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.
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.
São Bernardo do Campo 2007
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.
DEDICATÓRIA
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 86 e com a tecnologia do plasma............................................................................86 Quadro 16 – Comparações termodinâmicas da redução do trióxido de molibdênio por hidrogênio sem a tecnologia do plasma e com a tecnologia do plasma............................................................................86 Quadro 17 – Comparação de consumo de energia elétrica na produção de 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 energia alumínio 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 alumínio processo 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
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