ENGENHARIA METALRGICA

PROF.: EDUARDO BROCCHI

1 INTRODUO

A Engenharia de Materiais pode ser dividida em alguns segmentos que, embora possam ser

tratados independentemente, esto interligados.Dentre estes podemos citar alguns tpicos que

so estudados: Extrao/Sntese , Estrutura/ Propriedades, Fabricao/Uso, Proteo e

Reciclagem.

1.1 Definies Bsicas

Matria-Prima ou 1o. Material: Pode ser mineral ou vegetal. No caso da Engenharia de Materiais, a matria prima de maior interesse a mineral. Tem ocorrncia natural nas minas.

Mineral: um conjunto de elementos que se caracteriza por ter propriedades especficas e estrutura bem definida, pois se forma da repetio da clula unitria. Algumas destas

propriedades especficas so densidade prpria, colorao, susceptibilidade magntica e arranjo

cristalino bem definido. Ex.: hematita = mineral do minrio de ferro

Mineral de Interesse: o mineral constituinte do minrio, que tem algum interesse econmico e/ou tecnico. Quando o mineral de interesse separado dos demais constituintes do

minrio, ele passa a ser denominado concentrado.

Minrio: pode ser definido como um agregado de minerais, onde pelo menos um deles tem algum valor econmico, ou seja, uma ocorrncia mineral natural que tem algum valor

comercial. (ROM = Run of Mine = Minrio)

A minerao ou lavra pode ser feita na superfcie ou subterrnea. Isso vai depender do minrio.

Arranjo Cristalino: um arranjo interno dos tomos, que se posicionam em lugares bem definidos de um dos sistemas cristalinos (existem 7). Todos os cristais da mesma substncia so

semelhantes . Entretanto, podem no ter a mesma aparncia externa, pelo fato de que faces

diferentes se encontram durante o processo natural de formao devido a existncia de

diferentes frentes de nucleao e crescimento.

Eng. de Materiais e Metalurgia

Caracterizao Processos (Obteno)

Propriedades / Uso

Extrao / Sntese

Siderurgia

(Ind. do Ferro)

Metlicos

(Metalurgia)

Metais

no-Ferrosos

Cermicos

Polmeros

Compsitos

ENGENHARIA

MATERIAIS E

METALURGIA

Extrao /

Sntese

Estrutura/

Propriedade /

Desempenho

Processos

de

Fabricao (do

prod. acabado)

Processos

Fsicos

Processos

Qumicos

Caracterizao

Ensaios

Processamento

Usinagem

Conformao

Fundio

Metalurgia do p

Convencionais

Termoplsticos

CLASSIFICAO DE MATERIAIS OPERAES

Ten

dn

cia

Ten

dn

cia

Po

ssv

el

Inco

mu

m

Diversas formas

1.2 Classificao dos Materiais

Os Materiais com que a Eng. de Materiais normalmente se envolve so os Metlicos, os

Cermicos, os Polmeros e os Compsitos.

Metlicos Englobam todos os metais tanto ferrosos quanto no ferrosos. O metais ferrosos podem ainda ser divididos entre metais preciosos (ouro, paldio, platina e prata),

metais bsicos (so a maioria: alumnio, cobre, estanho, zinco, etc.), metais estratgicos

(trio, silcio, urnio) e metais refratrios (tungstnio, vandio, tntalo e nibio).

Obs.: Materiais refratrios so materiais que resistem bem ao calor e por isso so muito

usados em revestimento de fornos. Normalmente so cermicos. J os metais refratrios so

metais que possuem alta temperatura de fuso.

Cermicos - Alguns produtos so cermicas em sua origem: tijolo, telhas, azulejo, porcelanas de banheiro e at o

vidro. Cermicos so bons isolantes eltricos e trmicos.

Polmeros - Um polmero uma macromolcula formada pela repetio de pequenas e simples unidades qumicas

(monmeros), ligadas covalentemente.

Compsitos - Compsitos so materiais formados pela combinao de dois ou mais materiais distintos que mantm as suas propriedades individuais e sem que haja interao

qumica intencional entre eles, ou seja, so formados pela mistura de pelo menos dois

materiais de grupos diferentes (metais + polmeros, cermicos + metais, etc). O pneu

um exemplo de compsito, pois formado por fibras metlicas + borracha.

2 CARACTERIZAO E PROCESSAMENTO DA MATRIA-PRIMA

2.1 Iniciativas de caracterizao

Caracterizao do Minrio: Pode ser feita quanto a granulometria, a composio qumica (composio dos

elementos) ou a composio mineralgica (composio dos minerais constituintes).

Matria Prima

Mineral (Minrio)

Caracterizao

Processos

- Anlise Granulomtrica

- Anlise Mineralgica

- Anlise Qumica

- Grau de Liberao

Caracterizao

Tecnolgica

Polietileno de Alta Densidade

(polmero)

Obs.: Caracterizao Tecnolgica: quando a caracterizao importante para

disponibilizar o uso tecnolgico de um mineral, ou seja, caracterizar o material com foco

na tecnologia.

Mtodos de Caracterizao:

1. Caracterizao Mineralgica: Descreve quais minerais esto presentes no minrio (pode ser quantitativa ou qualitativa).

2. Anlise Qumica Elementar: Fornece a composio dos elementos presentes, isto , a porcentagem de cada elemento.

Obs.: A anlise elementar pode identificar outros elementos alm daqueles que

constituem,teoricamente, os minerais presentes no minrio. . Isto ocorre porque os

minerais presentam substituies nas suas redes cristalinas . Por exemplo: a anlise

elementar da cassiterita (SnO2) pode indicar a presena de Nb e Ta. Este fato indica

que tais elementos ocupam posies na rede cristalina da cassiterita e,

eventualmente,devero ser retirados caso deseja-se a obteno do estanho.

3. Anlise Granulomtrica: Fornece a distribuio percentual,em peso, dos tamanhos dos gros que constituem o material.. Essa caracterizao essencial

para os processos fsicos voltados para a extrao e sntese. Ou seja, a anlise

granulomtrica permite identificar o tamanho e a distribuio dos gros e junto

com a composio mineralgica permite se obter o chamado grau de liberao.

A anlise granulomtrica feita atravs de peneiras de diferentes aberturas e que

so padronizadas internacionalmente. Cada peneira tem um nmero de aberturas

por polegada linear denominado mesh. Logo, quanto maior o mesh, maior o

no. de aberturas e, conseqentemente, mais fino dever ser o gro 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 Anlise Granulomtrica:

Supondo um minrio onde 10% meu mineral de interesse. A anlise de 10g deste

minrio poderia dar como resultado:

2 mesh (# 2)

6 mesh (# 6)

12 mesh (# 12)

Frao %

Peso

% do Mineral de

Interesse em cada

Frao

% P x % M % L

(% do MI liberada

na frao)

% P x %M x %L

+28 10 10 1 g 70% 0,70

28 x 65 20 12 2,4 g 80% 1,92

65 x 100 30 8 2,4 g 90% 2,16

100 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 distribuio homogenia cada frao teria a mesma quantidade,

logo, nesse exemplo (5 fraes) seria 20% cada. Porm, a distribuio pssvel quando se

seleciona uma srie de peneiras adequada uma distribuio normal.

A distribuio do mineral de interesse tambm no homognea pelas fraes,

assim, no haver 10% do mineral de interesse em cada frao, e sim uma distribuio

aleatria relacionada s caractersticas e propriedades do mineral de interesse dentro

daquele minrio.

4. Grau de Liberao: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 interesse

razovel se esperar que para um processo de separao do mineral de interesse ser

bem sucedido, o grau de liberao deva ser maior do que 80 %.

Assim, no exemplo acima, a amostra representativa do minrio tem 100gramas das quais

10gramas mineral de interesse e desta quantidade, 8,88 encontra-se liberado,ento:

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

O grau de liberao pode ser obtido para o minrio bruto (como sai da mina) e, neste

caso, deve ser relativamente pequeno ou, como normalmente efetivado, aps uma srie

de procedimentos de fragmentao,peneiramento,moagem e classificao,processos estes

10 g 8,88 g

+28 28x65 65x100 100x250

%

que sero descritos posteriormente. Observe que a determinao do grau de

liberao,assim como a anlise granulomtrica, so procedimentos laboratoriais que

servem para direcionar operaes industriais.

2.2 Iniciativas de processos extrativos

A Extrao / Sntese engloba os processos fsicos e qumicos, pelo qual o minrio

passa at a obteno do produto desejado. Geralmente se associa o termo extrao para

metais e sntese para compostos.

Como os metais, em geral, no so encontrados puros na natureza e sim nos

minerais, normalmente precisa-se executar primeiro um processo fsico ( obteno do

mineral de interesse a partir da sua separao dos demais) para posteriormente ser levado a

feito um qumico. Quando o minrio muito rico no mineral de interesse pode-se pensar no

processo qumico diretamente. Um exemplo a reduo do minrio de ferro.

Ex: Para obter ferro, basta colocar a hematita ( Fe2O3- mineral de ferro) em contato com

algum composto ou elemento vido por oxignio (ex: CO,C,H2, ...) em condies que

favoream a reao. Assim,

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

Todavia, na maioria dos casos, o minrio deve ser tratado fisicamente em etapas que

antecedem aos processos qumicos .

A Figura a seguir ilustra este comentrio.

Processos Fsicos (Tratamento de Minrios)

O minrio, normalmente, precisa ser submetido a processos fsicos de diferentes

formas (fragmentao,moagem,separao,etc) Todavia,.em alguns casos tais processos

podem estar apenas voltados para uma aglomerao das fraes mais finas do minrio ou

para uma separao em fraes granulomtricas bem definidas da matria-prima (caso das

britas). Nestes casos, o processo fsico pode ser entendido como sendo uma etapa de

MINA Minrio Mineral

(concentrado)

Produto

Intermedirio

Metal ou

Composto

Produto

Refinado

Processos Fsicos

Processos Qumicos

Processamento

preliminar

(Piro)

Processos de

produo

(Piro)

Processos de

refino

(Piro)

Sntese

Reciclagem Sucata

Uso

Proteo

Aplicaes Produto Desempenho

Estrutura

Propriedade Processamento

adequao granulomtrica. Tal situao ocorre no processamento de minrio de ferro de

alto teor e de alguns minerais industriais.

Os Minerais Industriais podem ser usados diretamente ou podem passar por algum

ajuste granulomtrico para serem utilizados. Da mesma forma, alguns minrios de ferro

no precisam ser concentrados pois j so constitudos praticamente de um s mineral (o

de interesse). Estes podem ser sub-divididos em 2 grupos, os granulados (j encontrados no

tamanho ideal para entrar na etapa qumica : alto-forno) e os finos ( que precisam ser

aglomerados). Mas a maioria dos minrios (inclusive alguns de ferro) precisam passar pela

preparao ( liberao do mineral de interesse) e por processos de separao do mineral de

interesse (concentrao).

Tratar o minrio nada mais do que process-lo. Esse processamento tem como objetivo

preparar a matria-prima para os processos qumicos. Esses processos podem ser

apresentados da seguinte forma:

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

- Adequao granulomtrica: pode ser para preparar o mineral para aglomerar ou para

liberao do mineral de interesse,

- Liberao do mineral de interesse (voltada para a concentrao): envolve a adequao

granulomtrica, pois para liberar preciso fragmentar/moer. Quando a liberao ocorre em

partculas grosseiras, a seletividade do processo de concentrao tende a ser maior, pois as

mquinas que fazem a separao apresentam melhor seletividade. Ou seja, embora a

liberao seja aumentada com a diminuio do tamanho das partculas ( quanto menor a

granulometria, maior o grau de liberao), a seletividade da concentrao diminui. Assim

preciso levar em considerao os dois aspectos, quando da definio do par: grau de

liberao / processo de separao( concentrao).

Ento, uma forma de se apreciar quantitativamenta o preparo da matria-prima(minrio)

que ser usada na concentrao, atravs da determinao do Grau de Liberao do

Produto.

MATRIA

PRIMA

MINERAL

MINA

Minerao

Minerais Industriais

Alguns Minrios de Fe

Outros Minrios

PREPARO DA M.P.

(Tornar mais fino)

PARA AGLOMERAO

PARA CONCENTRAO

Os mtodos usados no preparo da matria-prima so fsicos:

a) Britagem: uma fragmentao grosseira realizada em Britadores de diferentes modelos.

b) Moagem: uma fragmentao mais fina efetivada em moinhos,tambm de diferentes

formatos.

c) Equipamentos de Separao: So peneiras e classificadores (ex. ciclones). O primeiro faz

uma separao de partculas mais grosseira enquanto o segundo trata de partculas mais

finas.

2) Aglomerao: Visa aumentar o tamanho dos gros. Pode ser feita por:

- Briquetagem: consiste na compactao das partculas do material a elevadas presses

formando briquetes.

- Sinterizao: o processo de aglomerao nesse caso baseado na fuso incipiente da

partculas, ou seja, ocorrer uma espcie de solda entre as partculas.

- Pelotizao: uma espcie de colagem entre partculas. Aos finos so adicionados gua

e aglutinante que se misturam em um disco pelotizador. A inclinao e a velocidade de

rotao do disco definiro o tamanho das pelotas formadas. Aps a formao das pelotas

faz-se um tratamento trmico para aumentar a resistncia ao desgaste fsico das mesmas.

OBS:

A aglomerao til nos casos em que a matria-prima muito fina para ser submetida a

processos qumicos, onde o gs reagente admitido no forno reacional pela parte inferior.

Nesta situao as partculas da matria-prima seriam arrastadas antes da reao ocorrer

(transporte pneumtico).

H casos em que as partculas de matria-prima so muito finas para serem alimentadas nos

fornos, mas no so finas o suficiente para serem aglomeradas, nesses casos necessrio

fazer uma adequao granulomtrica, tornando as partculas ainda mais finas para, ento,

aglomer-las. A pelotizao requer este procedimento prvio.

3) Concentrao: Aps liberar, satisfatoriamente, o mineral de interesse necessrio

separ-lo do resto do minrio, ou seja, concentr-lo. Por sua vez,a apreciao quantitativa

do processo de concentrao o balano de massa.

BRITAGEM PENEIRAS

CLASSIFICADORES MOAGEM

Processos de Concentrao ( Tcnicas possveis)

A rota de concentrao escolhida depende, dentre outras coisas, da caracterizao da

matria-prima. Por exemplo, para minrios constitudos por minerais com diferentes

densidades pode-se usar mtodos gravimtricos.

1) Mtodos Gravimtricos: Separam os minerais em funo da densidade.Se para se atingir um grau de liberao satisfatrio for necessria a gerao de muitas fraes

finas, deve-se selecionar o processo que fornea melhor seletividade.

Elutriao: usado para materiais cuja liberao ocorre em fraes grosseiras (at 28#)

Jigagem: usado para materiais cuja liberao ocorre em fraes intermedirias (at 65-100 mesh).

Mesagem: usado para materiais cuja liberao ocorre em fraes finas (at 200#). Os processos s sero bem sucedidos se a diferena de densidade

entre os minerais for apropriada para cada processo/granulometria.

2) Magntico: Tambm perde seletividade para fraes muito finas. necessrio que o mineral possua alguma suscetibilidade magntica.

3) Flotao: Permite separao de minrios levados a uma granulometria mais fina (325#) que os mtodos anteriores. Este mtodo se baseia em uma propriedade dos

materiais denominada molhabilidade ( capacidade de se molhar).

Este processo utilizado para separar partculas de minerais diferentes de uma fase lquida.

A separao obtida pela introduo de pequenas bolhas de ar na fase lquida, que aderem

ao material particulado com baixa molhabilidade, arrastando-o para a superfcie 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 ir se aderir s bolhas de ar e subir, por

isso a flotao menos recomendada para para minerais pesados.

Obs.: A flotao permite que se mude artificialmente as propriedades superficiais do

mineral atravs de agentes modificadores.

4) Floculao Seletiva: Usada para separar minerais muito finos. Funciona atravs da

adio de um agente aglutinante que faz com que as partculas de um mesmo mineral se

aderem seletivamente ao se chocarem umas nas outras, formando flculos que precipitam .

Balano de Massa

Definies:

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

Recuperao: o quanto se recupera, em peso, de uma quantidade disponvel .Pode ser

calculada em relao a uma massa total alimentada ou apenas em relao ao peso do

mineral de interese disponvel. Pode ser aplicado em relao a uma etapa do processo,

sendo assim uma recuperao local, ou em relao ao processo inteiro, sendo ento uma

recuperao total.

Para que um processo seja vivel, necessria a obteno de um concentrado com um alto

teor de mineral de interesse acompanhado de uma boa recupera do mesmoTodavia,

sabe-se que ,normalmente, quanto maior o teor do concentrado, menor a recuperao do

mineral de interesse.

O balano de massa usado para se avaliar quantitativamente os processos de

concentrao.

Esquema:

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

granulomtrica

Clculos:

A peneira foi alimentada com uma massa {A}. Aps o peneiramento, houve uma

distribuio homognea de 50% entre os dois processos de concentrao.

Seja,

{A}: Alimentao da peneira

{TA}: Teor de mineral de interesse em A

{B}: Quantidade aps peneiramento (massa de minrio que vai para concentrao)

{BI} e {BII}:Alimentao 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

Minrio Rico

(No precisa de conc.)

Preparo da

Matria-Prima

Libera o M.I. adequadamente para a concentrao

Aglomerao

PROCESSO

(I) PROCESSO

(II)

PROCESSO

(III)

Rejeito I Concentrado

I Rejeito II Concentrado

II

Rejeito III Concentrado

III

Faixa Granulom. Onde este

processo tem seletividade

PENEIRAMENTO

1

Granulometria > 1

Equaes bsicas:

1) Balano de massa total:

(Entra) = (sai) : {B} = {CI}+ {RI}+ {CII}+ {RII}

2) Balano de massa do mineral de interesse:

{B} x {tB} = {CI} x {tCI} + {RI} x {tRI} + {CII} x {tCII} + {RII} x {tRII}

3) Recuperao geral = ({CI} x {tCI} + {CII} x {tCII}) / ({B} x {tB})

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

5) Recuperao local:

{BI}= {CI} + {RI}

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

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

6) Distribuio (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

PENEIRAMENTO

1

Rejeito I

{B}

{TB}

{BI } = B/2

{TB}

{BII } = B/2

{TB}

{CII}

{TCII}

{CI}

{TCI}

{RI} {TRI}