TPICOS DE METALURGIA EXTRATIVA

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					ENG06631-Metalurgia Extrativa dos Metais Não-Ferrosos-I A – 2007-1                                                      33
Nestor Cezar Heck / UFRGS - DEMET



4 - A METALURGIA EXTRATIVA

4-1. Razão e características da metalurgia extrativa
         Os métodos utilizados na produção de materiais metálicos, inexistentes – ou raros – na
natureza, que tiveram a sua origem em tempos remotos, revelam o gênio humano – pois foi imensa a
necessidade de observação, de dedução dos fundamentos e de criação e aperfeiçoamento das
técnicas necessárias para tornar a obtenção desses materiais possível.
         Hoje, um procedimento extrativo completo – resultado dessa colossal evolução – pode ser
dividido, didaticamente, em três partes fundamentais, e seus objetivos básicos resumidos à apenas
quatro.1 Para atingi-los deve-se fazer uso de inúmeros processos extrativos. 2
         Um procedimento extrativo é, assim, o conjunto dos processos extrativos capazes de satisfazer
a cada um dos quatro objetivos básicos e de produzir um material metálico com as propriedades
almejadas – razão única da metalurgia extrativa.
4-2. Procedimento extrativo: partes e objetivos
          Um procedimento extrativo se inicia com a adequação da matéria prima, de modo a torná-la
mais apropriada para as operações subseqüentes. Essa adequação é feita basicamente de duas
maneiras: ou (i) transformando-a quimicamente (ou estruturalmente) em outro tipo de composto ou
(ii) tornando-a mais pura, pela remoção de elementos indesejáveis. Não há hierarquia entre esses dois
objetivos e tanto um quanto o outro pode se dar em primeiro lugar. A essa parte dá-se o nome ‘pré-
extração’.
          Após isso, se procede à obtenção do material metálico (ou daquilo que será a sua base).
Embora realizada de muitas maneiras, quimicamente, trata-se sempre de uma redução. Por
materializar a idéia fundamental da metalurgia extrativa, essa parte é denominada ‘extração’.
          Por fim, há, na maioria das vezes, a necessidade de se ajustar o produto obtido pela remoção
de elementos indesejáveis contidos no metal. Por isso, essa parte é denominada ‘refino’.
          Além desses quatro objetivos básicos, há, em cada procedimento extrativo, outros objetivos, de
caráter complementar, em número indeterminado, que podem ser atingidos isoladamente ou
concomitantemente com os básicos. Objetivos complementares não são menos importantes que os
outros – apenas a sua freqüência é menor – e vão desde o coalescimento do material metálico
(inicialmente pulverulento, por exemplo) até a separação (final) de fases como, por exemplo,
metal e escória.
4-3. Processo extrativo
        Um procedimento extrativo é composto de muitos processos extrativos.
        Visualmente, um procedimento extrativo pode ser idealizado como uma corrente composta por
vários elos individuais encadeados – os processos extrativos – em número e com funções suficientes
para que os quatro objetivos básicos (sem esquecer os complementares) do procedimento extrativo
sejam alcançados.
        Cada um dos processos extrativos opera com base em princípios fisicoquímicos e de
engenharia e se assemelha aos processos e às operações unitárias.
4-4. Rotas extrativas
        Os processos extrativos podem ser classificados em três rotas: a piro, a hidro e a
eletrometalurgia 3, caracterizadas, respectivamente, pelo emprego de calor, água e eletricidade.
        A grande maioria dos processos extrativos tende a pertencer à apenas uma destas rotas,
enquanto que outros, em menor número, possuem simultaneamente características de duas dessas
classes. Contudo, mesmo estes são classificados em apenas uma das rotas extrativas.
1 Quatro é, na verdade, o número máximo de objetivos básicos; certos procedimentos necessitam menos que quatro.
2 É seguida aqui a sugestão exposta por P.C. Hayes no livro Process Selection in Extractive Metallurgy
3 Do grego: pyrós: fogo; hýdor: água; e électron: âmbar que apresentava fenômenos eletrostáticos, mais metallourgia: ato de

  extrair os metais
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       O Quadro 4-1 mostra alguns exemplos de processos com características inequívocas e outros
com características ambíguas.

           Rota:     ‘Piro’                          ‘Elétro’                        ‘Hidro’
                Redução (de           Redução            Redução         Cementação Redução de
    Exemplo de óxidos) pelo           eletrolítica de eletrolítica de                  íons aquosos
      processo: hidrogênio            íons em uma íons em uma                          pelo hidrogênio
                gasoso                solução salina solução aquosa                    gasoso
  Caracterís-        calor              eletricidade        eletricidade eletricidade        água
  tica básica:                             calor                            água
         Quadro 4-1. Rotas extrativas com exemplos de processos e suas características básicas
         O calor serve para se atingir um estado final (com alta temperatura) onde a obtenção de um
produto adequado, ou a separação de fases (características fundamentadas na termodinâmica), sejam
favorecidas. Simultaneamente, espera-se que a energia de ativação das reações químicas seja
superada, minimizando-se, assim, as resistências com origem na ‘cinética química’. O uso do calor
(associado à temperaturas elevadas) se constitui na característica dominante desta rota da metalurgia
extrativa.
         A água, solvente universal, é o meio ideal para se dissolver seletivamente o mineral do metal
de valor (outras vezes, também, para se dissolver impurezas), deixando o restante do minério ‘intacto’.
O produto dessa operação é uma solução contendo íons aquosos. O recurso de se aquecê-la, tendo-se
em vista, novamente, a ‘cinética química’, também é, por vezes, empregado. Há casos onde soluções
líquidas não aquosas (orgânicas) são usadas, em conjunto com soluções aquosas.
         A eletricidade – a mais cara e nobre de todas as formas de energia – é usada na obtenção de
metais (muitas vezes de metais reativos) a partir de eletrólitos (soluções contendo íons) aquosos ou
salinos – os últimos são chamados ‘banhos de sais’. Ela também é usada no seu refino, dando origem
aos metais refinados eletroliticamente.
         Um procedimento extrativo emprega normalmente processos extrativos de todas as rotas
simultaneamente; quando um procedimento extrativos é constituído nitidamente por processos
classificados em apenas uma dessas rotas, ela pode dar o nome ao procedimento – embora essa
prática não seja aconselhada. Assim, se todos pertencerem à rota pirometalúrgica, fala-se, então, de
um ‘procedimento extrativo pirometalúrgico’.
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Q4 – QUESTÕES E EXERCÍCIOS

4-1. Razão e características da metalurgia extrativa
Exerc. 4-1.1      Um procedimento extrativo completo pode ser dividido em _______ partes e os seus
                  objetivos básicos são (didaticamente) resumidos à apenas__________.

4-2. Procedimento extrativo: partes e objetivos básicos
Questão 4-2.1 A adequação da matéria prima ao procedimento não é o mesmo que a adequação da
              matéria prima ao reator. Explique, por meio de exemplos, e diga: que diferença há
              nisso?

Exerc. 4-2.1      Complete a Tabela Q4-1 dando o nome dos quatro objetivos básicos, após consulta ao
                  livro de P.C. Hayes: Process Selection in Extractive Metallurgy.


Partes:          Objetivos básicos:                  Comentários:
Pré-extração 1. ____________________                 Passo de adequação da matéria prima ao procedimento;
                                                     o composto formado é mais adequado – quimicamente
                                                     ou estruturalmente – ao procedimento extrativo do que a
                                                     matéria prima.

                                                     Refere-se à remoção de elementos indesejáveis
                 2. ____________________
                                                     contidos na matéria prima.
Extração         3. ____________________             Aqui se concretiza a meta principal da metalurgia
                                                     extrativa, qual seja: a obtenção do material metálico –
                                                     ou daquilo que será a sua base.
Refino           4. ____________________             Passo de ajuste do produto obtido, pela remoção de
                                                     elementos indesejáveis contidos no metal.
                  Tab. Q4-1. Partes e objetivos básicos de um procedimento extrativo

Questão 4-2.2 Por qual motivo a pré-extração nem sempre é necessária?
Questão 4-2.3 Por qual motivo também o refino nem sempre é necessário?
Questão 4-2.4 O que se quer dizer com ‘coalescimento do material metálico, inicialmente
              pulverulento’, no texto?

4-3. Processo extrativo
Exerc. 4-3.1      Complete as sentenças com as características dos processos extrativos.
a) Processos extrativos são como ‘__________’ ou ‘_________’ unitários do procedimento extrativo.
b) Cada um deles opera com base em princípios ______________________ e de engenharia.
c) Um processo extrativo assemelha-se aos ____________________ (transformações químicas) e às
   ___________________ (transformações físicas) da engenharia química.
d) A justaposição de todos os processos extrativos empregados num dado procedimento extrativo
   deve satisfazer os (até quatro) _____________________ desse procedimento extrativo.
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e) Muitos processos são nitidamente orientados (em diferentes procedimentos extrativos) apenas para
   um mesmo tipo de objetivo (refino a fogo: para a _____________). Outros podem ser empregados
   com diferentes objetivos: a ustulação normalmente é empregada para a ___________________ e,
   muito raramente, para a ___________________.
f) O objeto dos processos é sempre dar um destino ao ‘_____________’, para isso, contudo, algumas
   vezes deve-se tratar as ______________ . Exemplo: lixiviação é empregada para dissolver _____
   _____________ embora possa ser empregada mais raramente para dissolver ________________.
g) O número de processos necessário para que um único objetivo básico – dos ______ existentes no
   procedimento extrativo – seja alcançado, é indeterminado: normalmente ele é alcançado com ____
   ________ ; procedimentos complexos, contudo, necessitam _______ processos extrativos.
h) Ao reduzir carbotermicamente o minério de Fe, a redução carbotérmica sob fusão tem o objetivo de
   _____________; ao produzir, também, a _________ , promove complementarmente a __________.
i) Com freqüência, alguns processos são voltados apenas para uma determinada classe química da
   matéria prima; por exemplo, a fusão à matte é voltada para os ______________.


Exerc. 4-3.2      Dos termos listados, circule os que são exemplos de processos extrativos.
             refino                                         peneiramento
             destilação                                     liqüação
             sinterização                                   refino à fogo
             redução eletrolítica de íons aquosos           calcinação
             fundição                                       briquetagem
             secagem                                        redução direta
             lixiviação                                     cominuição

Questão 4-3.1 A ustulação do sulfeto de zinco em óxido de zinco é um exemplo de processo baseado
              numa transformação química; qual é a reação estequiométrica que a representa?
                              _______ + _______ = _______ + _______


Questão 4-3.2 O refino à vácuo do hidrogênio dissolvido no aço é um exemplo de processo baseado
              numa transformação física; qual é a ‘reação’ estequiométrica que a representa?
                              _______ = _______


4-4. Rotas extrativas
Questão 4-4.1 Por qual motivo um processo extrativo com base no calor & eletricidade é classificado
              como elétro e com base na eletricidade & água é hidro?
Exerc. 4-4.1      Diga à qual rota pertence cada uma das reações mostradas a seguir:
                  (a) ZnO + 2H+ = Zn2+ + H2O _________________________

                  (b) Zn2+ + H2O = Zno + ½O2 (g) + 2H+ ______________________


Exerc. 4-4.2      Complete a Tabela Q4-2 com os nomes dos processos extrativos (todos eles já foram
                  citados no texto anteriormente) empregados no procedimento extrativo do zinco,
                  classificando-os nas respectivas rotas e objetivos básicos.
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Objetivo básico:                              PIRO                   HIDRO                      ELETRO
Formação de composto
Separação
Obtenção do metal
Purificação do metal
         Tab. Q4-2. Processos extrativos da metalurgia extrativa do zinco e sua classificação nas rotas
                    extrativas e objetivos básicos


Exerc. 4-4.3      Complete a Tabela Q4-3 com os símbolos dos produtos (intermediários ou finais) dos
                  processos extrativos empregados no procedimento extrativo do zinco.

                 Objetivo                        Denominação                 Produto
         Formação de composto              ustulado
         Separação                         lixiviado
         Obtenção do metal                 zinco eletrolítico
         Tab. Q4-3. Produtos dos processos extrativos do zinco


Exerc. 4-4.4      Complete a Tabela Q4-4 identificando e descrevendo uma justificativa para cada uma
                  das características das rotas da metalurgia extrativa.

  ROTA                           Característica                                        Justificativa
             Necessidade de matéria prima sob a forma de
             compostos ‘puros’
             Temperatura baixa (ou, alternativamente, uso de
             autoclave)
             Reagentes na forma de espécies ionizadas
             Necessidade de matéria prima concentrada
             Taxas de conversão muito baixas
             Aspectos termodinâmicos por determinar
             Taxas de conversão relativamente baixas
             Transferência de calor é um ítem importante
             Uso de grande número de pequenos reatores
             Matéria prima com teores até muito baixos
             Taxas de conversão elevadas
             Equipamentos relativamente simples
             Utilização de energia de alta ‘qualidade’
             Necessidades de reatores e de materiais caros e
             sofisticados
             Relativa independência entre teor do minério e o
             quociente receita / custo
             A rota de menor perda de valor
             Grau máximo de pureza do metal produzido
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              Aspectos cinéticos por determinar
              Alcance do equilíbrio químico dentro do reator
              Utilização de energia de baixa ‘qualidade’
              Concentração de reagentes e produtos em uma
              faixa relativamente baixa (< 1 mol / L)
              Rota com casos de processos autógenos (ou
              aproximadamente autógenos)
          Tab. Q4-4. Características principais das rotas extrativas e justificativas



Exerc. 4-4.5      A rota influencia em grande parte o estado físico do metal obtido; para metais no
                  estado sólido freqüentemente há necessidade de se realizar o seu coalescimento por
                  fusão. Complete a Tabela Q4-5 anotando um exemplo para cada caso.


   Rota         Temperatura*         Estado      ‘Estado’ ou           Necessita        Exemplos
                                     físico**       forma            coalescimento?
                T < P.F. Me              S    pulverulento ou              sim
PIRO                                          poroso
                T > P.F. Me              L     -                          não
                T > P.Eb. Me             V     -                          sim
                                                                          não
ELETRO          T < P.F. Me             S       pulverulento ou           sim
                                                ‘de um cátodo’
                T > P.F. Me             L        -                        não
HIDRO           T < P.Eb. Água          S       pulverulento ou           sim
                                                ‘de um cátodo’
           * P.F. = ponto de fusão P.Eb. = ponto de ebulição
           ** S = sólido; L = líquido e V = vapor


          Tab. Q4-5. Estado físico dos produtos metálicos e a necessidade (ou não) de coalescimento,
                     em função das rotas extrativas, da temperatura do processo de redução, e de
                     temperaturas de algumas de suas transformações físicas.

				
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