Capítulo V Processos de Extração e Refino - Jorge Teófilo · 04/07/2017 2 04/07/2017 16:27 TECNOLOGIA METALÚRGICA 5.1 Extração - Objetivos A extração de um metal M a partir

04/07/2017

1

04/07/2017 16:27 ESTATÍSTICA APLICADA I - Teoria das Probabilidades

Tecnologia Metalúrgica

Prof. Dr. Jorge Teófilo de Barros Lopes

Universidade Federal do Pará

Instituto de Tecnologia

Campus de Belém

Curso de Engenharia Mecânica

04/07/2017 16:27 ESTATÍSTICA APLICADA I - Teoria das Probabilidades

Capítulo V

Universidade Federal do Pará

Instituto de Tecnologia

Processos de Extração e

Refino

Campus de Belém

Curso de Engenharia Mecânica

04/07/2017

2

04/07/2017 16:27 TECNOLOGIA METALÚRGICA

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

04/07/2017

3



(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- -



Existem três processos de extração, os quais utilizam um

desses métodos: processos pirometalúrgicos, processos

hidrometalúrgicos e processos eletrometalúrgicos.

• Processos pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos -

utilizam basicamente o primeiro método.

• Processos eletrometalúrgicos - tem como base o

segundo método.

04/07/2017

4


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.



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.

04/07/2017

5



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.



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.

04/07/2017

6





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).

04/07/2017

7



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.



FUNDENTES

As duas primeiras características são, em geral, as mais

críticas.

Compostos adicionados à escória com a finalidade de

baixar o ponto de fusão e aumentar a fluidez (diminuir a

viscosidade) da mesma (são também denominados de

fluxo).

Os fundentes constituem-se de óxidos, carbonatos,

nitratos, fluoretos e boratos, que podem ser classificados

como ácidos, básicos ou neutros.

04/07/2017

8



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).



FUNDENTES

Exemplo:

• A sílica e a alumina são óxidos encontrados na ganga de

diversos minérios; suas temperaturas de fusão são,

respectivamente, 1630 °C e 2000 °C;

• uma escória com composição de 90% SiO2 e 10% Al2O3

tem temperatura de fusão de 1600 °C (temperatura

compatível com diversos processos extrativos);

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

temperatura poderá baixar até 1160 °C.

04/07/2017

9



FUNDENTES

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

ganga de quase todos os minérios). Portanto, 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 básica e escória ácida.

Escória básica: é aquela que apresenta um excesso de

óxidos básicos (RO) em relação à proporção de sílica, 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.

04/07/2017

10



FUNDENTES

Além da sílica (SiO2 + 2O- - → SiO4- -), a escória pode conter

outros óxidos ácidos, tais como, a alumina (Al2O3) e o

pentóxido de fósforo (P2O5), com as seguintes reações de

dissolução na escória (oxigênio fornecido por óxidos básicos

– RO):

Al2O3 + 3O- - → 2AlO3- -

P2O5 + 3O- - → 2PO4- -

Para esses óxidos, cada mol exige 3 mol de óxidos básicos

(RO) para neutralizar a solução líquida (escória).



FUNDENTES

Assim, pode-se determinar o Índice de Basicidade da escória

através da formula:

𝐵 =𝑁𝑅𝑂 − 3(𝑁 𝐴𝑙2𝑂3 + 𝑁 𝑃2𝑂5)

2𝑁 𝑆𝑖𝑂2

• N = número de mol de cada óxido indicado;

• B = basicidade.

B 1 Escória básica

B 1 Escória ácida

B = 1 Escória neutra

04/07/2017

11



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.

04/07/2017

12




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 + 𝑅𝑇 𝑅𝑂 + 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).

04/07/2017

13




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).

04/07/2017

14




(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.




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.

04/07/2017

15



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)




Exemplos de redutores metalúrgicos de óxidos:

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

denominada de aluminotermia, notavelmente exotérmica

(autógena). Exemplo:

2 3 𝐶𝑟2𝑂3 𝑠 + 4 3 𝐴𝑙 𝑙1200°𝐶

2 3 𝐴𝑙2𝑂3 + 4 3 𝐶𝑟 𝑠

∆𝐺1473 ≈ −70 𝑘𝑐𝑎𝑙

∆𝐻1473 ≈ −130 𝑘𝑐𝑎𝑙

04/07/2017

16



Adaptada 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 considerarmos o alumínio como eventual agente redutor,

ter-se-á:

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

04/07/2017

17



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

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

∆G1473 = + 120 – 190 = - 70 kcal/4/3 mol Al.

• Multiplicando 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:

2 3 𝑊𝑂3 𝑠 + 2𝐻2 𝑔1000°𝐶

2𝐻2𝑂 𝑔 + 2 3 𝑊 𝑠

∆𝐺1273 ≈ −6 𝑘𝑐𝑎𝑙

04/07/2017

18



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 considerarmos o hidrogênio como agente redutor, ter-se-

á:

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

04/07/2017

19



• Somando as duas reações e já 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 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.

04/07/2017

20





- 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).





- Redução do óxido de ferro a 900 °C:

2𝐹𝑒𝑂 𝑠 + 2𝐶 𝑠900°𝐶

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

- Redução do óxido de chumbo a 900 °C:

2𝑃𝑏𝑂 𝑠 + 2𝐶 𝑠900°𝐶

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

- Redução do óxido de zinco a 1200 °C:

2𝑍𝑛𝑂 𝑠 + 2𝐶 𝑠1200°𝐶

2𝐶𝑂 + 2𝑍𝑛 ∆𝐺1473≈ −15 𝑘𝑐𝑎𝑙

∆𝐻1473 ≈ +160 𝑘𝑐𝑎𝑙

04/07/2017

21




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.

04/07/2017

22




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: Que 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: Que objetiva reduzir o sulfeto (mate

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

oxidação.

04/07/2017

23



Minério à base

de sulfeto

Mate sulfuroso

Escorificação

Conversão

Metal

Escória Fundente

SO2 O2 (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

50 20 10 5 15

04/07/2017

24




• 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 ∆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.

04/07/2017

25




2𝐹𝑒𝑆 𝑙 + 3𝑂2 𝑔1300°𝐶

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

Escória

Ar



04/07/2017

26





04/07/2017

27



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)

04/07/2017

28




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)

∆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)

∆𝐺1273≈ −75 𝑘𝑐𝑎𝑙

∆𝐻1273 ≈ −120 𝑘𝑐𝑎𝑙

04/07/2017

29



PROCESSO DE REFINO A FOGO

São os processos pirometalúrgicos de refino de metais brutos

(como obtidos na extração).

Normalmente, nos processos de extração 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.

04/07/2017

30





• 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 + 𝑂2

1300°𝐶2𝐹𝑒𝑂 ∆𝐺1573 ≈ −75 𝑘𝑐𝑎𝑙

2𝑍𝑛 + 𝑂2

1300°𝐶2𝑍𝑛𝑂 ∆𝐺1573 ≈ −75 𝑘𝑐𝑎𝑙

S + 𝑂2

1300°𝐶𝑆𝑂2 ∆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.

04/07/2017

31


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.

04/07/2017

32




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%.

04/07/2017

33



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

04/07/2017

34


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.

04/07/2017

35



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.

04/07/2017

36



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

Documents

Capítulo V Processos de Extração e Refino - Jorge Teófilo · 04/07/2017 2 04/07/2017 16:27 TECNOLOGIA METALÚRGICA 5.1 Extração - Objetivos A extração de um metal M a partir