Departamento de Engenharia de Materiais
OBTENÇÃO DE LIGAS FE-ZN VIA REDUÇÃO DE MISTURAS DE
ÓXIDOS COM H2
Aluna: Pâmela Fernandes de Oliveira
Orientador: Eduardo de Albuquerque Brocchi
Co-orientador: Rogério Navarro Correia de Siqueira
Introdução
Ligas dos sistemas Cu – Ni [1] e Co – Ni [2] foram satisfatoriamente produzidas a
partir da redução direta de misturas de óxidos contendo os mencionados elementos e H2
gasoso na faixa de temperatura entre 400 oC e 900 oC. Semelhante iniciativa também poderia
ser pensada para ligas do sistema Fe – Zn. No entanto, na faixa de temperatura considerada,
como o Zn apresenta expressivos valores de pressão de vapor e o sistema reacional é aberto
(H2 é injetado no interior do reator), consideráveis perdas por volatilização podem ser
previstas. A magnitude da perda de Zinco metálico depende da temperatura e da vazão de H2
empregada, bem como da cinética associada ao processo de formação de soluções sólidas
envolvendo átomos de Fe e Zn.
Objetivos
O presente trabalho tem por objetivo um estudo sobre a viabilidade de obtenção de
ligas do sistema Fe - Zn a partir da redução de misturas contendo óxidos dos referidos metais,
obtidas através da co-precipitação via decomposição térmica de soluções aquosas de nitratos.
A etapa de redução envolve a reação das misturas com o H2 gasoso em temperaturas na faixa
entre 700 oC e 1000 oC.
Metodologia
A metodologia experimental pode ser dividida em duas etapas. Na primeira, misturas
de óxidos de Fe e Zn com a composição de interesse são produzidas a partir da decomposição
térmica a 400oC de soluções aquosas geradas a partir da dissolução dos nitratos
Fe(NO3)3.9H2O e Zn(NO3)2.6H2O (Eq. 1). O início da decomposição térmica é evidenciado
pela evolução de NO2 gasoso, de coloração vermelha intensa. Após a remoção de todo o
nitrogênio, tem-se uma mistura na forma de pó contendo os óxidos Fe2O3, Fe3O4 e ZnO.
2Fe(NO 3 )3 .9 H 2O(aq) → Fe 2 O 3 + 7.8 NO 2 (g) + H 2O(g) + 2.4O 2 (g)
2Fe(NO 3 )3 .9 H 2O(aq) → Fe3O 4 + 11.7 NO 2 (g) + 3 H 2 O(g) + 3.85O 2 (g)
1.25Zn(NO 3 ) 2 .6 H 2 O(aq) → ZnO + 3.5 NO 2 (g) + 1.25H 2O(g) + O 2 (g)
(1)
Na segunda etapa, reage-se o pó cerâmico produzido com H2 gasoso, que reduz os
óxidos presentes (Eq. 2).
Fe 2O3 + 3H 2 (g) = 2Fe + 3H 2O(g)
Fe3O 4 + 4H 2 (g) = 3Fe + 4H 2O(g)
ZnO + H 2 (g) = Zn + H 2O(g)
(2)
Os experimentos de redução foram conduzidos em um forno tubular horizontal, ao
qual é possível injetar em seu interior uma mistura de gases contendo N2 e H2 na proporção
desejada. No presente estudo, o N2 foi utilizado somente para manter a atmosfera inerte entre
uma corrida e outra, empregando-se H2 puro para efetuar as reduções. Trabalhou-se com
vazões de H2 em torno de 0.15 l/min, sendo a temperatura fixada em 850oC. A massa do
Departamento de Engenharia de Materiais
conjunto (barquinha + mistura) é monitorada como função do tempo até que um peso
constante seja atingido. A amostra é então resfriada com N2 até pelo menos 80oC, sendo então
removida do forno e analisada via difração de raios x para o conteúdo das fases presentes e
microscopia eletrônica de varredura (MEV) para a morfologia dos cristais obtidos. Os
experimentos de redução foram realizados inicialmente com os óxidos de Fe e Zn puros.
Durante a redução do ZnO puro, acoplou-se um dedo-frio na saída do reator no intuito de
captar parte do Zn perdido por volatilização. Em uma segunda etapa, experimentos foram
realizados com uma mistura dos referidos óxidos em duas condições distintas. Na primeira,
empregou-se o pó diretamente obtido após a etapa de decomposição térmica. Na segunda,
antes da redução propriamente dita, manteve-se a mistura de óxidos em um forno tipo mufla a
1000 oC durante 24 h, estimulando-se, desta forma, a formação de Fe2ZnO4.
Resultados e discussões
Os experimentos de redução do Fe2O3 puro permitiram a obtenção de uma massa final
de metal idêntica à massa teórica calculada com base na estequiometria das reações
representadas pelas Eq. (1) e (2). Já no caso dos experimentos de redução do ZnO puro,
obteve-se ao final do processo uma massa desprezível de metal. Isto pode ser explicado pelo
fato do Zn apresentar uma elevada pressão de vapor na temperatura reacional escolhida.
Como o sistema reacional é aberto, o Zn obtido, uma vez volatilizado, é arrastado na corrente
de gás. Apenas pequena parte do Zinco volatilizado foi recuperada acoplando-se o “dedo-frio”
na saída do reator, resultando, para a vazão de H2 e temperatura especificadas uma
recuperação máxima da ordem de 4%. Através dos experimentos de redução das misturas não
foi possível a produção da liga Fe-Zn (Fig. 1). Isto se deve ao fato de haver a competição
entre dois processos. De um lado a volatilização do zinco metálico produzido, e de outro a
formação da solução sólida com átomos de Fe.
Fig. 1 Difração de raios x obtida a partir da redução de óxidos co-precipitados de Fe e Zn
Conclusões
Nas condições experimentais utilizadas não se obteve sucesso na produção de ligas do
sistema Fe – Zn a partir da redução de óxidos de Fe e Zn co-precipitados. Em uma próxima
etapa, pretende-se estudar alternativas que viabilizem a minimização das perdas de Zn por
volatilização, como, por exemplo, a adição de uma camada de Zn puro sobre a mistura de
óxidos a ser reduzida.
Referências
[1] BROCCHI, E. A. ; MOTTA, M. S. ; JENA, P. K. . Preparation of Cu - Ni Alloys through a New
Chemical Route. Metallurgical and Materials Transactions B, v. 35, n. 6, p. 1107-1112, 2004.
[2] Brocchi, E. A.; Moura, F. J.; de Macedo, D. W. Synthesis and characterisation of nanostructured
Ni - Co alloy part 3: NiO and Co3O4 coformed reduction kinetics.Transactions of the Inst. of Min. and
Metallurgy C, v. 118, n. 1, p. 44-48, 2009.