La Metalurgia

Autores:

Cristina Llistó- Verónica Montesinos - Edgar Silva

4º E.S.O. Colegio Nuestra Señora del Carmen - Bétera (Valencia)

Definición

Extracción comercial de los metales a partir de sus minerales y su preparación para usos posteriores.

Pasos

OBTENCIÓN DEL MINERAL POR MINERÍA: El primer paso de la llamada metalurgia extractiva consiste de separar la mena ( formada por la sustancia quimíca que contiene el metal )del resto del mineral, lo que se llama concentración del mineral. Por lo general, todo el mineral debe someterse a una trituración previa en molinos, donde es reducido progresivamente a grano más fino. Los procedimientos de separacion se basan en la diferencia de propiedades físicas entre la mena ( antes explicada ) y la ganga ( formada por rocas con otros elementos ajenos ).

REDUCCIÓN DEL MINERAL AL METAL LIBRE :El método que se emplea para la reducción o purificación de los minerales para obtener metales, depende de la fuerza del enlace del ion metálico con el anión. Cuando el enlace es mas fuerte, se requiere más energía para reducir a los metales y por tanto, el proceso es más costoso. Los metales más activos suelen tener enlaces más fuertes. Los metales menos reactivos se encuentran en estado libre y por tanto, no requieren de reducción. Algunos ejemplos son : Au, Ag y Pt. Por ello, el oro y la plata se han empleado desde la prehistoria. Los metales menos activos, como el Hg, pueden obtenerse directamente de sus minerales sulfurosos por tostación. Así se reducen los iones metálicos a metales libres por oxidación de los iones. La tostación de sulfuros metálicos más activos produce óxidos metálicos, aunque no metales libres, por ejemplo :
2 NiS (s) + 3O₂ (g) ® 2 NiO (s) + 2 SO₂(g)
Los óxidos metálicos resultantes reducen, a continuación, a metales libres con coque o CO. En caso de que sea preciso evitar el uso de C , pueden emplearse otros agentes reductores como H ,Fe o Al: ejemplo:
SnO₂ (s) + 2C(s) ® Sn(l) + 2CO(g)
WO₃ (s) + 3H₂ (g) ® W(s) + 3H₂O(g)
Los metales muy activos, como el Al y el Na, se reducen electroquímicamente, por lo general, a partir de sales fundidas anhidras. En caso de que haya agua presente se reducirá de manera preferencial.

REFINACIÓN O PURIFICACIÓN DE METALES: Los metales que se obtienen de los procesos de reducción casi siempre son impuros ; por ello, es preciso someterlos a otros procesos de purificación ( refinación). Esto puede consistir en la destilación del metal cuando es más volátil que sus impurezas, como ocurre en el caso del mercurio. Entre los metales que se purifican electrolíticamente se encuentran los siguientes: Cu, Ag, Au y Al. El metal impuro es el ánodo y la muestra más pequeña de metal puro es el cátado. Ambos se sumergen en una soloción del ion metalico deseado. La refinación por zona : suele emplearse cuando se desea obtener metales de alta pureza para aplicaciones como celdas solares y semi conductores. Un calentador de inducción se encuentra en torno a una barra de sólido impuro y se desplaza lentamente de uno a otro extremo de la misma. Al desplazarse, funde porciones de la barra que recristalizan cuando el elemento de calentamiento se aleja. La impureza no puede adaptarse al cristal con tanta facilidad como el elemento de interés, por lo que en su mayoría se desplaza a lo largo de la porción fundida hasta llegar al extremo. Los pasos repetidos del elemento de calentamiento permiten obtener una barra de alta pureza. Después de la purificación, algunos metales se emplean en aleaciones o se mezclan con otros elementos para cambiar sus características físicas y químicas. En ciertos casos, se permite que queden impurezas durante el proceso de refinamiento, porque su presencia mejora las propiedades del metal. Por ejemplo, una pequeña cantidad de carbón en el hierro mejora en forma considerable su dureza. Algunos ejemplos de aleaciones incluyen el latón, el bronce, el duraluminio y el acero inoxidable.

FORMACIÓN DE ALEACIONES EN CASO NECESARIO: EL ACERO: El hierro fundido, o arrabio contiene en torno a un 4% de carbono y cantidades variables de otros elementos, como silicio, manganeso,azufre y fosforo. Si se funde de nuevo se obtiene hierro colado, empleado en piezas de moldeado: estufas, radiadores, regillas de alcantarillado, etc. Aunque es muy duro, resulta quebradizo para piezas de maquinaria. A partir del arrabio se obtiene el acero eliminando parte del carbono y otros elementos mediante la oxidación en convertidores, como el de Bessemer, recipiente con capacidad para unas 30 toneladas. Puede bascular como las hormigoneras para facilitar la carga y descarga. El oxidante, oxígeno caliente y a presión, se intruduce por la parte inferior. Durante la oxidación la temperatura debido al calor de reacción. El acero es un hierro cuyo contenido en carbono oscila entre el 0,5 y el 1,7%. Mediante tratamiento térmico, o agregando otros metales, se obtienen aceros especiales que poseen propiedades adecuadas para distintas aplicaciones tecnológicas: ·Si el acero se calienta a elevada temperatura y posteriormente se somete a un enfriamiento rápido, temple del acero, su dureza aumente, pero se hace más quebradizo. · Si se calienta al rojo y luego se enfría lentamente, recocido del acero, pierde dureza y se hace más plástico. · Si se funde con otros metales se obtienen aceros de características especiales, como los siguientes:

Acero al níquel : con un 36% de este metal cuyo coeficiente de dilatación es prácticamente nulo, por lo que se emplea para fabricar aparatos de precisión. Si la proporción de niquel es menor, el acero ofrece gran resistencia a la corrosión y es muy duro.
Acero al cromo : de gran tenacidad y resitencia química . El acero inoxidable contiene un 18% de cromo y un 8% de niquel.
Acero al wolframio: utilizado para máquinas herramientas ( brocas, limas, etc )
Acero al molibdeno : duro incluso a altas temperatuas, es apropiado para fabricar máquinas cortantes rápidas ( aceros rápidos .

Procedimientos metalúrgicos

Constan de dos operaciones:
LA CONCENTRACIÓN: Que consiste en separar el metal o compuesto metálico del material residual que lo acompaña en el mineral. Uno de los métodos de concentración mecánica más sencillos es la separación por gravedad. Este sistema se basa en la diferencia de densidad entre los metales nativos y compuestos métalicos y los demás materiales con los que están mezclados en la roca. Actualmente es el método más importante de concentración mecánica ( es un proceso de gravedad modificado en el que el mineral metálico finamente triturado se mezcla con un líquido )
EL REFINADO: En el que se trata de producir el metal en un estado puro o casi puro, adecuado para su empleo.

Tanto para la concentración como para el refinado se emplean tres tipos de procesos : mecánicos, químicos y electricos. En la mayoría de los casos se usa combinación de los tres. /p>

Siderurgia

DEFINICIÓN: conjunto de procedimientos y técnicas destinadas a la obtención y tratamiento de los metales férricos. + Instrumentos necesarios : - Alto horno: Construcción especialmente dispuesta para efectuar la fusión y reducción de minerales, o menos de hierro con vista a la producción de arrabio; complejo industrial o factoría siderurgica donde funcionan estos hornos. funcionamiento y descripción: Constituido por:

EL TRAGANTE: Boca superior por donde se introducen las cargas: Mineral de fe, combustible ( coque metalurgico de calidad especial ), fundente ( generalmente castina -carbonaro cálcico), que por reacción de la ganga arcillosa del material, forma una escoria fosible.
LA CUBA: Propiamente dicha ; o cuerpo troncónico superior en el que tiene lugar las primeras reacciones de la carga y la reduccion del mineral.
EL VIENTRE: Que costituye la parte de mayor diámetro del alto horno, en la que se prosigue la reducción del mineral del hierro.
EL ETALAGE: O parte del cuerpo troncónico inferior, donde se termina la reducción del mineral y en la que prosiguen las reacciones de la escoria.
LA OBRA: Parte cilíndrica en la que desembocan las toberas que inyectan el aire a presión, precalentando a 400-500ºC. Dicho aire, llamado "aire caliente" es a veces enriquecido con oxigeno, al objeto de aumentar el rendimiento de la operación.
EL CRISOL: Parte baja del aparato, destinada a recibir el arrabio y la escoria, y que reposa sobre un espeso macizo de mampostería; tienen dos orificios en sus paredes para permitir, en el momento oportuno, el paso de la colada del arrabio por el orificio inferior y de la escoria por la superior.

Las paredes del alto horno están constituidas por materiales reflertarios y reforzadas por abrazaderas de acero horizonta- les, enlazadas por perfiles que siguen las generatrices de la cuba, y el conjunto se asienta sobre sólidos cimientos de hormigón.