Você provavelmente nunca pensa no metal escondido dentro do motor do seu carro ou no motor a jato voando sobre sua cabeça. No entanto, o processamento de molibdênio é o arquiteto silencioso por trás desses feitos. Tudo começa com um mineral que se parece suspeitamente com grafite ou minério de chumbo. A humanidade levou 2.000 anos para perceber que era algo completamente diferente. Agora, é o ingrediente secreto do aço de alto desempenho.
O metal em si é uma fera. Brilha branco como platina e resiste ao calor até 2.610 °C. O molibdênio puro é resistente. Dobra sem quebrar. Conduz bem o calor. Resiste à corrosão. Quando você adiciona uma pequena quantidade – 1% ou menos – a outros materiais, os resultados são drásticos. O material base fica mais duro. Ele para de se desgastar por abrasão. Sobrevive a altas temperaturas sem derreter ou deformar.
É por isso que o processamento do molibdênio é tão crítico para a engenharia moderna. Os fabricantes precisam de materiais que não falhem quando as coisas ficam quentes ou pesadas. O aço com molibdênio mantém sua forma sob estresse. Oferece dureza uniforme em toda a estrutura. É um agente de adição vital para aços e superligas utilizadas na aviação.
Por que o molibdênio supera o tungstênio
Por que escolher o molibdênio em vez de outros metais? A resposta está no peso atômico. Um átomo de molibdênio se comporta de forma semelhante ao tungstênio. Oferece os mesmos benefícios metalúrgicos. Mas pesa cerca de metade disso. Isso permite que os engenheiros obtenham a mesma resistência com metade do metal. Isso é um enorme ganho de eficiência.
A ciência vai mais fundo. O molibdênio possui anéis de elétrons externos incompletos. Essa instabilidade é um recurso, não um bug. Permite que o metal forme compostos em vários estados: di-, tri-, tetra-, penta- ou hexavalente. Essa versatilidade cria uma ampla gama de produtos químicos. Também confere ao molibdênio fortes propriedades catalíticas. Ajuda a impulsionar reações químicas que não aconteceriam de outra forma.
Uma estrada acidentada da descoberta ao domínio
A história deste metal é uma história de confusão. As culturas antigas usavam-no, mas não sabiam o que era. Eles confundiram com grafite. Confundiram-no com galena, um minério de chumbo. Foi só em 1778 que o químico sueco Carl Wilhelm Scheele acertou. Ele atacou o pó de molibdenita com ácido nítrico. Ele evaporou o resíduo para criar óxido molíbdico.
O primeiro verdadeiro metal surgiu quatro anos depois. Peter Jacob Hjelm aqueceu esse óxido com óleo de linhaça em um cadinho. Ele produziu molibdênio metálico. Químicos como Berzelius e Bucholtz mapearam sua química complexa no século XIX. Mas metal puro? Isso teve que esperar até 1895. Henri Moissan reduziu-o com carbono num forno eléctrico. Ele alcançou 99,98 por cento de pureza. Essa descoberta permitiu o início de pesquisas científicas reais.
A adoção foi lenta. Em 1894, a Schneider SA na França tentou usá-lo para blindagem. Em 1900, engenheiros americanos exibiram aços rápidos à base de molibdênio em Paris. Marie Curie usou-o como ímãs. Mas a utilização em larga escala teve de esperar pela Primeira Guerra Mundial. A escassez de tungsténio forçou os militares a procurar outro lugar. O molibdênio aumentou. Fez armas. Fez armadura.
Após a guerra, o metal entrou na vida civil. A década de 1920 viu sua entrada na fabricação de automóveis. O aço inoxidável tornou-se um grande usuário. Os motores a jato na era pós-Segunda Guerra Mundial exigiam sua resistência ao calor. Seguiram-se mísseis. Hoje, está em superligas, produtos químicos, catalisadores e lubrificantes.
De onde vem o minério
Encontrar o metal é apenas metade da batalha. A única fonte comercialmente viável é a molibdenita. Este mineral é um bissulfeto (MoS2). A maior parte vem de depósitos disseminados por pórfiro. Estes são depósitos maciços e dispersos encontrados nas rochas.
Existem dois tipos. Os depósitos primários contêm entre 0,1 e 0,5 por cento de molibdênio. Eles são extensos. Os pórfiros de cobre são maiores, mas contêm menos molibdênio – entre 0,005 e 0,05 por cento. Nestes casos, o molibdênio é um subproduto da mineração de cobre. Aproximadamente 40% da oferta global vem de minas primárias. Os outros 60% são recuperados junto com o cobre ou o tungstênio.
A geografia é importante aqui. A América do Norte detém 64% dos recursos recuperáveis. Os Estados Unidos respondem por dois terços disso. A América do Sul tem outros 25%. O restante está espalhado pela Rússia, Cazaquistão, China, Irã e Filipinas. Europa, África e Austrália são pobres nestes minérios. China, Estados Unidos, Chile, Peru, México e Canadá são os maiores produtores.
Mineração e Concentração
O processo de extração começa com a escavação. A mineração a céu aberto ou subterrânea traz o minério à superfície. A rocha é triturada e moída em partículas finas. A separação é complicada. Você precisa isolar o molibdênio da rocha circundante, conhecida como ganga. Se for um depósito de cobre-molibdênio, você também precisará separar os dois metais um do outro.
A flutuação faz o trabalho pesado. Os reagentes são adicionados à pasta. Esses produtos químicos alteram as propriedades superficiais dos minerais. O ar borbulha na mistura. O sulfeto de molibdênio se liga às bolhas e flutua até o topo. Os resíduos afundam.
O resultado é um concentrado. Contém 85 a 92 por cento de MoS2. Se for um subproduto do cobre, pode conter um pouco de cobre – menos de 0,5%. Este concentrado está então pronto para a próxima etapa. O refino transforma esse pó à base de rocha no metal puro ou nos compostos que alimentam o nosso mundo. A jornada de uma pedra cinza a uma liga resistente ao calor é longa. Mas o produto final vale o esforço.
Do Sulfeto ao Óxido: O Torrador Nichols-Herreshoff
A jornada do concentrado de molibdenita bruto até o material utilizável exige uma mudança química precisa. Você começa com dissulfeto de molibdênio (MoS2). Para chegar a algum lugar útil, cerca de 97 por cento disso tem que se tornar óxido molíbdico técnico (MoO3), normalmente atingindo um limite de pureza de 85 a 90 por cento. A maior parte da oferta mundial é processada em fornos de fornos múltiplos do tipo Nichols-Herreshoff. Pense nisso como uma pilha vertical de tambores giratórios.
O material entra por cima. Ar quente e gases sopram do fundo. O fluxo é contracorrente. Cada lareira dentro do forno possui quatro braços resfriados a ar. Esses braços giram em um eixo. Lâminas de ralé presas aos braços varrem o material. Alguns o movem para fora. Alguns para dentro. Eventualmente, o material cai através de uma abertura central para a lareira abaixo.
A primeira lareira faz o trabalho pesado. Pré-aquece o concentrado. Os reagentes de flotação inflamam. Isso dá início à transformação. MoS2 se transforma em MoO3. É uma reação exotérmica. O calor aumenta à medida que desce pelas lareiras. Os operadores controlam a intensidade ajustando os níveis de oxigênio. Os sprays de água resfriam a fornalha se as coisas ficarem muito quentes.
A temperatura é inimiga se ficar muito alta. Se o MoO3 atingir 650 °C (1.200 °F), ele sublima. Ele vaporiza diretamente do sólido para o gasoso. Você não quer isso. Você quer que ele permaneça sólido e caia para a próxima camada. O processo termina quando o teor de enxofre nas calcinas cai abaixo de 0,1%. Isso está limpo o suficiente para a próxima etapa.
Refino para Pureza: Sublimação e Precursores Químicos
O óxido molíbdico técnico tem seus usos. Ele é prensado em briquetes. Eles vão direto para fornos de ligas de aço e produtos de fundição. Produz ferromolibdênio. Mas se você precisar de produtos químicos de molibdênio de alta pureza ou molibdênio metálico, o grau técnico não é bom o suficiente. Você precisa de MoO3 quimicamente puro.
É aqui que entra a sublimação. O óxido técnico vai para as retortas elétricas. As temperaturas sobem para 1.200–1.250 °C (2.200–2.300 °F). Os fornos parecem tubos de quartzo. Eles são enrolados com elementos de aquecimento de fio de molibdênio. A oxidação é evitada por uma pasta de tijolo refratário e carvão vegetal. Os tubos inclinam-se em 20 graus. Eles giram lentamente.
Os vapores são varridos pelo ar. Capuzes os coletam. Os sacos de filtro retêm o pó. Você obtém duas frações distintas. A primeira fração sai rapidamente. São os 2–3% iniciais da carga. Ele contém a maioria das impurezas voláteis. A última fração é a coisa boa. MoO3 puro.
Este produto final deve ser 99,95% puro. Por que? Porque se torna o material de partida para o molibdato de amônio (ADM) e o molibdato de sódio. Reaja o MoO3 puro com amônia aquosa ou hidróxido de sódio. Você obtém esses compostos. ADM aparece como cristais brancos. Ele avalia 81–83% de MoO3, o que se traduz em 54–55% de molibdênio. Dissolve-se facilmente em água. É a porta de entrada para a fabricação de catalisadores, outros produtos químicos e pó metálico de molibdênio.
Fazendo o Metal: Redução e Fusão
O molibdênio metálico começa com MoO3 puro ou ADM. A configuração envolve tubos aquecidos eletricamente ou muflas. O gás hidrogênio flui em contracorrente contra a alimentação. O objetivo é a redução.
Geralmente, isso acontece em duas etapas. Primeiro, o MoO3 ou ADM se reduz a um dióxido. Então, esse dióxido se reduz a pó metálico. Algumas fábricas usam dois fornos separados com resfriamento entre eles. Outros usam um forno de duas zonas. Ocasionalmente, um processo de três etapas é melhor. Começa em 400 °C (750 °F). Este arranque baixo evita reações descontroladas e sinterização. Sinterização ocorre quando as partículas se fundem prematuramente. Você quer pó, não grumos.
Em uma configuração típica de dois fornos, os barcos de aço macio suportam de 5 a 7 kg (10 a 15 libras) de óxido. Eles alimentam o primeiro forno a cada 30 minutos. A temperatura permanece entre 600–700 °C (1.100–1.300 °F). O produto quebra. Ele passa para um segundo forno em barcos de níquel. Mesma taxa de alimentação. A temperatura salta para 1.000–1.100 °C (1.800–2.000 °F). Depois disso, o pó é peneirado. A saída mais pura? 99,95 por cento de molibdênio. Isso vem da redução do ADM, não do óxido diretamente.
O derretimento é a próxima dor de cabeça. O molibdênio tem um ponto de fusão extremamente alto. A fundição convencional falha. Você não pode simplesmente despejá-lo em um molde e torcer pelo melhor. A fusão do arco elétrico é a solução alternativa.
Parke e Ham desenvolveram um processo específico. O pó de molibdênio é continuamente pressionado em uma haste. A resistência elétrica o sinteriza parcialmente. A extremidade derrete em um arco elétrico. O carbono é adicionado ao pó. Desoxida o metal fundido. O líquido flui para um molde de cobre resfriado a água. É assim que você consegue um lingote.
O óxido molíbdico técnico é a maneira mais barata de introduzir molibdênio em aço e ferro padrão. Mas quando você precisa de ligas de alta qualidade com mais de 1% de molibdênio, a química muda. A adição de óxido puro introduz oxigênio indesejado no fundido. É aí que entra o ferromolibdênio. É o agente preferido porque adiciona o metal sem a penalidade de oxigênio.
Fazendo a Liga
A maior parte do ferromolibdênio (FeMo) é produzida por meio de um processo metalotérmico em fornos elétricos. Você pode se perguntar por que não usar a redução de carbono. A resposta é simples: a redução de carbono deixa demasiado carbono na liga final, o que prejudica as propriedades do aço. Assim, os fabricantes aderem ao processo térmico.
Aqui está como funciona. O alumínio e o silício reduzem uma mistura de óxido molíbdico técnico e óxido de ferro. A reação acontece em um enorme anel de aço sem fundo, revestido com tijolos. Ele fica sobre um leito de areia em uma caixa de molde. O anel tem cerca de 180 centímetros de largura e 50 centímetros de altura.
Os trabalhadores colocam a carga na panela. Eles nivelam. Em seguida, eles colocam uma capa contra poeira por cima. A ignição começa com um fusível feito de alumínio em pó, magnésio, óxido de ferro e nitrato de potássio. Toda a reação dura entre 2 e 20 minutos. Os vapores são removidos através de um sistema de coleta de poeira para manter o ar limpo.
Depois que o fogo se extingue, o metal e a escória permanecem no molde por 4 a 16 horas. Essa espera depende do tamanho do lote. Uma vez sólido, o bloco é removido e mergulhado em água. A têmpera esfria o metal rapidamente. Também ajuda a separar o metal da escória. O choque térmico cria fraturas finas no metal. Isso facilita a separação posterior.
O bolo FeMo resultante é martelado em pedaços de 20 centímetros. Então ele é esmagado e peneirado. Os tamanhos finais são específicos: 2,5, 1,9 e 1,6 centímetros. Os padrões de qualidade são rigorosos. Você precisa de pelo menos 60% de molibdênio. O carbono deve permanecer entre 2 e 2,5 por cento. Cobre, fósforo, silício e enxofre devem ter 1% ou menos cada. O resto é ferro.
Para onde vai o metal
O ferromolibdênio representa cerca de um terço de todo o consumo de molibdênio. Metal molibdênio puro? Isso é apenas 6% do total. O metal puro tem usos de nicho. Filamentos de lâmpada. Fabricação de vidro. Bicos de foguete. Fornos a vácuo. Não muito mais.
A verdadeira ação está no ferro e no aço.
Construindo Estruturas Mais Fortes
As ligas ferrosas são as maiores usuárias. Os aços para construção e os aços totalmente ligados normalmente contêm entre 0,15 e 0,4 por cento de molibdênio. Esses materiais suportam cargas pesadas. Eles constroem máquinas-ferramentas. Eles formam equipamento militar. Você os encontrará em tubos de refinarias de petróleo. Exercícios de mineração. Carros. Caminhões. Locomotivas. Navios.
Depois, há os aços inoxidáveis e resistentes ao calor. Estes contêm 0,4 a 3 por cento de molibdênio. Eles também têm cromo e níquel. Essa combinação lida com calor e corrosão extremos. Os trocadores de calor os utilizam. A tubulação da turbina depende deles. Geradores de energia e fábricas de produtos químicos precisam deles. Processos de refino de petróleo. Bombas. Hélices de navios. Tanques de armazenamento de ácido. Fabricação de plásticos.
Os aços para ferramentas são outra categoria importante. Eles embalam de 5 a 8,75 por cento de molibdênio. Esse alto conteúdo permite usinagem em alta velocidade. Brocas. Cinzéis. Chaves de fenda. Morre. Essas ferramentas permanecem afiadas sob pressão.
Até mesmo o ferro fundido cinzento se beneficia. A adição de 0,15 a 1,25 por cento de molibdênio melhora as peças fundidas pesadas. Blocos de cilindro. Anéis de pistão. Laminadores. Rolos. Exercícios. Todos ficam mais fortes.
Ambientes extremos
As superligas, às vezes chamadas de nimônicas, respondem por cerca de 3% da demanda por molibdênio. Essas ligas não ferrosas vivem nos ambientes mais severos. Motores a jato. Usinas nucleares. Turbinas a gás. Exploração espacial. Aviação geral. Quando as coisas ficam quentes e rápidas, o molibdênio ajuda a liga a sobreviver.
Usos Químicos
Cerca de 11% do molibdênio vai para produtos químicos. O sulfeto de molibdênio é uma estrela. Um concentrado purificado com 99% de MoS2 cria lubrificantes. Esses lubrificantes funcionam em temperaturas muito altas, onde outros falhariam.
Outros produtos químicos incluem o laranja molibdênio, usado na impressão. Existem inúmeros catalisadores também. Farmacêuticos. Fertilizantes. Retardantes de fogo. Muitos produtos em sua prateleira ou em seu carro têm base de molibdênio.
O metal está em toda parte. Você simplesmente não vê isso. Não até o aço dobrar. Ou o motor falha. Ou a ferramenta se encaixa. Então você se lembra.
