FACULDADE SENAI DE TECNOLOGIA AMBIENTAL

Rodolpho Pizysieznig

Substituição do Alumínio por hidrogênio como redutor de óxidos de ferro e molibdênio na produção de

Ferro-Molibdênio, utilizando plasma : Uma Solução Limpa.

SÃO BERNARDO DO CAMPO

2007

Rodolpho Pizysieznig

Substituição do Alumínio por hidrogênio como redutor de óxidos de ferro e molibdênio na produção de

Ferro-Molibdênio, utilizando plasma : Uma Solução Limpa.

São Bernardo do Campo

2007

Monografia apresentada à Faculdade SENAI de Tecnologia Ambiental, dentro do Curso Superior de Tecnologia Ambiental - SBC, como requisito da disciplina de Projetos Ambientais, sob a Orientação do Prof Dr. Alexandre Franco; e Coordenação Geral do Prof. MSc, Fernando Codelo Nascimento.

DEDICATÓRIA

544.55 PIZYSIEZNIG, Rodolpho

P 6958

Substituição de alumínio por hidrogênio como redutor de óxidos de ferro e molibdênio na produção de ferro-molibdênio, utilizando plasma: Uma Solução limpa. Rodolpho Pizysieznig - São Bernardo do Campo, 2005.

116 f.

Monografia apresentada na disciplina de Projetos Ambientais – Faculdade Senai de Tecnologia Ambiental / SBC Orientador: Prof. (Dr.Alexandre Franco. ) Co-Orientador: Prof. (Dr. / MSc / Esp. ) .......... Coordenador: Prof. MSc. Fernando Codelo Nascimento

1 Ferro-molibdênio; 2 Aluminotermia; 3 Plasma; 4 Redução de

óxidos.

QUADRO

Quadro 1 – Resumo dos conceitos de oxi-redução.............................................8

Quadro 2 – Cessão de elétrons.........................................................................10

Quadro 3 – Absorção de elétrons......................................................................10

Quadro 4 – Reatividade dos metais..................................................................14

Quadro 5 – Diagrama de Ellingham..................................................................16

Quadro 6 - Diagrama de Ellingham para o carbono.........................................19

Quadro 7 - Redução de óxidos por hidrogênio no diagrama de Ellingham.....21

Quadro 8- Propriedades físicas do Molibdênio.................................................53

Quadro 9 - Reserva e Produção Mundial de Molibdênio..................................56

Quadro 10 – Produção brasileira de ferro-ligas de 2001 a 2005.....................57

Quadro 11 - Importações Brasileiras de Ferro-molibdênio..............................58

Quadro 12 – Especificação Técnica do ferro-molibdênio.................................58

Quadro 13 – Diagrama de fase do Ferro-Molibdênio........................................59

Quadro 14 – Análise da Escória do Ferro-Molibdênio por RX...........................64

Quadro 15 – Comparações termodinâmicas da redução do óxido de ferro III por hidrogênio sem a tecnologia do plasma 86e com a tecnologia do plasma...........................................................................86

Quadro 16 – Comparações termodinâmicas da redução do trióxido de molibdênio por hidrogênio sem a tecnologia do plasmae com a tecnologia do plasma...........................................................................86

Quadro 17 – Comparação de consumo de energia elétrica na produçãode alguns metais utilizando processo tradicional e à plasma............................91

Quadro 18 - Insumos para a produção de alumínio primário............................96

Quadro 19 - Comparação de custo e consumo de energiaalumínio versus hidrogênio..............................................................................101

FIGURA

Figura 1 Oxidação do Ferro.................................................................................6

Figura 2 Soldagem de trilhos............................................................................24

Figura 3 O pai da aluminotermia o professor Hans Goldschimdt....................26

Figura 4 Reação alumininotérmica pra produção de Ferro-Vanádio.................30

Figura 5 Matéria no estado gasoso e no estado de plasma.............................32

Figura 6 Cinturões de radiação de Van Allen...................................................36

Figura 7 Aurora Boreal sobre o Mar Báltico......................................41

Figura 8 Aurora no hemisfério Norte da Terra.................................................41

Figura 9 Jato de plasma...................................................................................43

Figura 10 Arco de Plasma não transferido......................................................44

Figura 11 Corte de uma tocha de plasma.........................................................44

Figura 12 Esquema arco transferido e arco não transferido.............................45

Figura 13 Materiais de aço inoxidável que utilizam Ferro-molibdênio...............50

Figura 14 Ferramentas que contem molibdênio...............................................51

Figura 15 Ponto de fusão de um material puro.................................................60

Figura 16 Sistema com dois componentes - dois pontos de fusão...................61

Figura 17 Mais de um componente com uma mistura eutética.........................61

Figura 18 Produção de ferro por três rotas diferentes......................................89

Figura 19 - Esquema de uma planta industrial de plasma de redução

com hidrogênio..................................................................................................90

Figura 20 Redução de Trióxido de Tungstênio com hidrogênio

em reator à plasma............................................................................................93

Figura 21 Fluxo de produção de hidrogênio a partir de etanol e água............104

Equação

Equação 1 - Oxidação de um hidrocarboneto....................................................5

Equação 2 - Oxidação Ferro..............................................................................6

Equação 3 - Formação de Cloreto de Sódio.......................................................7

Equação 4 – Reação de um ácido com uma base ..........................................8

Equação 5 – Reação de redução do óxido de Ferro a Ferro Elementar............9

Equação 6 - Metal reagindo com o alumínio....................................................11

Equação 7 - Oxido de Ferro III reage com Alumínio formando Ferro elementar e (Alumina) óxido de Alumínio...............................11

Equação 8 – Energia de Gibbs..........................................................................15

Equação – 9 Formação de dióxido de carbono................................................18

Equação – 10 Formação do Monóxido de carbono...........................................18

Equação – 11 Calcinação de um Sulfeto Metálico ...........................................20

Equação – 12 Formação de água (curva da Energia de Gibbs )......................20

Equação – 13 Redução de óxido de ferro por alumínioprocesso aluminotérmico aplicado em soldagens de trilho de trem..................27

Equação - 14 Redução de trióxido de molibdênio por carbono.........................62

Equação - 15 Redução do trióxido de molibdênio por silício.............................62

Equação 16 – Redução do trióxido de molibdênio por alumínio..................63; 95

Equação 17 – Redução do óxido de ferro III por alumínio..........................63; 95

Equação 18 – Redução do trióxido de molibdênio por hidrogênio...............................................................................................................66; 69; 78; 81; 84; 85; 97

Equação 19 – Redução do óxido de ferro III por hidrogênio..............................................................................................................................67; 70; 77; 83; 89; 97

Equação 20 - Formação da água....................................................................71

Equação 21 – Oxidação de molibdênio............................................................72

Equação 22 – Oxidação do ferro......................................................................73

Equação 23 - Entalpia de dissociação do hidrogênio......................................75

Equação 24 – Entalpia de ionização do hidrogênio..........................................75

Equação 25 - Redução do oxido de ferro III por hidrogênio em plasma...........75

Equação 26 - Fração molar do H2.............................................................................................................76; 77

Equação 27 – Fração molar do H...............................................................76; 77

Equação 28 – Fração molar do H+..........................................................................................................76; 77

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO.................................................................................................01

CAPÍTULO 1 - OXI-REDUÇÃO.........................................................................04

1.1.1 Conceitos de Oxi-Redução....................................................................07

1.1.2 Um segundo conceito ...........................................................................08

1.1.3 Um terceiro conceito..............................................................................09

1.1.4 Um quarto conceito................................................................................10

1.2 Redução de óxidos Metálicos..................................................................13

1.3 Termodinâmica dos processos de Redução..........................................15

CAPÍTULO 2 ALUMINOTERMIA...................................................................23

2.1 Aluminotermia...........................................................................................24

2.2 Hans Goldschmidt.....................................................................................26

2.3 Conceito de Aluminotermia......................................................................27

CAPÍTULO 3 PLASMA....................................................................................31

3.1 Conceito de Plasma..................................................................................32

3.1.2 Segundo Conceito de Plasma...............................................................33

3.1.3 Terceiro Conceito de Plasma................................................................38

3.2 Plasma Metalúrgico...............................................................................42

CAPÍTULO 4 FERRO-MOLBDÊNIO..............................................................47

4.1 Ferro-Ligas..............................................................................................48

4.2 Ferro-Molibdênio....................................................................................50

4.3 Definição de Molibdênio........................................................................52

4.4 Produção/Reservas................................................................................54

4.5 Característica física do ferro-molibdênio.............................................58

4.6 Produção de Ferro-Molibdênio..............................................................62

CAPÍTULO 5 REDUÇÃO DE ÓXIDOS DE FERRO E MOLIBDÊNIO POR HIDROGÊNIO NA PRODUÇÃO DE FERRO-MOLBDÊNIO

5.1 Cálculos termodinâmicos nas reações de redução de óxido por hidrogênio...........................................................................69

5.2 Aplicações industriais de redução de óxidos metálicos por hidrogênio...........................................................................................87

5.3 Produção do hidrogênio.........................................................................98

Resultados, Análise, Discussão e Propostas.............................................106

Conclusão......................................................................................................110

Referenciais Bibliográficos..........................................................................112

Dedicatória

A Deus que me deu o presente da vida e a oportunidade de obter uma infinentésima

parte de conhecimento cientifico afim de colaborar na resolução de problemas técnicos.

A minha amada esposa Yolanda que com muito amor tem-me dado prazer à vida e o

orgulho de ser o seu esposo. Aos meus pais por tudo que me ensinaram e a todo o

esforço dispensado em me tornar uma pessoa honesta, responsável e humilde.

As minha queridas filhas Indira e Fernanda, de quem a persistência e a determinação

ganham força extra bastando apenas nelas pensar.

AGRADECIMENTOS

Agradecimento ao meu orientador o Doutor Alexandre Franco, pela ajuda técnica,

incentivo e sugestões. Ao mestre Fernando Codelo pela motivação dada e pelo

treinamento em como elaborar esse trabalho.

Aproveito para agradecer os profissionais não letivos que também dispensaram tempo

esforço e atenção a esse trabalho de conclusão de curso, engrandecendo-o com suas

orientações. São eles: Os Doutores Alberto Carlos Pereira Filho, Gilberto Petraroni

Filho , Alexei Mikhailovich Essiptchouk e o Dr. Clodomiro Alves Junior todos eles

trabalhando em projetos utilizando tecnologia à plasma.

Aos meus colegas Gilson, Anderson e Alex pelo incentivo e pela sua amizade.

“A falsa ciência gera ateus; a verdadeira ciência leva os

homens a se curvar diante da divindade.”

Voltaire

François-Marie Arouet

(21 de Novembro de 1694, Paris - 30 de Maio de 1778, Paris),

mais conhecido pelo pseudônimo Voltaire

RESUMO

No campo de siderurgia , os aços são compostos de ferro e carbono que incorporam

componentes para melhorar resistência, ductibilidade, dureza, ou para facilitar algum

processo de fabrico, como usinabilidade, é o caso de elementos de liga como o níquel,

o cromo, o molibdênio, o tungstênio, o vanádio e outros. A adição desses componentes

muitas vezes se da pela adição de ferro-ligas. Ferro-ligas como o próprio nome diz são

materiais constituídos de ferro e outro ou outros metais de interesse. O metal de

interesse abordado neste trabalho é o molibdênio, que melhora significativamente a

resistência a corrosão e, em presença do níquel e do cromo, aumenta o limite de

resistência à tração e escoamento.

O ferro-molibdênio, apesar de existirem outras técnicas, é produzido

convencionalmente por um processo denominado aluminotermia. Este processo

consiste em reduzir óxido de ferro e óxido de molibdênio utilizando alumínio como

redutor. Durante a reação, particulados e fumaça são emitidos e calor é liberado. Como

subproduto gera-se uma escória formada de alumina e outros constituintes. A escória

apresenta-se numa condição vitrificada e tem difícil aceitação no mercado.

Objetivou-se com essa monografia propor a produção de ferro-liga, utilizando como

redutor o hidrogênio com a finalidade de gerar como subproduto, ao invés de escória,

vapor d´água. Alem do alumínio e os óxidos de ferro e molibdênio, são adicionados a

mistura aluminotermica agentes escorificantes como o cal e a fluorita (fluoreto de

cálcio). Estes compostos deixariam de serem utilizados com a redução por hidrogênio.

Foi possível avaliar a comparação entre a tecnologia que utiliza o alumínio como

redutor e o hidrogênio, no que tange a custos e consumo de energia.

Pesquisou-se a possibilidade da reação utilizando hidrogênio ocorrer, propondo-se a

utilização de reator à plasma. Uma investigação foi realizada a fim de verificar a

aplicação de tecnologia à plasma na redução de óxidos metálicos utilizando hidrogênio

e outros redutores excluindo o coque metalúrgico.

Palavras chave: 1 Ferro-molibdênio; 2 Aluminotermia; 3 Plasma; 4 Redução de óxidos.

ABSTRACT

In the ironmaking field, the steels are composed of iron and carbon that are incorporate

to improve resistance, ductileness, hardness, or to facilitate some process of

manufacture, as machining. It is the case of alloys as nickel, the chrome, the

molybdenum, the tungsten the vanadium and other. The addition of those components

a lot of times takes place in the iron-alloys form.

Iron-alloys as the own name say are material constituted of iron and other or others

metals of interest. The metal of interest approached in this work is the molybdenum that

improves significantly the corrosion’s resistance and, in presence of both nickel and

chrome increases the limit of traction’s resistance and yield stress.

Spite of other produced techniques, the iron-molybdenum, is conventionally produced by

a aluminothermic process.

This process consists of reducing both, iron oxide and molybdenum oxide using

aluminum as reducer. During the reaction, particulates and smoke are emitted and heat

is liberated. Slag is generated as byproduct consists of alumina and other constituent.

The slag shows in a vitrified form and it has difficult acceptance in the market.

It was aimed at this work to propose the production of iron-alloys, using hydrogen as

reducer so that generating as byproduct, instead slag, steam. Besides aluminum, iron

oxides and molybdenum oxide are added to aluminothermic mixture fluxing agents as

lime and the fluorspar (calcium fluoride). These compositions would be no more used by

hydrogen process.

It was possible to evaluate the comparison among aluminum reducer and the hydrogen

reducer, regards costs and energy consumption.

It was researched the possibility of the hydrogen reduction take place and intend to

propose take place in the plasma reactor. An investigation was accomplished in order

to verify the plasma technology application in the oxides reduction using hydrogen and

other coke free metallurgy reducers.

Words key: 1 iron-molybdenum; 2 aluminothermic process; 3 plasma; 4 reducing oxide