empregada também para

reforço de subleitos e sub-bases em obras de aterros e

pavimentações.

✓ Geralmente, a escória é encontrada em algum estágio da

extração de metais importantes como o ferro, o chumbo, o

zinco, o cobre e o níquel.



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➢ ESCÓRIAS

✓ Funções da escória:

• Proteger e isolar termicamente o banho metálico,

aumentando, assim, o rendimento térmico do processo;

• Atuar ativamente no processo de extração, como

receptor da ganga e de outras impurezas;

• Atuar ativamente no processo de refino, como receptor

das impurezas indesejáveis que ainda acompanham o

metal após a sua extração (escória de refino).



➢ ESCÓRIAS

✓ Características da escória – para cumprir eficientemente as

suas funções, a escória deve apresentar as seguintes

características:

• Ser suficientemente fluida (baixa viscosidade) para que possa ser

facilmente separada da superfície do banho metálico;

• Fundir a uma temperatura suficientemente baixa para ser compatível

com as temperaturas do processo;

• Ter densidade menor que o banho metálico;

• Ter composição correta para que possa dissolver a ganga e outras

impurezas do banho metálico.

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➢ FUNDENTES

✓ As duas primeiras características são, em geral, as mais

críticas, daí a necessidade de se utilizar os fundentes.

✓ Fundentes, também denominados de fluxo, são

compostos químicos adicionados à escória com a

finalidade de baixar o ponto de fusão e aumentar a

fluidez (diminuir a viscosidade) da mesma.

✓ Constituem-se de óxidos, carbonatos, nitratos, fluoretos

e boratos, que podem ser classificados como ácidos,

básicos ou neutros.



➢ FUNDENTES

✓ Exemplos:

• Ácidos - sílica (SiO2), alumina (Al2O3)

• Básicos - cal (CaO), calcário (CaCO3), óxido de

ferro (Fe2O3 ou Fe3O4), dolomita (MgCO3.CaCO3),

soda (Na2CO3) e nitrato de sódio (NaNO3).

• Neutros - fluorita (CaF2) e bórax (Na2B4O7).

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➢ FUNDENTES

✓ A sílica e a alumina são óxidos encontrados na ganga

de diversos minérios; suas temperaturas de fusão são,

respectivamente, 1710 °C e 2040 °C (diagrama);

✓ Uma escória com composição de 90% SiO2 e 10%

Al2O3 tem temperatura de fusão em torno de 1610 °C

(diagrama) - temperatura compatível com diversos

processos extrativos;

✓ Se for adicionado Cal (CaO) como fundente, a

temperatura poderá baixar para até 1160 °C.



Diagrama de

equilíbrio de

fases

SiO2-Al2O3

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➢ FUNDENTES

✓ A sílica é o principal componente de uma escória (presente

na ganga de quase todos os minérios). Em função disso,

uma escória pode ser visualizada basicamente como uma

mistura de dois tipos de óxidos: SiO2 e RO.

✓ RO pode ser qualquer dos seguintes óxidos: CaO, MnO,

MgO, FeO, PbO, Cu2O, ZnO, Na2O e K2O.

✓ RO será um óxido básico se gerar íons de oxigênio quando

dissolvido na escória.

✓ A sílica é um óxido ácido (pode absorver os íons de

oxigênio providos por RO).



➢ FUNDENTES

✓ Portanto, o tipo de escória pode ser determinado em

função da proporção relativa dos dois tipos de óxidos

(SiO2 e RO) em: escória ácida e escória básica.

✓ Escória básica - é aquela que apresenta um excesso de

óxidos básicos (RO) em relação à proporção de sílica

(ácida), ou seja, apresenta um excesso de íons de

oxigênio em solução.

✓ Escória ácida - é aquela que apresenta excesso de

sílica, ou seja, excesso de íons silicatos.

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➢ FUNDENTES

✓ Além da sílica, a escória pode conter outros óxidos

ácidos, tais como, a alumina (Al2O3) e o pentóxido de

fósforo (P2O5).

✓ A seleção e proporção de material fundente é

estabelecida em função da composição do minério

utilizado e das cinzas presentes no coque após a

carbonização do carvão.

✓ A composição química das escórias de alto-forno

(produção do ferro gusa) produzidas varia dentro de

limites relativamente estreitos



➢ FUNDENTES

✓ Os elementos que participam são os óxidos de: cálcio

(Ca), silício (Si), alumínio (Al) e magnésio (Mg).

✓ Tem-se ainda, em quantidades menores: FeO, MnO, TiO2,

enxofre, etc.

✓ É importante ressaltar que essa composição vai depender

das matérias primas e do tipo de gusa fabricado.

✓ A composição química é de extrema importância e vai

determinar as características físico-químicas das escórias

de alto-forno.

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➢ FUNDENTES

Composto Teor (%)

FeO 0,45

SiO2 30,65

Al2O3 12,42

CaO 41,50

MgO 7,95

TiO2 0,73

Composição típica da escória de um alto-forno, GALE, 2001



➢ FUNDENTES

✓ Pode-se determinar o Índice de Basicidade da escória a

partir das quantidades molares do óxido básico (RO) e dos

principais óxidos ácidos presentes, através da formula:

𝐵 =𝑁𝑅𝑂 − 3(𝑁𝐴𝑙2𝑂3 +𝑁𝑃2𝑂5)

2𝑁𝑆𝑖𝑂2

N = número de mol de cada óxido indicado; B = basicidade.

B 1 Escória básica

B 1 Escória ácida

B = 1 Escória neutra

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➢ REFRATÁRIOS

✓ Importância da basicidade da escória: indicar a sua atividade

química com o banho metálico e a sua reatividade química

com o material refratário do forno.

✓ Ao contrário da escória, a composição do refratário deve ser

ajustada para formar uma liga com o maior ponto de fusão

possível, para que se mantenha sólido e estável nas

temperaturas do processo.

✓ O refratário e a escória deverão apresentar basicidade

equivalente, para minimizar, ou evitar, a reatividade entre

eles. Basicidades contrárias poderão promover drástico

desgaste do refratário.



➢ REDUÇÃO DOS ÓXIDOS

✓ Um grande número de metais é extraído de minérios à

base de seus óxidos. Exemplos: ferro, manganês, cromo,

estanho, dentre outros.

✓ Minérios metálicos à base de sulfetos são reduzidos a

óxidos por ustulação antes da extração. Exemplos: zinco e

chumbo.

✓ Pelo fato dos óxidos metálicos serem geralmente muito

estáveis, sua dissociação direta torna-se inviável, mesmo

em altas temperaturas.

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✓ Constituem-se exceções os óxidos dos metais nobres,

como a prata, a platina e o paládio, por possuírem baixa

estabilidade química, se comparados com os óxidos de

outros metais que não podem ser reduzidos por

dissociação direta:

2𝐴𝑔2𝑂𝑇≥200°𝐶

4𝐴𝑔 + 𝑂2 (∆𝐺473≈ 0)

2𝑃𝑡𝑂𝑇≥500°𝐶

2𝑃𝑡 + 𝑂2 (∆𝐺773≈ 0)

2𝑃𝑑𝑂𝑇≥900°𝐶

2𝑃𝑑 + 𝑂2 (∆𝐺1173≈ 0)




✓ Assim sendo, os óxidos metálicos normalmente necessitam

de um agente redutor (R), cujo óxido apresente maior

estabilidade química que o óxido metálico (MO):

𝑀𝑂+ 𝑅՜𝑇𝑅𝑂 +𝑀 (∆𝐺𝑇 < 0)

✓ Ou seja, a energia livre de formação de RO tem que ser mais

negativa do que a energia livre de formação de MO.

✓ No diagrama de Ellingham, a curva de RO terá que se situar

abaixo da curva de MO (condição necessária para a seleção

de um agente redutor R adequado ao óxido metálico MO).

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✓ Para que a redução seja efetiva, a diferença entre as duas

curvas deverá se situar entre –5 e –50 kcal/mol O2

dependendo do redutor selecionado.

✓ Podem ocorrer três situações:

(a) As curvas de RO e MO são

crescentes e aproximadamente

paralelas, com a curva RO abaixo

da curva MO.




(b) As curvas de RO e

MO são crescentes, mas

a curva de RO cruza a

curva de MO a uma

temperatura crítica (TC),

a partir da qual RO situa-

se abaixo de MO (nesse

caso, R só será agente

redutor de MO acima da

temperatura).

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(c) A curva de MO é

crescente e a de RO

decrescente, também

cruzando-se a uma

temperatura crítica (TC),

acima da qual o óxido

MO pode ser reduzido

pelo agente redutor R.




MO

RO-50

T

∆G

0

0

TEMPERATURA →

kcal/

mol O

2→

MO

RO

-10

TC

∆G

0

0

TEMPERATURA →

kcal/

mol O

2→

Tr

MO

RO-5

TC

∆G

0

0

TEMPERATURA →

kcal/

mol O

2→

Tr

(a) (b) (c)

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✓ Com tais critérios atendidos, a seleção final de agentes

redutores recairá em fatores operacionais e

econômicos, particularmente na disponibilidade

comercial do redutor e no seu custo de aquisição.




✓ Exemplos de redutores metalúrgicos de óxidos

• Tipo (a) Alumínio – Age por meio de uma reação

denominada de aluminotermia, notavelmente exotérmica

(autógena).

Exemplo:

Τ2 3 𝐶𝑟2𝑂3 𝑠 + Τ4 3𝐴𝑙 𝑙1200°𝐶

Τ2 3𝐴𝑙2𝑂3 + Τ4 3 𝐶𝑟 𝑠

ቊ∆𝐺1473≈ −70 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑚𝑜𝑙 𝑂2∆𝐻1473 ≈ −135 𝑘𝑐𝑎𝑙/mol Cr2O3 ou Al2O3

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Adaptadas de CAMPOS FILHO, M.P.



✓ Aplicação do diagrama: extração do cromo a partir do seu óxido a

1200 °C (1473 K).

• Pelo diagrama correspondente, a redução direta do óxido de

cromo na temperatura indicada será:

2/3Cr2O3 (s) → 4/3Cr (s) + O2 (g) ∆G1473 ≈ + 120 kcal/mol O2

• Portanto, uma reação inviável.

•Mas se for utilizado o alumínio como eventual agente redutor,

ter-se-á:

4/3Al (s) + O2 (g) → 2/3Al2O3 (s) ∆G1473 ≈ − 190 kcal/mol O2

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• Somando-se as duas reações e simplificando (elimina-se o O2):

2/3Cr2O3 (s) + 4/3Al (l) → 4/3Cr (s) + 2/3Al2O3 (s)

∆G1473 = + 120 – 190 = − 70 kcal/2/3 mol Cr2O3.

• Multiplicando-se ambos os membros da reação por 3/2, tem-se:

Cr2O3 (s) + 2Al (l) → 2Cr (s) + Al2O3 (s)

∆G1473 = – 70 (3/2) = – 105 kcal/ mol Cr2O3.

• Portanto, a reação é perfeitamente viável, isto é, o alumínio é

um adequado agente redutor do óxido de cromo para a extração

desse metal.



➢ REDUÇÃO DOS ÓXIDOS.


• Tipo (b) Hidrogênio – Age por meio de uma reação

denominada de hidrogenação, em óxidos de baixa e média

estabilidades.

Exemplo:

Τ2 3𝑊𝑂3 𝑠 + 2𝐻2 𝑔1000°𝐶

2𝐻2𝑂 𝑔 + Τ2 3𝑊 𝑠

∆𝐺1273 ≈ − 6 𝑘𝑐𝑎𝑙

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Adaptada de CAMPOS FILHO,

M.P.



✓ Aplicação do diagrama: Extração do tungstênio a partir do seu

óxido a 1000 °C (1273 K).

• Pelo diagrama correspondente, a redução direta do óxido de

cromo na temperatura indicada será:

2/3WO3 (s) → 2/3W (s) + O2 (g) ∆G1473 ≈ + 74 kcal/mol O2

• Portanto, uma reação inviável.

•Mas se for utilizado o hidrogênio como agente redutor, ter-se-

á:

2H2 (s) + O2 (g) → 2H2O (s) ∆G1473 ≈ – 80 kcal/mol O2

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• Somando-se as duas reações e simplificando (elimina-se o O2):

2/3WO3 (s) + 2H2 (g) → 2/3W (s) + 2H2O (g)

∆G1473 = + 74 – 80 = – 6 kcal/2/3 mol WO3.

• Multiplicando-se ambos os membros da reação por 3/2, tem-se:

WO3 (s) + 3H2 (g) → W (s) + 3H2O (g)

∆G1473 = – 6 (3/2) = – 9 kcal/ mol WO3.

• Portanto, a reação é perfeitamente viável, isto é, o hidrogênio é

um adequado agente redutor do óxido de tungstênio para a

extração desse metal.





• Tipo (c) Carbono – Extremamente eficiente e

econômico, largamente utilizado na redução de diversos

óxidos metálicos. A redução pelo carbono, sob forma de

coque e carvão vegetal, é o processo pirometalúrgico de

maior importância.

- O carbono sob a forma de coque metalúrgico é um

material de grande importância na metalurgia

extrativa, pois além de principal agente redutor é

também combustível.

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- A redução de óxidos pelo carbono, de um modo geral,

ocorre segundo uma reação endotérmica:

MO + C → CO + M (∆GT < 0; ∆HT > 0)

- O calor da reação de redução é conseguido através de uma

reação paralela de combustão do próprio coque:

C (s) + O2 (ar) ՜𝑇

CO2 (g) (∆GT < 0; ∆HT < 0)

- Nos fornos de redução de óxidos, o coque da carga apresenta

finalidade dupla: parte como redutor e parte como

combustível).




✓ Exemplos de redutores metalúrgicos de óxidos:

- Redução do óxido de ferro a 900 °C:

2𝐹𝑒𝑂 𝑠 + 2𝐶 𝑠900°𝐶

2𝐶𝑂 + 2𝐹𝑒 ቊ∆𝐺1173≈ −15 𝑘𝑐𝑎𝑙∆𝐻1173 ≈ +70 𝑘𝑐𝑎𝑙

- Redução do óxido de chumbo a 900 °C:

2𝑃𝑏𝑂 𝑠 + 2𝐶 𝑠900°𝐶

2𝐶𝑂 + 2𝑃𝑏 ቊ∆𝐺1173≈ −25 𝑘𝑐𝑎𝑙∆𝐻1173 ≈ +35 𝑘𝑐𝑎𝑙

- Redução do óxido de zinco a 1200 °C:

2𝑍𝑛𝑂 𝑠 + 2𝐶 𝑠1200°𝐶

2𝐶𝑂 + 2𝑍𝑛 ቊ∆𝐺1473≈ −15 𝑘𝑐𝑎𝑙∆𝐻1473 ≈ +160 𝑘𝑐𝑎𝑙

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✓ Na redução dos óxidos, o tipo de equipamento bastante

utilizado é o alto-forno, esquematizado na figura:

ZONA DE AQUECIMENTO

ZONA DE COMBUSTÃO E

REDUÇÃO

ZONA DE FUSÃO E

ESCORIFICAÇÃO

CARGA =ÓXIDO METÁLICO

+ COQUE (REDUTOR E COMBUSTÍVEL)

+ FUNDENTE

AR (O2) PARA COMBUSTÃO

METAL LÍQUIDO

PRODUTOS GASOSOS(CO, CO2)

ESCÓRIA LÍQUIDA

TEM

PERATU

RA



➢ REDUÇÃO DE SULFETOS POR ESCORIFICAÇÃO E CONVERSÃO

✓ A escorificação constitui-se na primeira etapa da redução de

minérios à base de sulfetos, que são normalmente ustulados

aos seus óxidos.

✓ O processo tem como base, além das estabilidades químicas

dos óxidos e sulfetos, a separação por fusão de óxidos

líquidos (escória) e sulfetos líquidos (mate), pois estes são

imiscíveis entre si, se houver condições de baixa viscosidade

(alta fluidez) e uma diferença sensível de densidade.

✓ Exemplos típicos: minérios de cobre e de níquel.

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✓ Após o processo de escorificação segue o processo de

conversão do mate sulfuroso obtido.

✓ A conversão consiste, essencialmente, na injeção de oxigênio

(ar) no mate sulfuroso, em fornos especiais (conversores),

provocando-se a reação de redução do sulfeto, obtendo-se,

assim, o metal desejado.

MS (l) + O2 (g) → SO2 (g) + M (l)

Fabricação de

ácido sulfúrico

Refino




✓ A figura ilustra as duas etapas da redução de minérios

sulfetados:

• Escorificação do minério – tem como objetivo essencial

concentrar ainda mais o sulfeto contido no minério e obter

o mate sulfuroso (concentrado de sulfeto em estado

líquido).

• Conversão do mate – objetiva reduzir o sulfeto (mate

sulfuroso) ao metal desejado, por meio de uma reação de

oxidação.

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Minério à base

de sulfeto

Mate sulfuroso

Escorificação

Conversão

Metal

EscóriaFundente

SO2O2 (ar)




✓ EXEMPLO: Extração do cobre

• Escorificação do minério – Em forno de reverbero a uma

temperatura da ordem de 1300 °C, na qual forma-se uma

escória óxida (Cu2O, Fe2O3 etc.) e o mate sulfuroso (Cu2S,

FeS etc.)

Componentes do minério beneficiado

Composição aproximada(%)

Cu2S (calcopirita)FeS (pirita)Cu2O (cuprita)Fe2O3 (hematita)Outros

502010515

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• Mate sulfuroso – Concentrado fundido de cobre, com teor

de metal contido na ordem de 35 a 55%.

• O mate é transferido por meio de panelas de transferência a

um forno conversor.

• Após o carregamento do forno, insufla-se o oxigênio (ar)

através do banho fundido (mate), que atua como agente

redutor do sulfeto de cobre, segundo a reação:

𝐶𝑢2𝑆 𝑙 + 𝑂2 𝑔1300°𝐶

𝑆𝑂2 + 2𝐶𝑢 ቊ∆𝐺1573≈ −40 𝑘𝑐𝑎𝑙∆𝐻1573 ≈ +20 𝑘𝑐𝑎𝑙

Fabricação de

ácido sulfúrico

Refino




• Reação de caráter nitidamente endotérmico, promove a

quebra do sulfeto e extrai o metal (denominado cobre-

blister) com pureza da ordem de 95,5%, que deverá passar

por um processo de refino posterior para aumentar o nível

de pureza.

• O calor necessário à reação de redução acima é fornecido

pela reação paralela de oxidação do sulfeto de ferro,

presente no mate em proporções controladas, o que torna

dispensável o uso de combustão no forno conversor. para

fornecimento de calor.

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2𝐹𝑒𝑆 𝑙 + 3𝑂2 𝑔1300°𝐶

2𝐹𝑒𝑂 𝑙 + 2𝑆𝑂2(𝑔) ቊ∆𝐺1573≈ −160 𝑘𝑐𝑎𝑙∆𝐻1573 ≈ −110 𝑘𝑐𝑎𝑙

Escória

Ar



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➢ REDUÇÃO INDIRETA DE ÓXIDOS POR ALOGENAÇÃO

✓ Processo de redução de óxidos de relativa alta estabilidade

química, como os óxidos de metais refratários (metais de

elevado ponto de fusão, como o titânio, o urânio, o nióbio,

o tungstênio etc.).

✓ As curvas dos óxidos desses metais (diagrama de

Ellingham) cruzam a curva do monóxido de carbono em

temperaturas bastante elevadas, o que torna o processo de

redução direta antieconômico.




✓ Nessas condições, o método mais indicado é halogenar o

óxido (MO) utilizando um halogênio (A: Cl, F, I etc.),

geralmente em presença de carbono, obtendo-se um

halogeneto do metal (MA):

MO + A + C ՜𝑇

MA + CO2 (∆GT < 0)

✓ Agora, o halogeneto poderá ser convenientemente

reduzido por um agente redutor (R: Mg, Al etc.):

MA+ R ՜𝑇

RA + M (∆GT < 0)

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✓ EXEMPLO: Extração do titânio

• Nesse caso, o halogêneo escolhido é o cloro e o redutor

escolhido é o magnésio.

• Na primeira etapa do processo, o rutilo (TiO2) sofre uma

cloração em presença do carbono e em temperatura da

ordem de 500 °C, segundo a reação endotérmica:

𝑇𝑖𝑂2 𝑠 + 2𝐶𝑙2 𝑔 + 𝐶 𝑠500°𝐶

𝑇𝑖𝐶𝑙4 𝑔 + 𝐶𝑂2 (𝑔)

ቊ∆𝐺773≈ −60 𝑘𝑐𝑎𝑙∆𝐻773 ≈ −50 𝑘𝑐𝑎𝑙




✓ EXEMPLO: Extração do titânio

• O tetracloreto de titânio produzido é reduzido pelo

magnésio em temperaturas da ordem de 850 °C, de

acordo com a reação endotérmica:

𝑇𝑖𝐶𝑙4 𝑠 + 2𝑀𝑔 𝑙850°𝐶

2𝑀𝑔𝐶𝑙2 𝑔 + 𝑇𝑖 (𝑠)

ቊ∆𝐺1273≈ −75 𝑘𝑐𝑎𝑙∆𝐻1273 ≈ −120 𝑘𝑐𝑎𝑙

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➢ PROCESSO DE REFINO A FOGO

✓ São os processos pirometalúrgicos de refino de metais

brutos (como obtidos na extração).

✓ Normalmente, nos processos de extração os metais são

obtidos contendo impurezas (ferro no cobre-blister, por

exemplo), as quais podem ser eliminadas ou minimizadas

por meio do refino do metal bruto.

✓ Basicamente, o refino a fogo constitui-se na oxidação das

impurezas, o que geralmente se consegue por meio da

sopragem do ar através do banho fundido do metal

extraído.




✓ EXEMPLO: Refino do cobre-blister.

• Nesse caso, introduz-se oxigênio em meio ao banho de

cobre utilizando-se tubos ou lanças imersas no líquido

metálico.

• Os elementos de impurezas que formam óxidos mais

estáveis que o óxido de cobre se oxidam rapidamente,

formando uma escória sobrenadante ao banho metálico.

• É o que ocorre com as impurezas do cobre, tais como

ferro, zinco e enxofre, que são oxidadas

preferencialmente pelo oxigênio.

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• No refino do cobre à 1300 °C, tem-se (diagrama de

Ellingham):

REF: 4𝐶𝑢 𝑙 + 𝑂2 𝑔1300°𝐶

2𝐶𝑢2𝑂2 𝑙 ∆𝐺1573≈ −30 𝑘𝑐𝑎𝑙

IMP: 2𝐹𝑒 + 𝑂21300°𝐶

2𝐹𝑒𝑂 ∆𝐺1573 ≈ −75 𝑘𝑐𝑎𝑙

2𝑍𝑛 + 𝑂21300°𝐶

2𝑍𝑛𝑂 ∆𝐺1573 ≈ −75 𝑘𝑐𝑎𝑙

S + 𝑂21300°𝐶

𝑆𝑂2 ∆𝐺1573≈ −60 𝑘𝑐𝑎𝑙

escória

tiragem





• As energias livres de formação dos óxidos das

impurezas (Fe, Zn e S) são da mesma ordem de

grandeza e notavelmente menores que a do óxido de

cobre.

• Concluindo-se, portanto, que no refino a fogo a

oxidação ocorre preferencialmente com as impurezas

e não com o metal reduzido.

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5.3 Processos Eletrometalúrgicos

✓ Utilizados na extração e no refino de metais não ferrosos,

quando os processos pirometalúrgicos são pouco eficientes e,

particularmente, nos locais onde a oferta de energia elétrica é

abundante e de relativamente barata.

✓ Basicamente, o processo consiste na dissolução do metal

numa cuba eletrolítica (ou célula eletrolítica) contendo um

condutor iônico denominado eletrólito.

✓ O metal se dissolve sob a forma de íons metálicos, e quando

submetido a um campo elétrico aplicado por meio de dois

eletrodos imersos no eletrólito, os íons positivos (cátions) são

atraídos para o eletrodo negativo (cátodo), onde captam

elétrons e se depositam sob a forma de átomos neutros.



➢ EXTRAÇÃO DO ALUMÍNIO

✓ Minério viável economicamente: bauxita (Al2O3.H2O).

✓ A bauxita é inicialmente concentrada pelo processo Bayer,

que consiste na sua dissolução em soda cáustica, que

dissolve a alumina (Al2O3), mas não as impurezas do

minério, tais como a sílica (SiO2) e a hematita (Fe2O3). Dessa

forma, consegue-se separar a alumina do minério.

✓ A partir da alumina, faz-se a extração do alumínio pelo

processo Hall-Hèroult, no qual a alumina é dissolvida em um

solvente chamado criolita (Na3AlF6), e a solução formada é

eletrolisada, proporcionando a extração do alumínio.

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✓ Esse processo ocorre em células de redução eletrolítica, cujo

esquema é mostrado nas figuras.

✓ Uma célula típica opera com cerca de 6 volts e 7000

ampères/m2 de catodo, a uma temperatura da ordem de 950

°C, produzindo 300 kg de alumínio por dia, com um

consumo de eletricidade em torno de 26 kwh/kg de alumínio.

✓ Os anodos de grafita se desgastam por oxidação anódica, e

devem ser renovados continuamente pela adição de coque,

que é feita por meio de um molde de alumínio que mergulha

lentamente no eletrólito.




✓ A reação efetiva será:

2/3Al2O3 (l) + C (s) 950°𝐶

4/3Al (l) + CO2 (g)

✓ A pureza do alumínio extraído pelo processo Hall-

Hèroult é da ordem de 99,3%.

✓ Para aumentar o grau de pureza, o metal deverá ser

refinado posteriormente em células denominadas

células Hoopes, onde alcançam pureza da ordem de

99,8%.

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Esquema de uma célula Hall-Hèroult para extração de alumínio, pela eletrólise de

alumina dissolvida em criolita fundida



Esquema de uma célula Hall-Hèroult para extração de alumínio, pela eletrólise de

alumina dissolvida em criolita fundida

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5.4 Processos Hidrometalúrgicos

✓ Os processos hidrometalúrgicos ou processos úmidos de

extração são particularmente úteis quando o minério a

ser reduzido tem baixo teor de metal contido.

✓ Nesse caso, é dispensado o uso de matérias-primas de

alto custo: combustíveis, fundentes e refratários

(processo pirometalúrgico), assim como da energia

elétrica (processo eletrometalúrgico).

✓ Consistem na dissolução do minério em algum tipo

de solvente, seja para tratar o minério, seja para

extrair dele o metal desejado.



✓ O solvente (ácido sulfúrico, por exemplo) é

dissolvido em grandes quantidades de água (solução

diluída), e pode ser reciclado e recuperado para uso

posterior.

✓ O processo envolve grandes volumes do minério,

portanto, o uso de grandes tanques e unidades

custosas.

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✓ O processo hidrometalúrgico envolve as seguintes

etapas:

a. Lixiviação, ou solução do minério com um

solvente adequado;

b. Lavagem do minério lixiviado;

c. Clarificação do minério lavado;

d. Precipitação (extração) do metal desejado a partir

da solução clarificada.



✓ Dentre essas etapas, a considerada mais importante

é a lixiviação, que pode ser de dois tipos: percolação

e agitação

• Na percolação o solvente (ácido diluído) é

derramado sobre o minério, atravessando a sua

massa até molhar todas as suas partículas.

• Na agitação o minério é vertido no tanque com

solvente, e agitado continuamente para garantir

um maior contato entre eles.

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✓ A precipitação, que é a etapa final, pode ser feita

eletroliticamente ou por troca química (reação

simples).

✓ O processo eletrolítico produz um metal mais puro;

no segundo caso (troca química), não obstante o

metal extraído ser menos puro, o processo é mais

econômico e mais simples do ponto de vista

tecnológico.

✓ No segundo caso, pode-se fazer a cementação, que é

a troca química com outro metal menos nobre.



✓ Como exemplo, tem-se a Extração hidrometalúrgica

do cobre pela cementação com o ferro, que se dá

pela reação básica:

𝐶𝑢𝑆𝑂4+ 𝐹𝑒 ՜ 𝐹𝑒𝑆𝑂4 + 𝐶𝑢

✓ O cobre obtido pelo processo hidrometalúrgico é de

baixa pureza, o que demanda um refino posterior.

(solução) (solução)

precipita na solução

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