Introdução. Tecnologia Metalúrgica. Capítulo I. Universidade Federal do Pará Instituto de Tecnologia

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28/03/2018 08:07

Tecnologia Metalúrgica

Prof. Dr. Jorge Teófilo de Barros Lopes

Universidade Federal do Pará

Instituto de Tecnologia

Campus de Belém Curso de Engenharia Mecânica

TECNOLOGIA METALÚRGICA

Capítulo I

Universidade Federal do Pará

Instituto de Tecnologia

Introdução

Campus de Belém Curso de Engenharia Mecânica

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28/03/2018 08:07 TECNOLOGIA METALÚRGICA

1.1 Histórico

➢ Idade da Pedra – o homem depende do uso de ferramentas feitas de pedra para a sobrevivência -milhares de anos.

➢ Armamentos feitos de ossos de animais, madeiras, pedras lascadas de quartzo ou sílex configuravam os principais avanços para auxiliar os homens na época.

1.1 Histórico

➢ Uma dos principais descobertas do homem nesse período: manipulação do fogo para cozinhar os alimentos, espantar animais de grande porte e iluminar locais escuros.

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1.1 Histórico

➢ Idade dos Metais - período que caracteriza o fim da Idade da Pedra - marcado pelo início da fabricação de ferramentas e armas de metal – inicia antes do 5º milênio a.C.

➢ O ser humano começava a dominar, ainda que de maneira rudimentar, a técnica da fundição.

1.1 Histórico

➢ Primeiros metais usados utilizados como matéria prima: cobre, estanho, bronze, ouro e prata, dentre outros - metais cuja fusão é mais fácil e, talvez, porque às vezes aparecem em forma de pepitas de metal nativo.

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1.1 Histórico

➢ 400 anos antes da Era Cristã - os egípcios recuperavam ouro a partir de depósitos aluvionares, usando processos gravíticos.

➢ O ouro sempre acompanhou a civilização e era usado, inicialmente, como adorno e decoração, mas foi o rei Croesus de Lídia (região da atual Turquia), em 541 a.C., quem primeiro cunhou moedas de ouro.

1.1 Histórico

➢ A partir do século XVIII - descoberta da máquina a vapor (início da Revolução Industrial) - ocorreram inovações significantes na área de tratamento de minérios.

➢ Metade do século XIX (1864) - o emprego do tratamento de minérios se limitava praticamente àqueles do ouro, cobre nativo e chumbo.

➢ Grande desenvolvimento na área de beneficiamento de minérios - final do século XIX e início do século XX, com a utilização industrial da flotação (Austrália, 1905), a inovação mais importante.

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1.1 Histórico

➢ Avanços significativos do ponto de vista tecnológico (LUZ et al.) - ocorreram em função do desenvolvimento de design de equipamentos maiores e mais produtivos e eficientes (1940-1970), à otimização de processos através de automação e computação (1970-1990), e à racionalização do uso de energia nos anos de 1970.

➢ Atividades de mineração e metalurgia – são, reconhecidamente, de elevado impacto ambiental – necessidade de fiscalização.

1.1 Histórico

➢ Mineração - o enorme tamanho de algumas operações, a quantidade de carga movimentada e os rejeitos gerados têm representado um risco a diversas regiões e populações, eventualmente afetadas por acidentes e mecanismos ineficientes de deposição e monitoramento.

➢ Casos mais recentes: rompimento das barragens de dejetos provenientes da mineração exploradas pela empresa Samarco (Mariana/MG); vazamento de resíduos nas localidades próximas à mineradora Hydro Alunorte (Barcarena/PA).

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1.1 Histórico

Carros e destroços de casas em meio a lama, após o rompimento de barragem de rejeitos da mineradora Samarco no Distrito de Bento Rodrigues, Minas Gerais.

1.1 Histórico

Além de comprovado o vazamento, foi constatado também que a mineradora fazia uso de uma tubulação clandestina, onde despejava material tóxico em um braço de rio de Barcarena.

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1.1 Histórico

➢ Depois de importantes ciclos de alta e investimentos, os setores enfrentam atualmente um dos períodos mais difíceis dos últimos vinte anos, com queda abrupta de preços e redução das margens de rentabilidade de suas operações.

➢ As novas tecnologias estão sendo adotadas para otimização, controle e automação de operações e viabilização de novos empreendimentos de Mineração e Metais, lavra e transformação mineral

1.2 Escassez de Metais

➢ Os minerais possíveis de serem utilizados pela indústria se encontram distribuídos de maneira escassa na crosta terrestre, formando depósitos nem sempre exploráveis economicamente.

➢ Jazimento ou jazida mineral: depósitos de minerais com concentrações e quantidades que permitam um aproveitamento econômico.

➢ Depósito mineral: minerais depositados em concentrações e quantidades que não apresentam interesse econômico.

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1.2 Escassez de Metais

➢ Conceito de aspecto circunstancial - dependendo da conjuntura político-econômica, a exploração de um depósito mineral pode se tornar viável → jazida mineral.

➢ Preço de mercado de um metal - condicionado a um grande número de variáveis: frequência da ocorrência na crosta terrestre, complexidade na lavra e beneficiamento, distância do mercado consumidor, dentre outras.

1.2 Escassez de Metais

➢ Existe uma crescente influência de minerais sobre toda e qualquer atividade de desenvolvimento de um país -com o aumento das populações, cada dia se necessita de maior quantidade de matéria-prima para atender a crescentes necessidades do ser humano.

➢ Baseados nestes fatos é fácil concluir que brevemente o ser humano enfrentará uma série crise de matérias-primas, alimentação, água, energia dentre outros.

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1.3 Relevância Tecnológica dos Metais

➢ Os metais ocupam uma posição mandatória no desenvolvimento industrial e tecnológico da era moderna.

➢ Constituem-se no pilar essencial de importantíssimos segmentos produtivos: indústrias de veículos, máquinas de bens de capital, indústria naval entre outras.

➢ Significativos desenvolvimentos nos campos dos polímeros e cerâmicos não substituem os metais e suas ligas numa amplíssima gama de aplicações, particularmente como materiais de construção mecânica e estrutural, devido a sua excelente combinação de propriedades mecânicas, elétricas e térmicas.

1.3 Relevância Tecnológica dos Metais

➢ Propriedades como resistência mecânica, resiliência, condutibilidades elétrica e térmica, ferromagnetismo, elasticidade e, principalmente, plasticidade, fazem com que esses materiais apresentem uma alta relação desempenho/custo.

➢ Por exemplo: o aço representa em torno de 80% da produção mundial de metais, pois possui alta versatilidade em termos de ligas metálicas, grande aplicações tecnológicas.

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1.4 Crosta Terrestre

➢ Com exceção dos metais nativos, como o ouro, a prata e o cobre, dentre outros, todos os outros metais são obtidos pela “quebra” de compostos, geralmente óxidos e sulfetos encontrados em minérios.

➢ Tais minérios, constituem-se em recursos naturais não renováveis, e são quase que totalmente extraídos da crosta terrestre, isto é, da sua quarta parte continental, já que o restante encontra-se submerso pelos oceanos. ➢ Crosta terrestre: ocupa apenas 0,3% da massa do planeta,

é a sua única parte sólida e se caracteriza pela relativa pobreza como fonte de suprimento metálico.

1.4 Crosta Terrestre

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1.4 Crosta Terrestre

➢ Quase a metade da crosta terrestre é formada por oxigênio, ao passo que cerca de uma quarta parte é formada por silício.

➢ Em decorrência deste fato, aproximadamente 3/4 da crosta terrestre são formados por diferentes combinações químicas destes elementos, tais como sílica e silicatos, tornando-a rica de matérias-primas vítreas e cerâmicas. ➢ Dois metais incidem significativamente na crosta

terrestre: o alumínio com 8% e o ferro com 5%.

➢ 99% da crosta terrestre são constituídos por apenas nove elementos, pela ordem: oxigênio, silício, alumínio, ferro, cálcio, sódio, potássio, magnésio e titânio.

1.4 Crosta Terrestre

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1.5 Exaustão metálica

➢ A retirada secular de metais da crosta terrestre, em função da necessidade de viabilizar o desenvolvimento tecnológico e industrial, começaram a atingir níveis predatórios a partir da revolução industrial.

➢ Com o aumento em larga escala do consumo mundial de metais, a escassez desses materiais começa a atingir níveis preocupantes.

1.5 Exaustão metálica

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1.5 Exaustão metálica

Consumo global de cobre – Tendência (Informações e Análises da Economia Mineral Brasileira – 7ª Edição).

1.5 Exaustão metálica

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1.5 Exaustão metálica

Evolução da produção de aço no mundo, entre 1950 a 2010 (Instituto Aço Brasil, ABM, maio, 2011.

1.5 Exaustão metálica

➢ O setor mineral mundial movimenta bilhões de dólares anualmente. No Brasil, a balança comercial do setor mineral obteve um saldo médio entre 2012 e 2014 superior a 23 bilhões de dólares (Tabela).

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1.5 Exaustão metálica

➢ No início do século passado, uma reserva com 3% de cobre incidente era considerada antieconômica, ao passo que hoje já se começa a explorar reservas com apenas 0,5%, utilizando-se sofisticados processos biológicos, através da lavagem de rochas com bactérias fixadoras do metal.

1.6 Prazos de Exaustão

➢ Um dos sintomas da escassez de metais são os seus altos custos.

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1.6 Prazos de Exaustão

➢ Valor atual do grama do ouro ≈ R$ 136,00.

➢ Em função dos atuais níveis de economicidade e da tecnologia conhecida, estima-se que as reservas de metais apresentam prazos de exaustão na faixa de 200 a 600 anos, tais como os mostrados abaixo:

Prazos a partir de 1980 (em anos)

10 a 20 20 a 50 50 a 200 200 a 400 400 a 600 Estanho Prata Mercúrio Ouro Cobre Zinco chumbo Platina Tungstênio Molibdênio Vanádio Antimônio Cromo Níquel Cobalto Alumínio Ferro Manganês Titânio Nióbio Prazos estimados para a exaustão das reservas de alguns metais (DNPM, 2006).

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1.7 Fontes Alternativas

➢ Avanços tecnológicos na técnica de exploração de matérias primas metálicas.

➢ Fontes não convencionais (oceanos e os 3/4 da crosta terrestre por eles submerso.

➢ Nas águas oceânicas, com 6% de material sólido dissolvido, apenas um metal incide significativamente, que é o magnésio com cerca de 1.300 ppm, ficando os demais com apenas 1 ppb.

➢ Existe uma relação significativa de material dissolvido nas águas oceânicas, devido ao seu grande volume.

1.7 Fontes Alternativas

Estimativas das quantidades totais de metais dissolvidas nas águas oceânicas e contidas na crosta terrestre (DNPM, 2006).

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1.7 Fontes Alternativas

➢ Na crosta submersa, isto é, nos solos oceânicos, a ocorrência metálica é mais promissora do que a massa líquida.

➢ Jazem grandes colônias de nódulos sólidos com riqueza metálica extraordinária, com composição média de 25% Mn, 2% Ni, 1% Cu e 0,3% Co.

➢ Estima-se em torno de 15.000 ton/km² a disponibilidade de tais nódulos.

➢ Estes depósitos continuam relativamente inacessíveis, faltando tecnologia para a sua extração.

➢ Além das colônias de nódulos, resta ainda a mineração propriamente dita dos solos oceânicos, locais ainda não prospectados.

1.8 Implicações no Mercado Internacional

➢ Agravamento da crise energética e política entre nações, possibilitando a invasão de países com reservas de minérios estratégicos.

➢ Grandes prejuízos a países industrializados que têm seus parques industriais, total ou parcialmente, dependentes da importação de matéria-prima metálica provenientes de países não industrializados ou semi-industrializados. Exemplo: Japão quase que 100% de todos os minérios; USA 50 a 100%, Nb, Mn, Co, Cr, Al, Sn, Ni, Zn, Sb, W; Alemanha, França, Inglaterra e Suíça se encontram em situação semelhante.

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1.8 Implicações no Mercado Internacional

➢ Força econômica de países industrializados perturbando o mercado internacional. Exemplo: estoques excessivos de metais.

Excessos de estoques de metais nos Estados Unidos em meados de 1974.

1.9 Dilatação dos Prazos de Escassez

➢ Duas medidas de longo prazo para alteração dos prazos de escassez de metais.

➢ Substituição paulatina de metais superutilizados por outros subutilizados, em função de sua ocorrência relativa na crosta terrestre.

➢ Reciclagem racional de metais, em função de suas baixas taxas atuais de recuperação e de suas elevadas taxas atuais de consumo. Exemplo: reciclagem de alumínio no Brasil.

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Consumo mundial de alguns metais em função de sua ocorrência na crosta terrestre

1.9 Dilatação dos Prazos de Escassez

1.10 Situação no Brasil

➢ Situação cômoda se bem gerenciada.

➢ O Brasil detém importantíssimas reservas de metais mais consumidos – ferro e alumínio – e de metais mais promissores em termos de futuro tecnológico – nióbio e titânio.

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1.11 Referências Bibliográficas

➢ Grosh. A.; Ray, H.S. Principles of extractive metallurgy. Elsevier, 1991.

➢ Da Luz, Adão Benvindo et al. Tratamento de minérios. Rio de Janeiro, CETEM/CNPq, 1995.