Introdução Engenharia Metalúrgica
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ENGENHARIA METALRGICA
PROF.: EDUARDO BROCCHI
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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}