528
ANALISE FATORIAL APLICADA A CLORAÇAO DE CONCENTRADO DE PIRX:IDRJ
DANTON HELENO GAMEIR0 1
EDUARDO DE ｾ＠
BIPXlil 2
FRANCISCO JOS! MOURA'
RESUMO
Experimentos de cloração foram realizados com o concentrado de
pirocloro de Araxá tendo ·em vista um estudo, por análise fatorial, do efeito da temperatura e da percentagem de agente redu
tor, sobre a velocidade inicial de gaseificação do pentóxidoáe
nióbio contido, assim como sobre a percentagem de conversãodes
te óxido.
Os resultados indtcaram que estas variáveis são influentes para ambas respostas analisadas. Entretanto, o efeito combinado
das mesmas somente é significativo para o caso da velocidade i
nicial de reação.
1
Eng9 Metalúrgico, M.Sc. - Professor do Departamento de Metalurgia da UFOP/MG
2
Eng9 Metalúrgico, M.Sc;, Ph.D. -Professor Assistente do Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC/RJ
• Eng9 Meta4úrgico, M.Sc. - Professor Auxiliar do Departamento
de Ciência doa Materiais e Metalurgia da PUC/RJ
529
1.
In.t.:rod.u.oao
o
desenvolvimento
continuo
responsável
por
uma
crescente
tecnolóaico
preocupac&o
utilizaçllo e extracllo
de
certos
metai:s,
tântalo
que
silo
utilizado!!,
e
tit4n1o,
fabricação de :supercondutore:s,
tem
com
tais
sido
relacllo
nióbio,
como
por
A
exemplo
na
componente!! eletrônico:s e ligas
especiais.
No &mbito da metalurgia extrativa
desenvolvimento de novos proce:s:so:s,
e adequaçllo,
para diferentes
tem
:sido
e:studado
o
a:ssim como o aprimoramento
matéria!!
primas,
de
proce:s:so:s
exi:stentes.
Diante de:ste contexto e da realidade econômica bra:sileira
torna-:se
oportuna
a
busca
de
conhecimentos
bá:sicos
dos
processos que possam operar com in:sumos nacionais.
No caso especifico do nióbio,
sido
apresentada
caracteri:sticas,
como
viável
sabe-se que a cloracllo tem
alternativa
uma
para
com
tratamento
o
estas
quimico
de
concentrados de piroclorol-8.
Neste particular,
efeito
de
variáveis
o objetivo deste trabalho é estudar
relevantes
percentagem de aaente redutor),
convers&o
do
pent6xido
pirocloro
de
Araxá
de
Ｈｾｎ｢｡ｏｉ＠
do
variáveis e tres nivei:s.
(temperatura e
sobre a velocidade inicial
nióbio
de
contido no concentrado de
aaseificado/min)
percentaaem de conversllo deste óxido.
método de análise fatorial,
processo
o
e
sobre
a
Para tal, foi aplicado o
sem replicatas, utilizando-se duas
I
530
2.
ConeideracOee
aeraie
O método de clorao&o pode ser
aplicado
na
abertura
de
minéri.os, produzindo cloretos voláteis dos metais de interesse,
que após purificao&o e condensac!o,
podem ser tanto utilizados
nos processos metalotérmicos de reduc&o como na preparaclo
dos
óxidos destes metais.
O
efeito
da ac!o direta do cloro sobre os constituintes
da matéria prima pode ser avaliado termodinamicamente,
da
percentagem
de
convers!o
máxima,
através
calculada a partir dos
valores da constante de equilibrio da reac&o em quest!o.
Como ilustrac&o,
que
a
1000 K
possui
consideremos a reac&o
uma
constante
de
quimica
abaixo,
equilibrio iaual
a
1,066xl0-18 .
NbzOs(s) + 5Clz(g) ... 2NbCl5(&) + 5/202(g)
Neste caso, foi calculado que,
atmosfera,
para preas&o total de uma
a percentagem de convers&o máxima de Nba01 em NbCl1
é de 0,022% .
Sabe-se, entretanto,
satisfatórios
exemplo
potencial
o
através
carbono
de
que a converslo pode atingir nivela
da utilizac!o de um agente redutor (por
sólido),
que
oxigenio do sistema,
propicia
uma
reduc&o
do
viabilizando desta forma o
processo de clorac&o redutora.
ConsideracOes termodin&micas gerais
sobre
o
método
de
clorao&o, podem ser encontradas na literaturat-la.
No que tange a cinética do processo, sabe-se que o estudo
dos
sistemas
heterogéneos (gás-sólido I-sólido II) é bem mais
531
complexo que aquele para sistemas homoaeneos,
necessário
mas
nao
também
os
uma
vez
que
6
somente analisar a cin6tica da reaçlo quimica,
fenômenos
transformaçOes
de
transporte
estruturais,
de
massa
quais
os
as
e
podem
influir
significativamente na velocidade alobal do processo.
Para tais
sistemas, modelos que consideram os efeitos de reaçlo quimica e
de transferencia de massa tem sido propostos para identificar a
etapa
controladora
do
processo,
assim
como para equacionar
matematicamente o proaresso da reaçlol,la •
3.
Metodologia
experimental
Os ensaios de cloraçlo
visando o
temperatura
fatorial,
e
da
foram
concentrado
puro,
14.
de
estudo
do
percentaaem de aaente redutor,
realizados
pirocloro
de
utililizando-se
Araxá
que eram compactadas na forma de
efeito
da
por análise
amostras
do
(62% de NbzOs) e arafite
briquetes
cilindricos
sem a presença de aalomerante.
como
As
informaçOes referentes As amostras utilizadas,
as
condiçOes
experimentais
estabelecidas,
assim
podem
ser
oriae•
aos
observadas na Tabela 1.
o
resultados
procedimento
apresentados
descrito na referencia 5.
experimental
ｮ･ｳｾ＠
que
trabalho
deram
é
o
mesmo
daquele
I
I
I
I
i·
I
532
Tabela 1 - Dados gerais
600, 700 e 800
Temperaturas ("C)
ｾ＠
de carbono inicial
10
ＨｾｃｩＩ＠
20
30
r----"""T"""-------+---+---+------4
2,142
Peso (g)
2,042
Altura (mm)
10,0
Di&metro (mm)
10,0
1,941
Amostras
Porosidade
30,0
ＨｾＩ＠
2,25
Massas especificas (g/cm8). Carbono
4,08
Pirocloro ·
Press!o parcial (atm) ·
1,0
Cloro
Vaz!o (1/min)
4.
0,146
doe
ｄｩ･｣ｾＸｯ＠
Os
resultados
estabelecidas
(%Ci),
de
ｲ･ｾｬｴ｡､ｯ＠
experimentais
obtidos
nas
temperatura e percentagem de carbono inicial
est!o apresentados nas Figuras 1 a 3
curvas cinéticas (%Nbz0s
A
partir
velocidade inicial
NbzOs
gaseificado
condi cOes
Ｈｾｎ｢ｺｏｳ＠
a
forma
de
valores
de
percentagens
de
tempo).
ｧ｡ｳ･ｩｦ｣､ｯｾ＠
destas,
sob
foram
levantados
gaseif/min)
decorridos
e
as
os
30 minutos de reac!o,
os quais
est!o apresentados na Tabela 2.
Tendo
em mente analisar a influencia da temperatura e da
percentagem de carbono inicial,
destas
variáveis,
os
assim como o efeito
resultados
obtidos
(Tabela
combinado
2)
foram
tratados por análise fatoriall5-ll,
As Tabelas 3 e 4 apresentam
deste tratamento.
os
resultados
provenientes
533
Tabela 2 - Resultados obtidos a partir das curvas cinéticas
% carbono
inicial
temp.
10
20
30
(•C)
%Nb20s gaseif
ｾｎ｢ＲＰｳ＠
gaseif
para 30 min.
600
0,42
12,46
700
1,58
42,59
800
2,44
57,01
600
0 , 68
18,54
700
1,71
44,96
800
3,42
61,37
600
1,91
38,79
700
3,23
61,18
800
4,96
78,74
Tabela 3a - Análise Fatorial para velocidade inicial de reação
(%Nb20s gaseif/min).
Variável
Nivel das variáveis
máximo médio mínimo
temperatura 800
700
600
% Ci
30
20
10
trat. soma
efeito
F
(homog)
result.
4,87
0,84
L
2,54
7,9893
4,88
A
3,82
2,01
4,6084
B
9,92
0,52
2,5806
AB
(95,0%SIG)Fcrit=8,7440
Tabela 3b - Análise Fatorial para velocidade inicial de reação
(%Nb20s gaseif/min)(continuação).
Interação envolvente (9)
T
(stud.)
signif.
24,4532
s
19,3407
s
4,9678
s
2,7776=Tcrit
coefcs
-4,84000
0,00750
-0,08000
0,00026
valores
cálc .
obs . (médios)
0,4200
0,4200
2,4400
2,4400
1,9100
1,9100
4,9600
4,9600
trat.
L
A
B
AB
. ,i
Ｍｾ ﾷ＠
534
Tabela 4a - Análise Fatorial para
minutos de reaç8o.
Variável
Nível das variáveis
%Nbz0s
gaseificado
em
30
trat. soma
efeito
F
result.
(homog)
24,92
93,50
L
42,25
5,6931
A
114' 02
77,58
24,03
2,2625
B
-2,30
AB
157,48
1,3366
(95,0%S!G)Fcrtt=8,7440
-
máximo médio mínimo
temperatura 800
700
600
% Ci
30
20
10
· abela 4b -Análise Fatorial para %Nbz0s gaseificado
minutos de reação (continuação).
em 30
rnteração envolvente (9)
T
( stud. )
coefcs
signif.
22,6714
s
12,8945
s
1,2342
NS
2,7776=Tcrit
valores
cálc.
obs.(médios)
13,6100
12,4600
55,8600
57,0100
37,6400
38,7900
79,8900
78,7400
-125,1550
o' 2113
1,2015
0,0000
Observa-se nestas tabelas que para uma
95%,
todos
os
resultados
trat.
L
A
B
AB
signific&ncia
de
estão dentro de uma confiabilidade
estatistítica (Ftrat < Fcritico).
A partir do desenvolvimento
da
ｦｾｴｯｲｩ｡ｬ＠
análise
(duas
variáveis e três níveis), obteve-se para o estudo da velocidade
inicial de reação,
que o efeito da temperatura, da percentagem
de carbono inicial e da combinação destas
Para
o
são
significativos.
estudo da percentagem de NbzOs gaseificado observou-se
que os efeitos significativos
são
aqueles
associados
com
a
temperatura e percentagem de carbono inicial.
Estes fatos permitiram, a partir dos coeficientes obtidos
para
os
tratamentos
significativos,
expressam a velocidade inicial de reação
NbzOs
gaseificado
.>,>resentadas a seguir
fossem
que
e
estabelecidas,
as
a
equações
que
percentagem
de
as
quais
estão
535
o
VNb205
= -4,8400 + 0,0075.T - 0,0800.%Ci + 0,00026.T.%Ci
taeeif
= -125,1550 + 0,2113.(T) +
%Nb20s gaseif
Estas
equações
possibilitando
as
foram
suas
ＱＬｾｶＵＮＨＥｃｩＩ＠
processadas
em
representações
microcomputador,
gráficas,
que
estão
ilustradas nas Figuras 4 e 5.
Na Figura 4, pode-se observar que a velocidade inicial de
reação
aumenta
percentagem
o
incremento
da
variáveis
este
que
Ao
ou
influência do efeito causado pela interação das duas
fato
inicial.
temperatura
nota-se a
estudo,
carbono
da
mesmo tempo,
em
de
com
pode ser observado através do não
paralelismo das arestas do plano gerado.
Na Figura
gaseificado
em
5,
observa-se
30
minutos
aumento da temperatura e da
de
que
a
percentagem
reação,
de
Nb20s
também é sensível ao
percentagem
de
carbono
inicial.
Neste caso, entretanto, o efeito combinado das duas variáveis é
desprezível,
ou
seja,
o
aumento
da
percentagem
gaseificado assume um comportamento que independe da
entre
a
temperatura
e
a percentagem de carbono,
de
Nb20s
interacão
dentro dos
níveis ensaiados.
5.
ｃｯｾ｣ｬｳ￵･＠
1) O método de análise fatorial foi aplicado com
vez
que,
para
uma significância de 95%,
uma
todos os resultados
obtidos encontram-se dentro de uma confiabilidade
Desta
sucesso,
estatística.
forma foram obtidas expressões matemáticas que expressam
a velocidade inicial de reação e a % de Nb20s gaseificado em 30
minutos
de
reaç&o.
536
2) Dentro dos níveis estudados,
e
a
a velocidade inicial de reação
percentagem de NbzOs gaseificado em 30 minutos de reação,
aumentam com o incremento da temperatura e
da
percentagem
de
carbono.
3)
O
efeito combinado das variáveis temperatura e percentagem
de carbono é significativo somente para a velocidade inicial de
reação.
4) No que diz respeito a % de Nb20s gaseificado em
de
reação,
observou-se
que
o
efeito
30
minutos
obtido ao se elevar a
temperatura para as amostras contendo, por exemplo 10% de Ci, é
proporcional àquele para amostras com 30% de Ci.
5)
Os
valores
gaseificado
máximos
foram
de
velocidade
alcançados
para
inicial
temperatura
e % de NbzOs
de
aoo·c
e
percentagem de carbono igual a 30%.
ｒ･ｾｲ￪］｣ｩ｡ｳ＠
6.
｢ｩｬｯｧｲ￢ｾ｣｡ｳ＠
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539
100
ｾＭ＠
o - soo•c
o _ 1oo•c
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80
70
80
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40
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Fiaura 1 - Curva cin6tica Ｈｾｎ｢ｺｏｳ＠
saseif . versus tempo) ｰ｡ｲ
as amostras ensaiadas com ｬｏｾｃｩＮ＠
ｾ＠
5 40
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Figura 2 - Curva cinética (%Nb20s gaseif. yersus tempo) para
as amostras ensaiadas com 20%Ci.
541 .
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-r---- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - --,
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6 -700-c
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Fiaura 3 - Curva cin6tica (%Nb205 gaseif.
as amostras ensaiadas com 30XC1.
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para
542
Yeloc.
iniciil
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ｾ＠
3.000
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700.000
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ｾ＠
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)30.000
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hMP1 (K)
Figura 4 - Efeito da temperatura e da percentagem de carbono
inicial (%Ci) sobre a velocidade inicial de reaoao
(%Nbz0s gaseif/min).
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1
100.000
,
XCi
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O.OOOE+OOO
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I
(X)
Figura 5 - Efeito da temperatura e da percentagem de carbono
inicial (%Ci) sobre a %Nb20s gaseificado em 30
minutos de reac&o.