INTRODUÇÃO À ENGENHARIA METALÚRGICA - IEM

PROF.: EDUARDO BROCCHI

1 INTRODUÇÃO

A Engenharia de Materiais pode ser dividida em alguns segmentos que, embora possam ser tratados independentemente, estão interligados.Dentre estes podemos citar alguns tópicos que são estudados: Extração/Síntese , Estrutura/ Propriedades, Fabricação/Uso, Proteção e Reciclagem.

1.1 Definições Básicas

Matéria-Prima ou 1o. Material: Pode ser mineral ou vegetal. No caso da Engenharia de Materiais, a matéria prima de maior interesse é a mineral. Tem ocorrência natural nas minas.

Mineral: é um conjunto de elementos que se caracteriza por ter propriedades específicas e estrutura bem definida, pois se forma da repetição da célula unitária. Algumas destas propriedades específicas são densidade própria, coloração, susceptibilidade magnética e arranjo cristalino bem definido. Ex.: hematita = mineral do minério de ferro

Mineral de Interesse: É o mineral constituinte do minério, que tem algum interesse econômico e/ou tecnico. Quando o mineral de interesse é separado dos demais constituintes do minério, ele passa a ser denominado concentrado.

Minério: pode ser definido como um agregado de minerais, onde pelo menos um deles tem algum valor econômico, ou seja, é uma ocorrência mineral natural que tem algum valor comercial. (ROM = “Run of Mine” = Minério)

A mineração ou lavra pode ser feita na superfície ou subterrânea. Isso vai depender do minério.

Arranjo Cristalino: é um arranjo interno dos átomos, que se posicionam em lugares bem definidos de um dos sistemas cristalinos (existem 7). Todos os cristais da mesma substância são semelhantes . Entretanto, podem não ter a mesma aparência externa, pelo fato de que faces diferentes se encontram durante o processo natural de formação devido a existência de diferentes frentes de nucleação e crescimento.

Eng. de Materiais e Metalurgia

Caracterização Processos (Obtenção)

Propriedades / Uso

Extração / Síntese

Siderurgia(Ind. do Ferro)

Metálicos(Metalurgia)

Metais não-Ferrosos

Cerâmicos

Polímeros

Compósitos

ENGENHARIA MATERIAIS E METALURGIA

Extração / Síntese

Estrutura/ Propriedade / Desempenho

Processosde

Fabricação (do prod. acabado)

Processos Físicos

Processos Químicos

Caracterização

Ensaios

Processamento

Usinagem

Conformação

Fundição

Metalurgia do pó

Convencionais

Termoplásticos

CLASSIFICAÇÃO DE MATERIAIS OPERAÇÕES

Tend

ênci

aTe

ndên

cia

Pos

síve

lIn

com

um

Diversas formas

1.2 Classificação dos Materiais

Os Materiais com que a Eng. de Materiais normalmente se envolve são os Metálicos, os Cerâmicos, os Polímeros e os Compósitos.

Metálicos – Englobam todos os metais tanto ferrosos quanto não ferrosos. O metais ferrosos podem ainda ser divididos entre metais preciosos (ouro, paládio, platina e prata), metais básicos (são a maioria: alumínio, cobre, estanho, zinco, etc.), metais estratégicos (tório, silício, urânio) e metais refratários (tungstênio, vanádio, tântalo e nióbio).

Obs.: Materiais refratários são materiais que resistem bem ao calor e por isso são muito usados em revestimento de fornos. Normalmente são cerâmicos. Já os metais refratários são metais que possuem alta temperatura de fusão.

Cerâmicos - Alguns produtos são cerâmicas em sua origem: tijolo, telhas, azulejo, porcelanas de banheiro e até o vidro. Cerâmicos são bons isolantes elétricos e térmicos.

Polímeros - Um polímero é uma macromolécula formada pela repetição de pequenas e simples unidades químicas (monômeros), ligadas covalentemente.

Compósitos - Compósitos são materiais formados pela combinação de dois ou mais materiais distintos que mantém as suas propriedades individuais e sem que haja interação química intencional entre eles, ou seja, são formados pela mistura de pelo menos dois materiais de grupos diferentes (metais + polímeros, cerâmicos + metais, etc). O pneu é um exemplo de compósito, pois é formado por fibras metálicas + borracha.

2 CARACTERIZAÇÃO E PROCESSAMENTO DA MATÉRIA-PRIMA

2.1 Iniciativas de caracterização

Caracterização do Minério:Pode ser feita quanto a granulometria, a composição química (composição dos

elementos) ou a composição mineralógica (composição dos minerais constituintes).

Matéria Prima Mineral (Minério)

Caracterização

Processos

- Análise Granulométrica- Análise Mineralógica- Análise Química- Grau de Liberação

“Caracterização Tecnológica”

Polietileno de Alta Densidade (polímero)

Obs.: “ Caracterização Tecnológica”: quando a caracterização é importante para disponibilizar o uso tecnológico de um mineral, ou seja, caracterizar o material com foco na tecnologia.

Métodos de Caracterização:

1. Caracterização Mineralógica: Descreve quais minerais estão presentes no minério (pode ser quantitativa ou qualitativa).

2. Análise Química Elementar: Fornece a composição dos elementos presentes, isto é, a porcentagem de cada elemento.

Obs.: A análise elementar pode identificar outros elementos além daqueles que constituem,teoricamente, os minerais presentes no minério. . Isto ocorre porque os minerais presentam substituições nas suas redes cristalinas . Por exemplo: a análise elementar da cassiterita (SnO2) pode indicar a presença de Nb e Ta. Este fato indica que tais elementos ocupam posições na rede cristalina da cassiterita e, eventualmente,deverão ser retirados caso deseja-se a obtenção do estanho.

3. Análise Granulométrica: Fornece a distribuição percentual,em peso, dos tamanhos dos grãos que constituem o material.. Essa caracterização é essencial para os processos físicos voltados para a extração e síntese. Ou seja, a análise granulométrica permite identificar o tamanho e a distribuição dos grãos e junto com a composição mineralógica permite se obter o chamado “ grau de liberação”. A análise granulométrica é feita através de peneiras de diferentes aberturas e que são padronizadas internacionalmente. Cada peneira tem um número de aberturas por polegada linear denominado “mesh”. Logo, quanto maior o “mesh”, maior o no. de aberturas e, conseqüentemente, mais fino deverá ser o grão para que passe por ela. Assim, para materiais grosseiros, usa-se peneiras de baixo “mesh” e para finos usa-se peneiras com maior “mesh”.

Exemplo de Resultado da Análise Granulométrica:

Supondo um minério onde 10% é meu mineral de interesse. A análise de 10g deste minério poderia dar como resultado:

2 mesh (# 2)

6 mesh (# 6)

12 mesh (# 12)

Fração % Peso

% do Mineral de Interesse em cada

Fração

% P x % M % L(% do MI liberada

na fração)

% P x %M x %L

+28 10 10 1 g 70% 0,7028 x 65 20 12 2,4 g 80% 1,9265 x 100 30 8 2,4 g 90% 2,16100 x 250 20 10 2,0 g 95% 1,90

-250 20 11 2,2 g 100% 2,20

100g

Obs.: A simbologia (+) significa que ficou retido na peneira e (-) que passou. Se o material tivesse uma distribuição homogenia cada fração teria a mesma quantidade, logo, nesse exemplo (5 frações) seria 20% cada. Porém, a distribuição pssível quando se seleciona uma série de peneiras adequada é uma distribuição normal.

A distribuição do mineral de interesse também não é homogênea pelas frações, assim, não haverá 10% do mineral de interesse em cada fração, e sim uma distribuição aleatória relacionada às características e propriedades do mineral de interesse dentro daquele minério.

4. Grau de Liberação:Significa o percentual do mineral de interesse que se encontra, totalmente, solto (liberado) .Deve ser obtido a partir de uma amostra representativa. Ou seja :

massa do mineral de interesse liberada (solta) / massa total do mineral de interesseÉ razoável se esperar que para um processo de separação do mineral de interesse ser

bem sucedido, o “grau de liberação” deva ser maior do que 80 %.

Assim, no exemplo acima, a amostra representativa do minério tem 100gramas das quais 10gramas é mineral de interesse e desta quantidade, 8,88 encontra-se liberado,então:

GLP (Grau de Liberação do Produto) = 8,88g / 10g = 88,8%

10 g 8,88 g

+28 28x65 65x100 100x250

%

O grau de liberação pode ser obtido para o minério bruto (como sai da mina) e, neste caso, deve ser relativamente pequeno ou, como normalmente é efetivado, após uma série de procedimentos de fragmentação,peneiramento,moagem e classificação,processos estes que serão descritos posteriormente. Observe que a determinação do grau de liberação,assim como a análise granulométrica, são procedimentos laboratoriais que servem para direcionar operações industriais.

2.2 Iniciativas de processos extrativos

A Extração / Síntese engloba os processos físicos e químicos, pelo qual o minério passa até a obtenção do produto desejado. Geralmente se associa o termo “ extração” para metais e “síntese” para compostos.

Como os metais, em geral, não são encontrados puros na natureza e sim nos minerais, normalmente precisa-se executar primeiro um processo físico ( obtenção do mineral de interesse a partir da sua separação dos demais) para posteriormente ser levado a feito um químico. Quando o minério é muito rico no mineral de interesse pode-se pensar no processo químico diretamente. Um exemplo é a redução do minério de ferro.

Ex: Para obter ferro, basta colocar a hematita ( Fe2O3- mineral de ferro) em contato com algum composto ou elemento ávido por oxigênio (ex: CO,C,H2, ...) em condições que favoreçam a reação. Assim,

Fe2O3 ( s ) + CO ( g ) Fe ( l ) + CO2 ( g )

Todavia, na maioria dos casos, o minério deve ser tratado fisicamente em etapas que antecedem aos processos químicos .

A Figura a seguir ilustra este comentário.

Processos Físicos (Tratamento de Minérios)

O minério, normalmente, precisa ser submetido a processos físicos de diferentes formas (fragmentação,moagem,separação,etc) Todavia,.em alguns casos tais processos podem estar apenas voltados para uma aglomeração das frações mais finas do minério ou para uma separação em frações granulométricas bem definidas da matéria-prima (caso das britas). Nestes casos, o processo físico pode ser entendido como sendo uma etapa de

MINA Minério Mineral (concentrado)

Produto Intermediário

Metal ou Composto

Produto Refinado

Processos Físicos

Processos Químicos

Processamento preliminar

(Piro)

Processos de produção

(Piro)

Processos de refino (Piro)

Síntese

Reciclagem Sucata

Uso

Proteção

AplicaçõesProdutoDesempenho

Estrutura

PropriedadeProcessamento

adequação granulométrica. Tal situação ocorre no processamento de minério de ferro de alto teor e de alguns minerais industriais.

Os Minerais Industriais podem ser usados diretamente ou podem passar por algum ajuste granulométrico para serem utilizados. Da mesma forma, alguns minérios de ferro não precisam ser concentrados pois já são constituídos praticamente de um só mineral (o de interesse). Estes podem ser sub-divididos em 2 grupos, os granulados (já encontrados no tamanho ideal para entrar na etapa química : alto-forno) e os finos ( que precisam ser aglomerados). Mas a maioria dos minérios (inclusive alguns de ferro) precisam passar pela preparação ( liberação do mineral de interesse) e por processos de separação do mineral de interesse (concentração).Tratar o minério nada mais é do que processá-lo. Esse processamento tem como objetivo preparar a matéria-prima para os processos químicos. Esses processos podem ser apresentados da seguinte forma:

1) Preparo de Matéria-Prima: Tem como objetivo:

- Adequação granulométrica: pode ser para preparar o mineral para aglomerar ou para liberação do mineral de interesse,

- Liberação do mineral de interesse (voltada para a concentração): envolve a adequação granulométrica, pois para liberar é preciso fragmentar/moer. Quando a liberação ocorre em partículas grosseiras, a seletividade do processo de concentração tende a ser maior, pois as máquinas que fazem a separação apresentam melhor seletividade. Ou seja, embora a liberação seja aumentada com a diminuição do tamanho das partículas ( quanto menor a granulometria, maior o grau de liberação), a seletividade da concentração diminui. Assim é preciso levar em consideração os dois aspectos, quando da definição do par: grau de liberação / processo de separação( concentração).

Então, uma forma de se apreciar quantitativamenta o preparo da matéria-prima(minério) que será usada na concentração, é através da determinação do Grau de Liberação do Produto.

MATÉRIA PRIMA MINERAL

MINA

Mineração

Minerais Industriais

Alguns Minérios de Fe

Outros Minérios

PREPARO DA M.P.(Tornar mais fino)

PARA AGLOMERAÇÃO

PARA CONCENTRAÇÃO

Os métodos usados no preparo da matéria-prima são físicos: a) Britagem: é uma fragmentação grosseira realizada em Britadores de diferentes modelos.b) Moagem: é uma fragmentação mais fina efetivada em moinhos,também de diferentes formatos.c) Equipamentos de Separação: São peneiras e classificadores (ex. ciclones). O primeiro faz uma separação de partículas mais grosseira enquanto o segundo trata de partículas mais finas.

2) Aglomeração: Visa aumentar o tamanho dos grãos. Pode ser feita por:

- Briquetagem: consiste na compactação das partículas do material a elevadas pressões formando briquetes.

- Sinterização: o processo de aglomeração nesse caso é baseado na “fusão incipiente” da partículas, ou seja, ocorrerá uma espécie de solda entre as partículas.

- Pelotização: é uma espécie de “colagem” entre partículas. Aos finos são adicionados água e aglutinante que se “misturam” em um disco pelotizador. A inclinação e a velocidade de rotação do disco definirão o tamanho das pelotas formadas. Após a formação das pelotas faz-se um tratamento térmico para aumentar a resistência ao desgaste físico das mesmas.

OBS:A aglomeração é útil nos casos em que a matéria-prima é muito fina para ser submetida a processos químicos, onde o gás reagente é admitido no forno reacional pela parte inferior. Nesta situação as partículas da matéria-prima seriam arrastadas antes da reação ocorrer (transporte pneumático).

Há casos em que as partículas de matéria-prima são muito finas para serem alimentadas nos fornos, mas não são finas o suficiente para serem aglomeradas, nesses casos é necessário fazer uma adequação granulométrica, tornando as partículas ainda mais finas para, então, aglomerá-las. A pelotização requer este procedimento prévio.

3) Concentração: Após liberar, satisfatoriamente, o mineral de interesse é necessário separá-lo do resto do minério, ou seja, concentrá-lo. Por sua vez,a apreciação quantitativa do processo de concentração é o balanço de massa.

BRITAGEM PENEIRAS

CLASSIFICADORESMOAGEM

Inserir Fluxogramas:

1) Exemplo de Preparo de Matéria-Prima para Aglomeração (obtenção de Sinter-feed)

2) Exemplo de Preparo da Matéria-Prima para Concentração

Processos de Concentração ( Técnicas possíveis)

A rota de concentração escolhida depende, dentre outras coisas, da caracterização da matéria-prima. Por exemplo, para minérios constituídos por minerais com diferentes densidades pode-se usar métodos gravimétricos.

1) Métodos Gravimétricos : Separam os minerais em função da densidade.Se para se atingir um grau de liberação satisfatório for necessária a geração de muitas frações finas, deve-se selecionar o processo que forneça melhor seletividade.

Elutriação: usado para materiais cuja liberação ocorre em frações grosseiras (até 28#)

Jigagem: usado para materiais cuja liberação ocorre em frações intermediárias (até 65-100 mesh).

Mesagem: usado para materiais cuja liberação ocorre em frações finas (até 200#). Os processos só serão bem sucedidos se a diferença de densidade entre os minerais for apropriada para cada processo/granulometria.

2) Magnético : Também perde seletividade para frações muito finas. É necessário que o mineral possua alguma suscetibilidade magnética.

3) Flotação : Permite separação de minérios levados a uma granulometria mais fina (325#) que os métodos anteriores. Este método se baseia em uma propriedade dos materiais denominada “molhabilidade” ( capacidade de se molhar).

Este processo é utilizado para separar partículas de minerais diferentes de uma fase líquida. A separação é obtida pela introdução de pequenas bolhas de ar na fase líquida, que aderem ao material particulado com baixa molhabilidade, arrastando-o para a superfície da polpa.

MINERAL

H2O

MINERAL

Ar

MINERAL

Ar

MINERAL

H2O

Mineral com BOA Molhabilidade

Mineral com POUCA Molhabilidade

AR

BOLHAS DE AR COM MINERAL DE POUCA MOLHABILIDADE

Assim, o mineral que tiver pouca molhabilidade irá se aderir às bolhas de ar e subirá, por isso a flotação é menos recomendada para para minerais pesados.

Obs.: A flotação permite que se mude artificialmente as propriedades superficiais do mineral através de agentes modificadores.

4) Floculação Seletiva: Usada para separar minerais muito finos. Funciona através da adição de um agente aglutinante que faz com que as partículas de um mesmo mineral se aderem seletivamente ao se chocarem umas nas outras, formando flóculos que precipitam .

Balanço de Massa

Definições:

Teor: É a porcentagem do mineral de interesse presente no material.

Recuperação: É o quanto se recupera, em peso, de uma quantidade disponível .Pode ser calculada em relação a uma massa total alimentada ou apenas em relação ao peso do mineral de interese disponível. Pode ser aplicado em relação a uma etapa do processo, sendo assim uma recuperação local, ou em relação ao processo inteiro, sendo então uma recuperação total.

Para que um processo seja viável, é necessária a obtenção de um concentrado com um alto teor de mineral de interesse acompanhado de uma boa recuperaçã do mesmoTodavia, sabe-se que ,normalmente, quanto maior o teor do concentrado, menor a recuperação do mineral de interesse.

O balanço de massa é usado para se avaliar quantitativamente os processos de concentração.

Esquema:

No esquema apresentado, o processo A tem maior seletividade porque tem a maior faixa granulométrica

Cálculos:

A peneira foi alimentada com uma massa {A}. Após o peneiramento, houve uma distribuição homogênea de 50% entre os dois processos de concentração.

Seja,{A}: Alimentação da peneira{TA}: Teor de mineral de interesse em A{B}: Quantidade após peneiramento (massa de minério que vai para concentração){BI} e {BII}:Alimentação dos Processos I e II, respectivamente{TB}:Teor do mineral de interesse em B, BI e BII

{CI}e {CII}:Massa dos concentrados I e II, respectivamente{TCI}e {TCII}:Teor dos concentrados I e II, respectivamente{RI}e {RII}:Massa dos rejeitos I e II, respectivamente{TRI}e {TRII}:Teor dos rejeitos I e II, respectivamente

Minério Rico

(Não precisa de conc.)

Preparo da Matéria-Prima

Libera o M.I. adequadamente para a concentração

Aglomeração

PROCESSO(I)

PROCESSO(II)

PROCESSO(III)

Rejeito I Concentrado I Rejeito II Concentrado

IIRejeito III Concentrado

III

Faixa Granulom. Onde este processo tem seletividade

PENEIRAMENTO1”

Granulometria > 1”

Equações básicas:

1) Balanço de massa total: (Entra) = (sai) : {B} = {CI}+ {RI}+ {CII}+ {RII}

2) Balanço de massa do mineral de interesse:{B} x {tB} = {CI} x {tCI} + {RI} x {tRI} + {CII} x {tCII} + {RII} x {tRII} 3) Recuperação geral = ({CI} x {tCI} + {CII} x {tCII}) / ({B} x {tB})

4) Recuperação em massa = ({CI} + {CII}) / {B}, onde {B} = {BI}+{BII}

5) Recuperação local:

{BI}= {CI} + {RI}

{BI}x{tBI} = ({CI}x{tCI}) + ({RI}x{tRI})

Recuperação = ({CI}x{tCI}) / ({BI}x{tBI})

6) Distribuição (quanto cada processo recuperou do mineral de interesse):

Dist(proc I) = ({CI} x {tCI}) / ({CI} x {tCI} + {CII} x {tCII})

{RII} {TRII}

{A}

{TA}

PROCESSO(I)

PROCESSO(II)

Concentrado I

Rejeito II

Concentrado II

PENEIRAMENTO1”

Rejeito I

{B}

{TB} {BI } = B/2

{TB}

{BII } = B/2

{TB}

{CII}

{TCII}

{CI}

{TCI}

{RI} {TRI}