Nióbio: Bem Mineral, Bem Nacional - I

 Fonte: niobiodobrasil.blogspot.com.br

Nióbio

Rui Fernandes P. Júnior

Especialista em Recursos Minerais

 

1. INTRODUÇÃO

1.1 CONCEITO DO BEM MINERAL

O nióbio foi descoberto no começo do século XIX pelo britânico Charles Hatchett. Apesar de alguns adotarem a terminologia colúmbio, a União Internacional de Química recomenda o uso do nome nióbio, em homenagem a deusa Niobe, filha de tântalo (nome de outro elemento químico na tabela periódica), segundo a mitologia grega. É uma das substâncias de mais baixa concentração na crosta terrestre, na proporção de 24 partes por milhão.

O nióbio (Nb) é o elemento de número 41 na tabela periódica dos elementos químicos, classificado como metal de transição. Sua densidade é de 8,57 g/cm³ e seu grau de dureza na escala de Mohs é de seis, numa escala de um a dez (classificação do diamante, já que este consegue cortar qualquer mineral).

Outras caracterizações químicas do nióbio: em condições normais de temperatura e de pressão (CNTP, ou seja, a 0 ºC e pressão atmosférica ao nível do mar), encontra-se no estado sólido da matéria, seu ponto de fusão ou derretimento é de 2468ºC e seu ponto de ebulição ou de evaporação é de 4744ºC.

1.2 CARACTERIZAÇÃO E OCORRÊNCIAS

O nióbio possui forte afinidade geoquímica com o tântalo, ou seja, eles são estreitamente associados e encontrados juntos na maioria das rochas e dos minerais em que ocorrem.

Na natureza há mais de 90 espécies minerais de nióbio e tântalo conhecidas, das quais podemos destacar com suas respectivas composições químicas:
a columbita-tantalita (Fe, Mn) (Nb, Ta2) O6, com teor máximo de 76% de Nb2O5; o pirocloro (Na3, Ca)2 (Nb, Ti) (O, F)7, com teor máximo de 71% de Nb2O5; o bariopirocloro (Ba, Sr)2 (Nb, Ti)2 (O, OH)7, com teor máximo de 67% de Nb2O5; a loparita (Ce, Na, Ca)2 (Ti, Nb)2O6, com teor máximo de 20% de Nb2O5 e a pandaíta (Ba, Sr)2 (Nb, Ti,Ta)2 (O, OH, F)7.

A columbita-tantalita e o pirocloro, que para efeitos de simplificação utiliza-se a terminologia química (Nb2O5) são as principais fontes de nióbio no Brasil e no mundo.

A columbita-tantalita normalmente encontra-se associada aos pegmatitos, ou seja, são termos finais do magma granítico que não entram na rocha cristalizada primeiramente. Além disso, trata-se de rocha plutônica, resfriada lentamente abaixo da superfície terrestre (os magmas vulcânicos, como os basaltos, extravasam e resfriam rapidamente) e dando origem a cristais que podem atingir metros de comprimento, podendo superar os 20 mm.

Nos pegmatitos encontram-se uma gama de minerais como: quartzo, feldspato, mica, terras raras, gemas (água marinha e topázio, por exemplo) além dos minerais: estanho (cassiterita), tungstênio (wolframita), além da columbita-tantalita.

O pirocloro encontra-se em carbonatitos associados às intrusões alcalinas do cretáceo superior, da era mesozóica. Os carbonatitos costumam conter um ou mais dos seguintes mineriais: nióbio, níquel, cobre, titânio, vermiculita, apatita (fosfato), terras raras, barita, fluorita, além dos minerais nucleares tório e urânio.

Existe certa divergência entre os especialistas no assunto sobre a origem dos carbonatitos, mas a versão mais aceita é de que são relacionados às rochas alcalinas, incluindo kimberlitos (associados à ocorrência de diamantes) e que são originados de material derivado de grande profundidade, possivelmente do manto.

Até o final dos anos 1950, o nióbio era obtido como subproduto do tratamento das columbitas e tantalitas, minerais pouco abundantes, implicando elevado preço e uso restrito a um tipo de aço inoxidável e a algumas superligas.

Com as descobertas de significativas reservas de pirocloro no Brasil e no Canadá e com sua viabilização técnica, houve uma transformação radical nos aspectos de preços e disponibilidade.

Atualmente, as três maiores reservas exploradas de nióbio no mundo estão localizadas no Brasil (Araxá, no Estado de Minas Gerais; Catalão e Ouvidor, no Estado de Goiás) e no Canadá (Saint Honoré, na província francófona do Quebec) são de origem carbonatítica.

1.3 USOS E SUBSTITUIÇÕES

O nióbio possui muitas utilidades e aplicações em diversos ramos econômicos: da siderurgia a setores intensivos em tecnologia. A aplicação mais comum do nióbio, ao contrário dos demais metais refratários, encontra uso principalmente na siderurgia e ocasionalmente no segmento não metalúrgico.

Os produtos de aço recebem a classificação de planos e não planos. Os primeiros são constituídos por chapas grossas e finas laminadas a quente e a frio e os aços não planos estão os trilhos, barra de reforço para concreto, fio máquina, dentre outras aplicações.

Existe um tipo de aço denominado (ARBL), aço de alta resistência e de baixa liga, que permite, por exemplo, a construção de estruturas de menor peso e custo reduzido. Para aumentar a resistência mecânica do aço, basta elevar o teor de carbono, contudo algumas propriedades do aço como soldabilidade, tenacidade e conformabilidade são prejudicadas neste caso.

A indústria siderúrgica tem pesquisado uma alternativa que aumentasse a resistência mecânica do aço sem alterar as outras propriedades desejáveis. O nióbio, o titânio e o vanádio são alguns dos elementos utilizados na fabricação dos aços microligados, pois possuem uma alta afinidade com o carbono. No caso do nióbio as adições típicas são na faixa de 0,04%, ou seja, para cada tonelada de aço, são acrescentadas 400 gramas de nióbio.

A vantagem do nióbio em relação ao vanádio e ao titânio é que ele possui maior resistência; mas ao utilizá-lo em conjunto com os outros elementos, pode possibilitar ganhos de sinergia à liga, como a adição de nióbio e titânio, por exemplo, na liga de alta resistência, confere uma qualidade melhor do produto. Este aço especial pode ser utilizado na construção de oleodutos e gasodutos e plataformas para exploração de petróleo em águas profundas, construção naval.

Na indústria automobilística, o aço microligado pode ser utilizado em tiras laminadas a quente, conferindo alta resistência mecânica, utilizados em chassis de caminhões e rodas de veículos, enquanto as tiras laminadas a frio são utilizadas na fabricação de automóveis.

Os aços microligados podem ser utilizados para fabricação de barras para concreto armado (vergalhões); utilizadas em construções civis;
na área nuclear (fabricação de reatores nucleares) e em locais de alta atividade sísmica (terremotos); na fabricação de trilhos ferroviários, utilizados principalmente em curvas e desvios, onde o desgaste do aço é mais intenso.

O nióbio é utilizado também na fabricação de aços inoxidáveis tanto a base de carbono como a base de ferro, o aço ferrítico, responsável por 10% do consumo mundial de nióbio. A principal utilidade deste aço está na produção de escapamentos automotivos.

O aço inoxidável com nióbio garante melhor desempenho nas condições de trabalho em temperatura elevada, garantindo maior durabilidade à peça. O aço ferramenta é constituído, basicamente, por carbonetos de alta dureza, como cromo, tungstênio, molibidênio, vanádio e cobalto.

No desenvolvimento do aço ferramenta de alto desempenho, o nióbio aparece como elemento formador de carbonetos (NbC). Muito utilizado para cilindros de laminadores e eletrodos para endurecimento superficial.

O uso do nióbio em ferros fundidos é mais recente, utilizado, por exemplo, em anéis de segmento e camisas de cilindros nos motores automotivos; na indústria de mineração do cimento, os corpos moedores e as máquinas de jateamento são compostos por ferro fundido a base de nióbio e também é utilizado em discos de freios de caminhões.

Em todos estes casos, o nióbio é adicionado, dando origem a carbonetos adequados para uso em situações severas de desgaste e abrasão.

Dentre os materiais projetados para funcionar por longos períodos em atmosferas oxidantes e corrossivas, submetidas a temperaturas acima de 650º C, estão às superligas, que demandam o segundo maior consumo de nióbio depois da indústria do aço. Existem diversos tipos de superligas que utilizam nióbio, mas o destaque é liga INCONEL 718, com teor de 53% de níquel (Ni); 18,6% de Cromo (Cr); 18,5% de Ferro (Fe) e 5,3% de Nióbio (Nb).

A liga 718 é utilizada principalmente nos motores a jato e motores militares, como exemplo, a General Electric (GE) produz o motor CFM56, o motor a jato mais usado atualmente, contém aproximadamente 300 kilos de nióbio de alta pureza. Ela pode ser utilizada também em outras peças de motores como parafusos e eixos de rotor; na indústria nuclear; na indústria criogênica (referente ao uso de tecnologias para produção de temperaturas muito baixas, abaixo de -150º C, estado em que o elemento nitrogênio se encontra na forma líquida) e na indústria petroquímica. Outras superligas que utilizam nióbio são: INCONEL 706 (3% de Nb), INCONEL 625 (3,5% de Nb), a René 62 e Udimet 630.

O nióbio metálico é um dos metais que mais resistem à corrosão, principalmente em meios ácidos e metais alcalino fundidos.

Também é utilizado em componentes de lâmpadas de alta intensidade para iluminação pública, associado ao metal tungstênio (W), pois requer alta resistência mecânica, associadas à resistência corrosão pelo sódio (Na).

Outra propriedade fundamental do nióbio é a supercondutividade, que é desaparecimento total da resistividade elétrica em temperaturas críticas próximas ao zero absoluto. Em estado puro, o nióbio encontra aplicação em aceleradores de partículas subatômicas.

O Grande Colisor de Hádrons (LHC sigla em inglês), o maior acelerador de partículas do mundo, é um mega projeto envolvendo cientistas de diversos países, incluindo o Brasil.

Localizado na fronteira entre a Suíça e a França, é um anel de 27 Kilômetros de circunferência, enterrado a 100 metros de profundidade e resfriado a 271,3 graus abaixo de zero.

Visa detectar a existência de partículas elementares da matéria, inferidas pela física teórica, porém jamais observadas como o bóson de Higgs, o que poderia confirmar a existência da matéria escura e, conseqüentemente, confirmar as teorias atuais sobre a origem do universo. Neste supercondutor, há magnetos compostos pela liga nióbio-titânio.

Outra utilidade do nióbio metálico está na indústria aeroespacial: a liga C-103 é composta de nióbio, háfnio e titânio são utilizados como material refratário por resistir a temperaturas acima de 1300 ºC e aceitar revestimentos contra oxidação, utilizados em propulsores e bocais de foguetes e está sempre presente na saia do motor Pratt & Whitney F100, um gerador de alta potência usado nos caças F15 e F16.

O metal nióbio pode ser utilizado também em ligas de nióbiotitânio, para uso em implantes cirúrgicos; em componentes de nióbiotitânio resistentes à ignição, usados por mineradoras, principalmente na extração de ouro; em lâminas de nióbio puro usadas na produção de diamantes sintéticos; em plataformas marítimas, com cabos anódicos de nióbio platinizados para proteção catódica (contra corrosão) e para alvos de evaporação usados na indústria eletrônica e nas lâminas de barbear.

 
O óxido de nióbio é utilizado na produção de cerâmicas finas como capacitores cerâmicos, lentes óticas, ferramentas, peças de motor e alguns elementos estruturais resistentes ao calor e a abrasão. A fabricação destes materiais requer óxido de nióbio de alta pureza. O óxido de nióbio com 99,9% de pureza é utilizado para a fabricação de peças cerâmicas, lentes óticas, condensadores e atuadores cerâmicos.

A produção de monocristais de niobato de lítio, utilizados em filtros especiais de receptores de TV exige o teor de 99,99% de óxido de nióbio, ou seja, óxido de nióbio de altíssima pureza.

No ramo da catálise, compostos de nióbio têm sido utilizados para diversas reações de interesse industrial. A catálise muda a velocidade das reações químicas, contudo a substância catalisadora não se altera ao final da reação química.