Aula 16 - Metalurgia do Titânio

Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico

Introdução

O Titânio é um elemento metálico muito conhecido por sua excelente resistência à corrosão (quase tão resistente quanto a platina) e por sua grande resistência mecânica.

Possui baixa condutividade térmica e elétrica.

É um metal leve, forte e de fácil fabricação com baixa densidade (40% da densidade do aço).

Quando puro é bem dúctil e fácil de trabalhar.

O ponto de fusão relativamente alto faz com que seja útil como um metal refratário.

2


Introdução

Ele é tão forte quanto o aço, mas 45% mais leve. É 60% mais pesado que o alumínio, porém duas vezes

mais forte. Tais características fazem com que o titânio seja muito

resistente contra os tipos usuais de fadiga. Esse metal forma uma camada passiva de óxido

quando exposto ao ar, mas quando está em um ambiente livre de oxigênio ele é dúctil.

Ele queima quando aquecido e é capaz de queimar imerso em nitrogênio gasoso.

É resistente à dissolução nos ácidos sulfúrico e clorídrico, assim como à maioria dos ácidos orgânicos.

3


Introdução

Experimentos têm mostrado que titânio natural se torna notavelmente radioativo após ser bombardeado por deutério, emitindo principalmente pósitrons e raios gama.

O metal é dimórfico com a forma hexagonal alfa mudando para um cúbico beta muito lentamente por volta dos 800 °C.

Quando incandescente ele se combina com oxigênio, e ao alcançar 550 °C é capaz de combinar com o cloro.

4


Introdução

Quanto à fabricação do titânio metálico, existem atualmente seis tipos de processos disponíveis: • "Kroll", • "Hunter", • redução eletrolítica, • redução gasosa, • redução com plasma e • redução metalotérmica.

Dentre estes, destaca-se o processo Kroll, que é o responsável, até hoje, pela maioria do titânio metálico produzido no mundo ocidental.

5


Abundância

O titânio como metal não é encontrado livre na natureza, porém é o nono em abundância na crosta terrestre e está presente na maioria das rochas ígneas e sedimentos derivados destas rochas.

É encontrado principalmente nos minerais: anatásio (TiO2), brookita (TiO2), ilmenita (FeTiO3), leucoxena, perovskita (CaTiO3), rutilo (TiO2) e titanita (CaTiSiO5); também como titanato em minas de ferro.

Destes minerais, somente o anatásio, a ilmenita, a leucoxena e o rutilo apresentam importância econômica.

6


Abundância

Os dois principais minérios de titânio, a ilmenita [Leucoxênio(ilmenita alterada) - 90% de TiO2] e o rutilo, ocorrem em areias praianas, no Brasil, na Índia, na Austrália e outros lugares, associados à zirconita (ZrSiO4) e à monazita (fosfato de terras raras).

A porcentagem de titânio na crosta terrestre é de 0,6% ou 6000 ppm.

Após separações gravimétricas, magnéticas e eletrostáticas, temos as seguintes composições aproximadas: ilmenita - 50% a 60%; zirconita - 30% a 35%; monazita - 3% a 4% e rutilo - 2% a 3%.

7


Rutilo

8


Obtenção

O titânio metálico é produzido comercialmente a partir da redução do tetracloreto de titânio (TiCl4) com magnésio a 800 °C em atmosfera de argônio.

Em presença do ar reagiria com o nitrogênio e oxigênio.

Este processo, desenvolvido por William Justin Kroll em 1946, é conhecido como "processo Kroll".

Deste modo é obtido um produto poroso conhecido como esponja de titânio que, posteriormente, é purificado para a obtenção do produto comercial.

9


Obtenção

Com o objetivo de atenuar o grande consumo energético do processo Kroll (1,7 vezes maior que o necessário para o alumínio) encontram-se em desenvolvimento procedimentos de eletrólise com sais fundidos, ainda sem aplicação comercial.

Para a obtenção de titânio com pureza maior, em pequenas quantidades (escala de laboratório), pode-se empregar o método de van Arkel-de Boer.

Este método baseia-se na reação do titânio com iodo a uma determinada temperatura para a obtenção do tetraiodeto de titânio (TiI4) que, posteriormente, é decomposto numa determinada temperatura para devolver o metal com pureza maior.

10


Concentração

O teor de TiO2 no rutilo fica em torno de 95% e na ilmenita 54%.

Entretanto podemos aumentar o teor de TiO2 na ilmenita, isto é, podemos enriquecê-la:

• Dissolvendo o óxido de ferro com ácido sulfúrico ou clorídrico;

• Formando, num forno elétrico a arco, uma escória titanífera, separada a menos que o gusa especial obtido.

11


No primeiro caso podemos obter um rutilo sintético e no segundo caso chegamos até 84% de TiO2.

FeO.TiO2 + H2SO4 + 6 H2O FeSO4. 7H2O + TiO2

ilmenita

12


O TiO2 também é atacado e será estudado posteriormente.

13


OBS.: • TiO2 - rutilo. Formas alotrópicas: anatásio e bruquita

(ambos raros)

• O minério de Ti mais comum é a ilmenita: FeO.TiO2

H2[TiO(SO4)2] - forma-se e depois que o licor é liberado do ferro e diluído com água quente, hidroliza-se:

H2[TiO(SO4)2] + (n+1)H2O TiO2. nH2O + H2SO4

ppt que é filtrado e calcinado.

14


Aplicações

Na forma de metal e suas ligas, cerca de 60% do titânio são utilizados nas indústrias aeronáuticas e aeroespaciais, sendo aplicados na fabricação de peças para motores e turbinas, fuselagem de aviões e foguetes.

15


Aplicação

Na engenharia • Indústria química, devido à sua resistência à corrosão e ao

ataque químico;

• Indústria naval: o titânio metálico é empregado em equipamentos submarinos e de dessalinização de água do mar;

• Indústria aeronáutica: é usado na fabricação das pás da turbina dos turbofans, turbojatos e turbo-hélice;

• Indústria nuclear: é empregado na fabricação de recuperadores de calor em usinas de energia nuclear;

• Indústria bélica: o titânio metálico é sempre empregado na fabricação de mísseis e peças de artilharia;

16


Aplicação

Na metalurgia é utilizado para melhorar as características mecânicas dos aços e para servir de refinador de grão para as ligas de alumínio, além disso, é usado em ligas que contém molibdênio e manganês, por exemplo, produtos feitos com estas ligas e com a adição de titânio são comumente utilizadas na indústria aeroespacial em aviões e naves espaciais, na indústria militar em mísseis, na indústrial naval em navios e submarinos.

Isso ocorre devido ao titânio proporcionar elevada resistência a variações de temperatura, temperaturas extremas, alta resistência mecânica e a corrosão.

17


Aplicação

Outra aplicação, que se dá somente com o rutilo, é no revestimento de eletrodos de soldar.

Aproximadamente 95% de todo o titânio é consumido na forma de dióxido de titânio (TiO2), um pigmento permanente intensamente branco.

Tintas feitas com dióxido de titânio são excelentes refletores de radiação infravermelha sendo assim muito utilizadas por astrônomos;

18


Aplicação

Aplicações em produtos para consumo como bicicletas, óculos, instrumentos musicais e computadores estão se tornando bem comuns.

As ligas mais comuns são com alumínio, ferro, manganês, molibdênio e outros metais;

Tetra cloreto de titânio (TiCl4), é utilizado na fabricação de vidros;

Dióxido de titânio também é usado em protetores solares devido à sua capacidade de proteger a pele;

Por ser considerado fisiologicamente inerte, o metal é utilizado em implantes.

19


Aplicação

A importância do titânio para o Brasil pode ser avaliada de diversos pontos de vista: • recursos minerais: embora o titânio não seja um metal

raro e suas principais fontes – ilmenita e rutilo – tenham vasta distribuição geográfica, do anatásio - que é o minério com maior teor do metal – o Brasil tem a maior reserva mundial ;

• indústria aeronáutica: a EMBRAER é a terceira maior do mundo; hoje importa ligas de Ti da Rússia;

• indústria química e petroquímica: grande consumo do metal em válvulas e tubulações;

• área médica: próteses, de quadril e dentárias; parafusos e placas.

20


Processo Kroll

A metalurgia do titânio, desenvolvida nos EUA em 1946 pelo luxemburguês W.J. Kroll, é extremamente complexa e cara.

O processo tomou o nome do seu inventor e inicia com o óxido do metal, cuja transformação direta a metal não pode ser realizada, mas que, uma vez transformado em tetracloreto – que é líquido na temperatura ambiente – é reduzido pelo magnésio.

TfTiO2 = 1825ºC; Tred.carb > 1800ºC, mas formam-se TiC e TiN ambos solúveis no Ti, tornando-o quebradiço, friável. Nesta temperatura o titânio dissolve mais oxigênio e hidrogênio, os quais diminuem sua ductilidade.

21


Processo Kroll

Essa reação, que deve ser muito bem controlada pois gera grandes quantidades de calor, forma a dita esponja de titânio.

O processo continua com a vaporização do subproduto da reação, a quebra dessa esponja, sua prensagem em pequenos cilindros e a formação de uma longa barra composta por uma fileira desses cilindros soldados um ao outro.

22


Cloretação

O processo se inicia com a cloretação do óxido, seguida de uma destilação fracionada para a separação das impurezas.

23


Redução

Após a destilação fracionada, reduzimos o cloreto de titânio em atmosfera inerte:

• Pirofórico: se inflama espontaneamente em contato

com o ar.

A reciclagem do MgCl2 é feita pro eletrólise.

24


OBRIGADO!

Niquelândia, 2011

[email protected]

25

Aula 16 - Metalurgia do Titânio

Documents

Transcript of Aula 16 - Metalurgia do Titânio