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Metalurgia


  Biofísica

Desde a primitiva extração e a utilização do cobre, os metais tornaram-se elementos indispensáveis para o progresso das sociedades. A metalurgia é, por isso, uma das atividades a que o homem tem dedicado seus maiores esforços.
Metalurgia é o conjunto de técnicas e processos usados para extração, beneficiamento e processamento industrial dos metais. De maneira geral, distingue-se a metalurgia extrativa, ligada à mineração, da metalurgia de preparação dos metais para formar ligas e produtos diversos. Nas sociedades industrializadas, cresce a importância dos processos de recuperação e reciclagem da sucata, pelos quais se obtém notável economia em relação à extração a partir do mineral.
A disciplina científica que orienta a metalurgia chama-se metalografia, que estuda a composição e a estrutura dos metais, por meio de microscópios, aparelhos de raio X e observação visual direta. A constituição, as propriedades e as alterações das ligas metálicas também são objeto da metalografia, que se ocupa da aplicação dos princípios da física e da química ao estudo dos metais.


Evolução histórica. As atividades metalúrgicas datam de aproximadamente 4000 a.C. Acredita-se que o cobre tenha sido o primeiro metal extraído de minério. Foram encontradas minas de cobre em vários pontos do Oriente Médio. O metal extraído era provavelmente utilizado na fabricação de armas e utensílios.
O bronze passou a ser conhecido provavelmente entre 4000 e 1400 a.C., quando se descobriu que a liga de cobre e estanho era menos quebradiça que o cobre puro. O uso do ferro, supostamente originário também do Oriente Médio, tornou-se comum por volta de 1200 a.C. e se disseminou gradualmente pela Europa e pela Ásia.
O latão, liga de cobre e zinco, surgiu entre 1600 e 600 a.C., mas só ganhou importância comercial quando os romanos passaram a usá-lo na confecção de moedas. Embora os romanos tenham introduzido poucas inovações na metalurgia, contribuíram muito para o progresso das técnicas de mineração e fundição. Encontraram também muitas aplicações novas para os metais. A prata passou a ser extraída com sucesso em 500 a.C. e o chumbo, resíduo do minério de prata, é conhecido desde então. O ouro, extraído desde tempos muito remotos, foi usado em liga com a prata.
Os princípios da metalurgia foram popularizados no século XVI graças a Vannoccio Biringucccio e Georgius Agricola. Seus livros reuniam a maior parte do conhecimento metalúrgico disponível na época.


Metalurgia extrativa. Poucos metais se apresentam na natureza em estado puro. Por isso, na maior parte dos casos, aplicam-se os métodos da metalurgia extrativa. Na seleção da técnica mais adequada de extração é importante considerar não apenas a estrutura química do minério, mas também fatores como a natureza das impurezas presentes no mineral que, em alguns casos, têm valor econômico.
O oxigênio, de elevada eletronegatividade e relativamente abundante, é o elemento químico que mais tende a combinar-se com os metais na natureza. Por isso, o aspecto mais importante na extração dos metais é sua redução, processo que corresponde à reação química contrária à oxidação.
Antes de passar pela etapa de redução, os minérios são britados, moídos (em alguns casos), classificados por peneiramento e concentrados. O processo de concentração consiste em aumentar o teor metálico do minério por eliminação da ganga (resíduos não aproveitáveis). Essa etapa pode ser realizada por gravimetria, flotação, separação eletrostática ou magnética ou outros processos especiais. Ao remover-se a ganga, reduz-se a quantidade de minério a ser manipulada nas etapas seguintes do processo de extração do metal.


Metalurgia de processos. A segunda fase da extração é o processo, ou conjunto de processos, pelo qual o metal é extraído do concentrado obtido na primeira fase, refinado, transformado em liga e preparado para atender às especificações do mercado. Na escolha do método mais adequado para cada caso, consideram-se vários fatores, entre eles a natureza química do concentrado, que em geral é um óxido (no caso do ferro e do alumínio, por exemplo), um sulfeto (caso do cobre, do zinco e do chumbo), um carbonato ou um silicato. Nessa fase, os três processos mais comumente aplicados são: pirometalurgia, que utiliza o calor; eletrometalurgia, que utiliza a eletricidade; e hidrometalurgia, que utiliza a água. O produto pode ainda ser refinado mediante técnicas metalúrgicas adicionais, como a destilação.
Pirometalurgia é o processo extrativo em que as reações se processam a altas temperaturas com auxílio de um agente redutor. O calor é fornecido normalmente por combustíveis, como coque, petróleo e gás, ou por energia elétrica. Na maioria dos casos, o fogo tem não só uma função química, mas também física, pois libera certos componentes do minério. Geralmente aplicada a grandes quantidades de minério e em fornos de alta temperatura, a pirometalurgia opera a redução dos óxidos pelo carbono -- um exemplo típico é o alto-forno para o ferro fundido. Às vezes é precedida de uma ustulação para transformar os sulfetos em óxidos, como ocorre no caso do chumbo, do zinco, do cobre e do níquel.
De acordo com a composição do minério, podem-se utilizar outros redutores em lugar do carbono, como por exemplo o magnésio (ou sódio) para preparação do titânio a partir de seu tetracloreto. A depender do calor necessário para a reação e do ponto de fusão do metal, ele pode ser obtido em estado líquido, como no caso do ferro fundido, ou sólido, como no caso do tungstênio e do molibdênio.
Eletrometalurgia é o processo que utiliza a eletrólise, ou seja, uma corrente elétrica aplicada a uma solução (aquosa ou de sais fundidos) que contém o metal. Esse é o método empregado na extração do alumínio a partir da criolita, bem como do cobre, do zinco e em grande parte do magnésio.
A hidrometalurgia usa a lixiviação, que consiste no tratamento do minério com soluções aquosas para dissolver e reprecipitar os metais. É usada em alguns minérios de cobre, níquel e zinco. De modo geral, as operações hidrometalúrgicas compreendem três fases: dissolução do material em água pura ou com determinados reagentes; separação do resíduo e depuração da solução obtida; e precipitação do metal dessa solução por tratamento químico ou eletrolítico.
Também chamada metalurgia por via úmida, a hidrometalurgia é aplicável quando se pode dissolver uma combinação do metal desejado num solvente apropriado, que pode ser um ácido, uma base, um sal ou um solvente orgânico. Na produção de cobre e zinco, por exemplo, usa-se ácido sulfúrico diluído; na preparação do aluminato de sódio, usa-se soda cáustica, que é uma base. O cianeto de sódio, um sal, é usado para separar tanto o ouro como a prata de seus minérios. Na extração desses metais preciosos também se pode usar outro metal, o mercúrio, num processo denominado amalgamação.
Processo de uso relativamente restrito, a amalgamação só se aplica aos metais que fazem liga com o mercúrio. Consiste em fazer passar partículas finamente trituradas de minério, em mistura com uma solução, sobre placas cobertas com mercúrio -- único metal líquido a temperatura ambiente. O mercúrio combina-se com o metal, formando a liga denominada amálgama, que é, em seguida, aquecida. Após entrar em ebulição, o mercúrio escapa sob a forma gasosa e deixa uma esponja metálica de metal puro.


Tratamentos. Poucos métodos de extração, no entanto, resultam num produto puro. Em geral, o que se obtém é um metal mais ou menos impuro, que precisa ser tratado para chegar à forma adequada a suas finalidades comerciais, industriais ou de pesquisa. Nos tratamentos a frio, o metal endurecido sofre mudanças estruturais ao invés de mudanças químicas. Nos tratamentos a quente, o metal é amolecido pelo calor, num processo que altera sua cristalinidade, de tal forma que ele pode então ser trabalhado.
Uma das alternativas para a conformação dos metais é a fundição, que consiste em verter o metal fundido num molde, onde ele se solidifica e ganha a forma dos objetos desejados. Objetos de ferro, aço e metais não-ferrosos são feitos em moldes. Também se podem submeter os metais ou ligas a tratamentos mecânicos a partir do material sólido. A usinagem consiste em desgastar o bloco metálico por ferramentas de corte, mas os tratamentos mecânicos mais importantes são o forjamento e a laminação, feitos a partir do metal já transformado em lingotes.
Forjamento é um meio de modelagem de blocos metálicos, normalmente feito a quente, mediante golpes de martelo ou, em peças de grande tamanho, por pressão. Nesse caso, usa-se uma prensa que atua por gravidade e cuja elevação depois de cada golpe se produz mediante sistemas mecânicos rotativos. As principais operações de forjamento são o aplanamento, o estiramento e a flexão.
Laminação é um processo que consiste na obtenção de placas (lâminas) de metal mediante a passagem do lingote entre dois cilindros de eixos paralelos que giram em sentidos opostos. A continuidade é condição indispensável dessa operação, que deve, portanto, ser feita numa sucessão de laminadores chamados trens de laminagem. A distância entre os cilindros, ou interstício de laminação, é regulável e diminui progressivamente à medida que se repete a passagem das placas, cada vez de menor espessura.
A metalurgia do pó é um processo criado mais recentemente e permite tratar o metal sem a passagem pelo estado fundido. A forma desejada é obtida nesse caso pela compressão a frio de uma massa de pó que posteriormente é submetida a tratamento térmico para adquirir as características mecânicas desejadas. O pó do metal pode ser produzido mecanicamente ou quimicamente. A metalurgia do pó é especialmente utilizada na elaboração de metais cujos pontos de fusão são elevados, como tungstênio, molibdênio, tântalo e nióbio, e na preparação de ligas nucleares (urânio, tório, berílio, zircônio), semicondutores (telúrio-bismuto), produtos porosos e refratários.
Nos tratamentos térmicos, os metais são submetidos ao calor para produzir ou aprimorar determinadas qualidades, como grau de dureza, ductilidade etc. Os tratamentos superficiais consistem em aplicar uma camada exterior aos metais por imersão a quente, eletrólise ou cimentação, entre outros métodos. A finalidade desse tratamento é proteger a substância básica ou modificar as características da superfície do metal, como ocorre na galvanização.


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