Metalurgia

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Consideraciones Generales

La palabra metalurgia se compone del griego antiguo μέταλλον métallon para un yacimiento minero y del sufijo -ουργός -ourgós (a ἔργον érgon ‘trabajo’) para la persona que lleva a cabo una actividad.Entre las Líneas En consecuencia, un metalúrgico trabaja en yacimientos mineros y con su contenido. La palabra latina metallum es conceptualmente más estrecha, pues sólo significa metal.

En esta plataforma, metalurgia incluye entradas sobre cuestiones tales como metales.

En esta plataforma, además, los conceptos y temas relacionados con metalurgia incluyen los siguientes: Ingenieros de seguridad, Comercio e industria, Ingenieros, Medio ambiente, Recursos naturales, Científicos, Investigación. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). Para más información sobre metalurgia en un contexto más anglosajón, puede verse, en inglés, Metallurgy (metalurgia).

Metalurgia

Metalografía

El siglo XX ha visto cómo la metalurgia ha ido cambiando progresivamente, pasando de ser un arte u oficio a una disciplina científica y luego a formar parte de la disciplina más amplia de la ciencia de los materiales.Entre las Líneas En la metalurgia extractiva, se ha producido la aplicación de la termodinámica química, la cinética y la ingeniería química, lo que ha permitido una mejor comprensión, control y mejora de los procesos existentes y la generación de otros nuevos.Entre las Líneas En la metalurgia física, el estudio de las relaciones entre la macroestructura, la microestructura y la estructura atómica, por un lado, y las propiedades físicas y mecánicas, por otro, se ha ampliado de los metales a otros materiales como la cerámica, los polímeros y los compuestos.

Este mayor conocimiento científico se debe en gran medida a la continua mejora de las técnicas microscópicas de metalografía, el examen de la estructura de los metales. El primer metalógrafo de verdad fue Henry Clifton Sorby, de Sheffield (Inglaterra), que en la década de 1860 aplicó la microscopía óptica a las superficies pulidas de materiales como rocas y meteoritos. Sorby acabó consiguiendo hacer registros fotomicrográficos, y en 1885 el valor de la metalografía se apreciaba en toda Europa, prestando especial atención a la estructura del acero. Por ejemplo, se acabó aceptando, basándose en pruebas micrográficas y confirmada por la introducción de la difracción de rayos X por William Henry y William Lawrence Bragg en 1913, la alotropía del hierro y su relación con el endurecimiento del acero.Entre las Líneas En los años siguientes se produjeron avances en la teoría atómica de los sólidos, lo que condujo al concepto de que, en los materiales no plásticos como el vidrio, la fractura se produce por la propagación de defectos preexistentes en forma de grieta y que, en los metales, la deformación tiene lugar por el movimiento de dislocaciones, o defectos en la disposición atómica, a través de la matriz cristalina. La prueba de estos conceptos llegó con la invención y el desarrollo del microscopio electrónico; los microscopios de iones de campo, aún más potentes, y los microscopios electrónicos de alta resolución permiten ahora detectar la posición de los átomos individuales.

Otro ejemplo del desarrollo de la metalurgia física es un descubrimiento que revolucionó el uso del aluminio en el siglo XX. Al principio, la mayor parte del aluminio se utilizaba en aleaciones fundidas, pero el descubrimiento del endurecimiento por envejecimiento realizado por Alfred Wilm en Berlín hacia 1906 permitió obtener un material dos veces más resistente con sólo un pequeño cambio de peso.Entre las Líneas En el proceso de Wilm, un soluto como el magnesio o el cobre queda atrapado en una solución sólida sobresaturada, sin que pueda precipitarse, al enfriar el aluminio a una temperatura más alta en lugar de enfriarlo lentamente. La aleación de aluminio relativamente blanda resultante puede formarse mecánicamente, pero, cuando se deja a temperatura ambiente o se calienta a bajas temperaturas, se endurece y fortalece. Con el cobre como soluto, este tipo de material llegó a conocerse con el nombre comercial de Duraluminio.

Detalles

Los avances en metalografía descritos anteriormente permitieron comprender que el endurecimiento por envejecimiento se debe a la dispersión de precipitados muy finos de la solución sólida sobresaturada; esto restringe el movimiento de las dislocaciones que son esenciales para la deformación del cristal y, por tanto, aumenta la resistencia del metal. Los principios del endurecimiento por precipitación se han aplicado al fortalecimiento de un gran número de aleaciones.

Metalurgia extractiva

Tras la separación y la concentración por tratamiento de minerales, los minerales metálicos se someten a la metalurgia extractiva, en la que se extraen sus elementos metálicos en forma de compuestos químicos y se refinan las impurezas.

Los compuestos metálicos son con frecuencia mezclas bastante complejas (los que se tratan comercialmente son en su mayoría sulfuros, óxidos, carbonatos, arseniuros o silicatos), y no suelen ser tipos que permitan la extracción del metal mediante procesos sencillos y económicos.Entre las Líneas En consecuencia, antes de que la metalurgia extractiva pueda efectuar la separación de los elementos metálicos de los demás constituyentes de un compuesto, a menudo debe convertir el compuesto en un tipo que pueda ser tratado más fácilmente. La práctica común es convertir los sulfuros metálicos en óxidos, sulfatos o cloruros; los óxidos en sulfatos o cloruros; y los carbonatos en óxidos. Los procesos que logran todo esto pueden clasificarse como pirometalurgia o hidrometalurgia. La pirometalurgia implica operaciones de calentamiento como la tostación, en la que los compuestos se convierten a temperaturas justo por debajo de sus puntos de fusión, y la fundición, en la que todos los componentes de un mineral o concentrado se funden por completo y se separan en dos capas líquidas, una que contiene los metales valiosos y la otra la roca residual. La hidrometalurgia consiste en operaciones como la lixiviación, en la que los compuestos metálicos se disuelven selectivamente a partir de un mineral mediante un disolvente acuoso, y la electrodeposición, en la que los iones metálicos se depositan en un electrodo mediante una corriente eléctrica que pasa por la solución.

La extracción suele ir seguida de un refinado, en el que el nivel de impurezas se reduce o controla por medios pirometalúrgicos, electrolíticos o químicos. El refinado pirometalúrgico suele consistir en la oxidación de las impurezas en un baño líquido a alta temperatura. La electrólisis consiste en disolver el metal de un electrodo de una célula electrolítica y depositarlo en forma más pura en el otro electrodo. El refinado químico consiste en la condensación del metal a partir de un vapor o en la precipitación selectiva del metal a partir de una solución acuosa.

Los procesos que se utilizan en la extracción y el refinado se seleccionan para que encajen en un patrón general, en el que el producto del primer proceso se convierte en el material de alimentación del segundo proceso, y así sucesivamente. Es bastante común que los procesos hidrometalúrgicos, pirometalúrgicos y electrolíticos se utilicen uno tras otro en el tratamiento de un mismo metal. La elección depende de varias condiciones. Una de ellas es que ciertos tipos de compuestos metálicos se prestan a una extracción más fácil por determinados métodos; por ejemplo, los óxidos y los sulfatos se disuelven fácilmente en las soluciones de lixiviación, mientras que los sulfuros son sólo ligeramente solubles. Otra condición es el grado de pureza, que puede variar de un tipo de extracción a otro. La producción de zinc es un ejemplo de ello, ya que el zinc metálico producido mediante operaciones pirometalúrgicas en retorta o en alto horno tiene una pureza del 98%, con trazas de plomo, hierro y cadmio. Esto es adecuado para la galvanización, pero la pureza preferida para la fundición a presión (99,99%) debe obtenerse hidrometalúrgicamente, a partir de la electrólisis de una solución de sulfato de zinc. También hay que tener en cuenta, a la hora de elegir un método de tratamiento, la recuperación de determinadas impurezas que pueden tener valor por sí mismas como subproductos. Un ejemplo es el refinado del cobre: el refinado pirometalúrgico del cobre ampolloso elimina muchas impurezas, pero no recupera ni elimina la plata ni el oro; sin embargo, los metales preciosos se recuperan mediante un refinado electrolítico posterior.

Pirometalurgia

Dos de los procesos pirometalúrgicos más comunes, tanto en la extracción como en el refinado, son la oxidación y la reducción.Entre las Líneas En la oxidación, los metales que tienen una gran afinidad por el oxígeno se combinan selectivamente con él para formar óxidos metálicos; éstos pueden ser tratados posteriormente para obtener un metal puro o pueden ser separados y desechados como producto de desecho. La reducción puede considerarse el reverso de la oxidación.Entre las Líneas En este proceso, un compuesto de óxido metálico se introduce en un horno junto con un agente reductor como el carbono. El metal libera su oxígeno combinado, que se recombina con el carbono para formar un nuevo óxido carbonoso y deja el metal en forma no combinada.

Las reacciones de oxidación y reducción son exotérmicas (liberan energía) o endotérmicas (absorben energía). Este proceso desprende grandes cantidades de calor más allá del necesario para iniciar la reacción. Una reacción endotérmica es la reducción en fundición del óxido de zinc (ZnO) por el monóxido de carbono (CO) para producir zinc (Zn) metálico y dióxido de carbono (CO2).

Para que esta reacción se produzca a un ritmo razonable, es necesario suministrar calor externo para mantener la temperatura entre 1.300 y 1.350 °C (entre 2.375 y 2.450 °F).

Tostado y sus Procesos

Como ya se ha dicho, en los casos en los que un compuesto metálico no se encuentra en una forma química que permita eliminar el metal de forma fácil y económica, es necesario transformarlo primero en algún otro compuesto. El tratamiento preliminar que se suele utilizar para ello es la tostación.

Respecto a los procesos, existen varios tipos de tostado, cada uno de ellos destinado a producir una reacción específica y a obtener un producto tostado (o calcinado) adecuado para la operación de transformación concreta que se vaya a realizar. Los procedimientos de tostado son:

•  Tostados de oxidación, que eliminan todo o parte del azufre de los compuestos metálicos sulfurados, sustituyendo los sulfuros por óxidos. (El azufre eliminado se desprende como gas de dióxido de azufre.) Los tostados de oxidación son exotérmicos.
• Las calderas de sulfatación, que convierten ciertos metales de sulfuros en sulfatos. Los tostados de sulfatación son exotérmicos.
• Tostados reductores, que reducen el estado de óxido o incluso reducen completamente un óxido a un metal. Las calderas reductoras son exotérmicas.
• Las calderas de cloridización, que transforman los óxidos metálicos en cloruros mediante el calentamiento con una fuente de cloro, como el gas de cloro, el gas de ácido clorhídrico, el cloruro de amonio o el cloruro de sodio. Estas reacciones son exotérmicas.
• Tostados volatilizantes, que eliminan los óxidos fácilmente volatilizables convirtiéndolos en gases.
• Calcinación, en la que el material sólido se calienta para expulsar el dióxido de carbono o el agua combinada químicamente. La calcinación es una reacción endotérmica.

Tostadores

Cada uno de los procesos anteriores puede llevarse a cabo en tostadores especializados. Los tipos más utilizados son el de lecho fluidizado, el de múltiples hornos, el flash, el clorador, el horno rotatorio y la máquina de sinterización (o tostador de chorro).

Los tostadores de lecho fluidizado (véase la figura) han tenido una gran aceptación por su gran capacidad y eficacia. Pueden utilizarse para tostados de oxidación, sulfatación y volatilización. El tostador es una carcasa de acero cilíndrica y vertical, revestida de material refractario, con un fondo de rejilla a través del cual se insufla aire en volumen suficiente para mantener en suspensión las finas partículas sólidas de la alimentación y proporcionar un excelente contacto gas-sólido. La alimentación de mineral puede introducirse en seco o en forma de suspensión de agua a través de un tubo de bajada en la zona de capa turbulenta del tostador. La descarga de las calcinas tostadas se realiza a través de una tubería de rebose lateral.

Los tostadores de múltiples tierras también han encontrado una amplia aceptación, ya que pueden utilizarse para procesos de oxidación, sulfatación, cloridización, volatilización, reducción y calcinación. El tostador es una carcasa de acero cilíndrica vertical revestida de material refractario en la que se colocan varios hogares refractarios superpuestos. Un eje central de rotación lenta hace girar los brazos de la criba en cada hogar para agitar el material de tostado y empujarlo hacia los agujeros de caída que conducen al hogar inferior. El material de alimentación se introduce en el hogar superior y, al seguir una trayectoria en zig-zag a través de los hogares y hacia abajo, se encuentra con la corriente de gas ascendente que efectúa la tostación. Las calcinas se descargan por el hogar inferior.

Los tostadores flash se utilizan únicamente para el tueste por oxidación y son, de hecho, tostadores de varios hornos a los que se les han quitado los hogares centrales. Este diseño surgió al darse cuenta de que gran parte de la oxidación tiene lugar cuando las partículas caen de un hogar a otro.

Los clorinadores se utilizan para convertir los óxidos en cloruros. Son carcasas altas y circulares de acero revestidas de ladrillo refractario para evitar el ataque del cloro al acero. La parte superior de cada clorador tiene una tolva sellada para la carga periódica de la alimentación, y el cloro gaseoso o líquido se añade en la parte inferior de la unidad. El calor se suministra por resistencia eléctrica a través de la pared de la carcasa y por cualquier reacción exotérmica que pueda producirse. El producto depende de la reacción de cloridización que tenga lugar; por ejemplo, el dicloruro de magnesio se forma como un líquido acuoso y el tetracloruro de titanio sale como un gas.

La calcinación de carbonatos a óxidos se realiza en un horno rotatorio horizontal, que es una carcasa circular de acero dulce revestida de material refractario y que tiene una longitud de 10 a 12 veces el diámetro. Con una ligera inclinación hacia abajo desde los extremos de alimentación hasta los de descarga, el horno gira lentamente mientras los quemadores de combustible situados en su interior proporcionan el calor necesario.

Una máquina de sinterización, o tostador de chorro, puede realizar tostados oxidantes o reductores y luego aglomerar las calcinas tostadas, o puede utilizarse sólo para la aglomeración. (La aglomeración es la fusión del material de alimentación fino en trozos más grandes que pueden introducirse en un alto horno o retorta, eliminando el problema de la pérdida de la alimentación fina en el chorro de aire caliente). La reacción de oxidación o reducción es exotérmica, pero para que la aglomeración se lleve a cabo por sí sola, es necesario mezclar un combustible, como el coque fino, con la carga.

La máquina de sinterización consiste en una cinta sin fin de paletas metálicas móviles con fondos de rejilla sobre las que se extiende una carga fina de alimentación y se pasa bajo un quemador. A medida que la carga se enciende, la paleta pasa por encima de una caja de aspiración, de modo que el aire que atraviesa la capa de alimentación hace que la combustión (es decir, la oxidación) del azufre o del carbono continúe de arriba a abajo. Como la temperatura es alta y no hay agitación de la alimentación, se produce una fusión parcial en la superficie de las partículas, dejándolas adheridas en forma de un clinker poroso y celular conocido como sinterizado.

Fundición

También forma parte de la pirometalurgia.

La fundición es un proceso que libera el elemento metálico de su compuesto como metal fundido impuro y lo separa de la parte de roca residual de la carga, que se convierte en una escoria fundida. Hay dos tipos de fundición, la de reducción y la de mate.Entre las Líneas En la fundición de reducción, tanto la carga metálica introducida en la fundición como la escoria formada en el proceso son óxidos; en la fundición mate, la escoria es un óxido mientras que la carga metálica es una combinación de sulfuros metálicos que se funden y recombinan para dar un sulfuro metálico homogéneo llamado mate.

Fundición por reducción

Para la fundición de reducción se utilizan muchos tipos de hornos. El alto horno se utiliza universalmente en la reducción de compuestos como el óxido de hierro, el óxido de zinc y el óxido de plomo, aunque existen grandes diferencias entre los diseños de los hornos utilizados en cada caso. El hierro, que se encuentra de forma natural en los minerales de óxido hematita y magnetita, se funde en un alto horno circular y sellado (véase la figura).Entre las Líneas En la parte superior del horno, a través de una doble campana o tolva giratoria, se introduce una alimentación sinterizada o peletizada compuesta por coque (como combustible), piedra caliza (como fundente para la fabricación de escorias) y óxido de hierro, y se introduce aire caliente a través de toberas o tuyeres, cerca del fondo del horno.Entre las Líneas En la reacción de combustión que se produce, el oxígeno del aire se combina con el carbono del coque, generando suficiente calor para fundir la carga del horno y formando monóxido de carbono, que, a su vez, reduce el óxido de hierro a hierro metálico. El horno se sella para evitar la fuga de gas de monóxido de carbono, que se recupera y se quema como combustible para calentar el aire del tuyere.Entre las Líneas En el hogar del fondo del horno, la escoria fundida y el hierro se acumulan en dos capas, la escoria más ligera en la parte superior. Ambas capas se extraen periódicamente, desechándose la escoria y pasando el hierro a ser refinado en acero.

El alto horno de zinc también es un horno sellado, con una carga de óxido de zinc sinterizado y coque precalentado añadido a través de una campana de carga sellada. El horno es rectangular, con un eje más corto que el del alto horno de hierro. Una ráfaga de aire caliente a través de las toberas proporciona oxígeno para quemar el coque y suministrar gas reductor de monóxido de carbono. El zinc reducido sale del horno en forma de vapor, que se extrae hacia un baño de plomo fundido y se condensa en zinc metálico líquido. La escoria y el plomo presente en la carga se extraen como líquidos de la solera del horno. (Para ver una ilustración de un alto horno de zinc-plomo, véase la figura).

El alto horno de plomo es similar en tamaño y forma al alto horno de zinc, pero no es un horno sellado, y no utiliza aire de tuyere precalentado. Se vierte una carga de sinterizado de óxido de plomo, coque y fundente en la parte superior abierta del horno, y la fuerte atmósfera reductora del hueco del horno reduce el óxido a metal. El plomo líquido y la escoria se acumulan en dos capas en el hogar del horno, con el plomo en la capa inferior y la escoria por encima.

Dos procesos más recientes para la reducción directa del concentrado de sulfuro de plomo sin tostar son el QSL (Queneau-Schuhmann-Lurgi) y el KIVCET (acrónimo ruso de “flash-cyclone-oxygen-electric smelting”).Entre las Líneas En el reactor QSL, una inyección sumergida de oxígeno apantallado oxida el sulfuro de plomo hasta convertirlo en plomo metal, mientras que el KIVCET es un tipo de horno de fusión instantánea en el que el concentrado de sulfuro de plomo fino y seco se combina con el oxígeno en un pozo para obtener plomo metal.

Fundición mate

El objetivo principal de la fundición de mata es fundir y recombinar la carga en una mata homogénea de cobre metálico, níquel, cobalto y sulfuros de hierro y dar una escoria de óxido de hierro y silicio. Se realiza en muchos tipos de hornos con material de alimentación de sulfuro tostado o sin tostar.

El horno de reverbero es esencialmente una caja rectangular de ladrillos refractarios equipada con quemadores en los extremos para proporcionar calor para la fusión. El horno es relativamente silencioso y no expulsa mucho pienso fino (que se añade a través de los puertos del techo) con los gases de escape. La mata se extrae periódicamente de una piquera central, mientras que la escoria sale continuamente por el extremo de la chimenea del horno. Las lanzas de oxígeno insertadas a través del techo, o el oxígeno añadido a través de los quemadores, pueden aumentar considerablemente la capacidad de fundición.

Los hornos eléctricos son similares a los hornos de reverbero, salvo por el método de calentamiento: en este caso, una fila de electrodos que se proyecta a través del techo en la capa de escoria de la solera del horno y se calienta por resistencia.

La fundición flash es un desarrollo relativamente reciente que ha sido aceptado en todo el mundo. Es un proceso autógeno, que utiliza la oxidación de los sulfuros en una carga no tostada para suministrar el calor necesario para alcanzar las temperaturas de reacción y fundir el material de alimentación. El horno más utilizado tiene un pozo de reacción vertical en un extremo de una larga chimenea de baja sedimentación y un pozo vertical de aspiración de gases en el otro extremo. La alimentación fina y sin tostar se introduce en el pozo de reacción junto con el aire precalentado; éstos reaccionan instantáneamente y las gotas de líquido caen sobre la solera de decantación, separándose en capas de escoria y mata. El gas resultante, con un alto contenido de dióxido de azufre, es ideal para los procesos de recuperación de azufre.

La segunda etapa de la fundición de la mata consiste en convertir los sulfuros en metal. Durante muchos años, el recipiente estándar para esta operación ha sido el convertidor Peirce-Smith. Se trata de un tambor de acero horizontal, giratorio y revestido de material refractario, con una abertura en el centro de la parte superior para la carga y la descarga y una fila de toberas en la parte posterior a través de las cuales se puede soplar aire, aire enriquecido con oxígeno u oxígeno en el baño líquido. La mata fundida del horno de fundición se vierte en el convertidor, tras lo cual se sopla gas a través de las toberas para oxidar primero el hierro y luego el azufre. El azufre se desprende en forma de gas de dióxido de azufre y el hierro en forma de escoria de óxido de hierro, dejando un metal semipuro. Esta reacción exotérmica genera un calor considerable que mantiene el baño líquido y la temperatura de reacción necesaria.

Los procesos más recientes aprovechan la evolución exotérmica del calor para lograr tanto la fundición de sulfuros sin tostar como la conversión de la mata en una operación combinada. Se trata de los procesos Noranda, TBRC (convertidor rotativo de soplado superior) y Mitsubishi. El reactor Noranda es un horno cilíndrico horizontal con una depresión en el centro donde se acumula el metal y un hogar elevado en un extremo donde se escurre la escoria. El concentrado de sulfuro sin tostar se vierte en el baño fundido en un extremo, donde las toberas inyectan una mezcla de aire y oxígeno. Esto provoca una intensa acción de mezcla que ayuda a las etapas de fusión, fundición y oxidación, que se suceden en secuencia, aprovechando el calor exotérmico. El TBRC también tiene forma cilíndrica, pero está inclinado 17º respecto a la horizontal, tiene una boca abierta en el extremo superior para cargar y verter, y gira de 5 a 40 rotaciones por minuto. Una lanza introducida por la boca puede dar cualquier combinación de oxígeno, aire o gas natural para incidir en el baño fundido y crear las condiciones necesarias para la fundición y la oxidación. La combinación de soplado superficial y rotación del baño mejora el rendimiento del convertidor. El proceso Mitsubishi es una operación continua de fundición-conversión que utiliza tres hornos estacionarios en serie. El primer horno está destinado a la fundición, con lanzas de oxígeno y un quemador alimentado por combustible insertado a través del techo. La escoria y la mata fluyen desde aquí a un horno de limpieza de escorias (calentado por arco eléctrico), y la mata de alta calidad fluye desde éste al horno de conversión, donde el aire enriquecido con oxígeno es soplado en el baño a través de las lanzas del techo. El calor exotérmico producido aquí es suficiente para mantener el baño hasta la temperatura de reacción.

Fundición electrolítica

La fundición también se realiza mediante la disociación electrolítica, a altas temperaturas, de un compuesto metálico clorado líquido (como se hace con el magnesio) o de un polvo de óxido metálico disuelto en electrolito fundido (como se hace con el aluminio).Entre las Líneas En cada caso, se hace pasar corriente eléctrica por el baño para disociar el compuesto metálico; el metal liberado se acumula en el cátodo, mientras que en el ánodo se desprende un gas.

La célula de fundición de magnesio consiste en una olla de acero que sirve de cátodo; dos filas de electrodos de grafito se introducen a través de una cubierta refractaria como ánodos. El electrolito es una mezcla de cloruros, con un 20% de cloruro de magnesio, y la célula se mantiene a 700 °C (1.300 °F). El paso de la corriente descompone el cloruro de magnesio en cloro gaseoso y magnesio metálico, que van al ánodo y al cátodo, respectivamente.

En el proceso de fundición de Hall-Héroult, un compuesto de óxido de aluminio casi puro llamado alúmina se disuelve a 950 °C (1.750 °F) en un electrolito fundido compuesto de aluminio, sodio y flúor; éste se electroliza para dar aluminio metal en el cátodo y oxígeno gas en el ánodo. La célula de fundición es una caja de acero revestida de carbono, que actúa como cátodo, y una fila de electrodos de grafito insertados en el baño sirve de ánodos.

Refinación

También forma parte de la pirometalurgia.

El refinado es el procedimiento final para eliminar (y a menudo recuperar como subproductos) las últimas pequeñas cantidades de impurezas que quedan después de que se hayan completado las principales etapas de extracción. Deja el elemento metálico principal en un estado prácticamente puro para su aplicación comercial. El procedimiento se lleva a cabo de tres maneras: refinado al fuego, por métodos electrolíticos o por métodos químicos.

Refinación al fuego

El hierro, el cobre y el plomo se refinan al fuego por oxidación selectiva.Entre las Líneas En este proceso, se añade oxígeno o aire al metal líquido impuro; las impurezas se oxidan antes que el metal y se eliminan en forma de escoria de óxido o de gas de óxido volátil.

El horno básico de oxígeno (BOF) es un recipiente que se utiliza para convertir el arrabio, con un 94% de hierro y un 6% de impurezas combinadas, como el carbono, el manganeso y el silicio, en acero con tan sólo un 1% de impurezas combinadas. El BOF es una gran unidad con forma de pera que puede inclinarse para cargar y verter. El hierro fundido y la chatarra de acero se cargan en el horno; a continuación, se gira en posición vertical y se introduce una lanza para soplar gas de oxígeno de alto tonelaje en el baño. Las reacciones de oxidación se producen rápidamente: el silicio y el manganeso se oxidan primero y se combinan para formar una escoria de óxido, luego el carbono se oxida a gas monóxido de carbono y se quema a dióxido de carbono al salir de la boca del horno. Estas reacciones son fuertemente exotérmicas y mantienen el recipiente hasta su temperatura de reacción sin necesidad de añadir calor externo o combustible.

El cobre blíster producido por los convertidores y el plomo de los altos hornos también se tratan mediante el refinado al fuego, dependiendo ambos procesos de la menor afinidad por el oxígeno de los metales que las impurezas que contienen. El cobre fundido en un pequeño horno de tipo reverbero recibe aire comprimido a través de tubos de acero bajo la superficie. Esto oxida el zinc, el estaño, el hierro, el plomo, el arsénico, el antimonio y el azufre; el azufre se desprende en forma de gas de dióxido de azufre, mientras que las demás impurezas forman una escoria de óxido que se desprende. El plomo se refina de forma muy parecida, con aire comprimido soplado en un baño de plomo fundido y las principales impurezas de estaño, antimonio y arsénico se oxidan en ese orden, subiendo a la superficie como espumas y siendo raspadas.

Otras operaciones de refinado al fuego utilizan la destilación fraccionada. Con este método, el zinc metálico con una pureza del 98% puede pasar a tener una pureza del 99,995%. Las principales impurezas del zinc de alto horno son el plomo y el cadmio, que hierven a 1.744 °C (3.171 °F), el zinc a 907 °C (1.665 °F) y el cadmio a 765 °C (1.409 °F).Entre las Líneas En la primera etapa se hierve el zinc y el cadmio, dejando plomo líquido, y en la segunda etapa se hierve el cadmio para dejar un zinc metálico especial de gran pureza.

Refinamiento electrolítico

Este método proporciona el producto metálico de mayor pureza, así como la mejor recuperación de impurezas valiosas. Se utiliza para el cobre, el níquel, el plomo, el oro y la plata. El metal a refinar se vierte en una plancha, que se convierte en el ánodo de una célula electrolítica; otra plancha de metal es el cátodo. Ambos electrodos se sumergen en un electrolito acuoso capaz de conducir la corriente eléctrica. Al aplicar una corriente continua a la célula, los iones metálicos se disuelven en el ánodo y se depositan en el cátodo. El lodo insoluble que queda en la célula se trata para recuperar los metales valiosos derivados.

Refinación química

Un ejemplo de refinado químico es el proceso de níquel carbonilo, en el que el níquel metálico impuro se hace reaccionar selectivamente con gas monóxido de carbono para formar gas carbonilo de níquel. Este gas se descompone para obtener níquel metálico de gran pureza.

Hidrometalurgia

La hidrometalurgia se ocupa de la lixiviación selectiva de compuestos metálicos para formar una solución a partir de la cual los metales pueden precipitarse y recuperarse. Los procesos de lixiviación se utilizan cuando es el método más sencillo o cuando la mena tiene una ley demasiado baja para procedimientos de extracción más costosos.

Conversión

Dado que no todos los minerales y concentrados se encuentran naturalmente en una forma satisfactoria para la lixiviación, a menudo deben someterse a operaciones preliminares. Por ejemplo, los minerales de sulfuro, que son relativamente insolubles en ácido sulfúrico, pueden convertirse en formas bastante solubles mediante la oxidación o sulfatación de los tostados. Por otra parte, los minerales de óxido y los concentrados pueden someterse a un tostado reductor controlado para producir una calcina que contenga un metal reducido que se disuelva fácilmente en la solución de lixiviación. Estos tratamientos se describen con más detalle más arriba (véase Pirometalurgia: Tostación).

Un segundo tratamiento popular para convertir los sulfuros es la oxidación a presión, en la que los sulfuros se oxidan hasta conseguir una estructura porosa que proporciona un buen acceso a la solución de lixiviación. Este tratamiento se desarrolló para la recuperación de oro de los minerales de sulfuro, que no son adecuados para la lixiviación con cianuro sin ser primero oxidados. Una lechada de concentrado finamente molida se precalienta a 175 °C (350 °F) y se bombea a un autoclave de cuatro o cinco compartimentos, cada uno de los cuales contiene un agitador. Se añade oxígeno gaseoso a cada compartimento y el tiempo de retención en el autoclave es de dos horas para lograr la oxidación deseada.

Lixiviación

Los óxidos se lixivian con un disolvente de ácido sulfúrico o carbonato sódico, mientras que los sulfatos pueden lixiviarse con agua o ácido sulfúrico. El hidróxido de amonio se utiliza para los minerales nativos, los carbonatos y los sulfuros, y el hidróxido de sodio para los óxidos. Las soluciones de cianuro son un disolvente para los metales preciosos, mientras que una solución de cloruro sódico disuelve algunos cloruros.Entre las Líneas En todos los casos, el disolvente de la lixiviación debe ser barato y disponible, fuerte y preferiblemente selectivo para los valores presentes.

La lixiviación se lleva a cabo mediante dos métodos principales: la lixiviación simple a temperatura ambiente y presión atmosférica; y la lixiviación a presión, en la que se aumenta la presión y la temperatura para acelerar la operación. El método elegido depende de la calidad del material de alimentación, ya que los materiales más ricos requieren un tratamiento más costoso y extenso.

La lixiviación in situ se aplica a los minerales que están demasiado lejos de la tierra y que tienen una ley demasiado baja para ser tratados en la superficie. Se hace circular una solución de lixiviación a través de un yacimiento fracturado para disolver los valores y luego se bombea a la superficie, donde los valores se precipitan.

La lixiviación en pila se realiza en minerales de grado semibajo, es decir, lo suficientemente altos como para ser llevados a la superficie para su tratamiento. Este método es cada vez más popular a medida que se extraen mayores cantidades de mineral de baja ley. El mineral se apila en pilas sobre plataformas y se rocía con una solución de lixiviación, que desciende por las pilas mientras disuelve los valores. La solución preñada se drena y se lleva a tanques de precipitación.

Los minerales de mayor calidad se tratan mediante lixiviación en tanque, que se lleva a cabo de dos maneras. Un método es de gran escala, con varios miles de toneladas de mineral tratadas a la vez en grandes tanques de hormigón con una solución en circulación.Entre las Líneas En el segundo método, pequeñas cantidades de mineral de alta ley finamente molido se agitan en tanques mediante aire o mediante impulsores mecánicos. Ambas soluciones pasan a la precipitación una vez finalizada la lixiviación.

La lixiviación a presión acorta el tiempo de tratamiento al mejorar la solubilidad de los sólidos que se disuelven muy lentamente a presión atmosférica. Para este proceso se utilizan autoclaves, tanto en estilo vertical como horizontal. Tras la lixiviación, la solución preñada se separa del residuo insoluble y se envía a precipitación.

Recuperación

La solución preñada de las operaciones de lixiviación se trata de diversas maneras para precipitar los valores metálicos disueltos y recuperarlos en forma sólida. Estos incluyen la deposición electrolítica, la transferencia de iones metálicos, la precipitación química, la extracción con disolventes en combinación con métodos electrolíticos y químicos, y la adsorción de carbono combinada con el tratamiento electrolítico.

La deposición electrolítica, también llamada electroobtención, proporciona un producto puro y es el método preferido. Sin embargo, es caro, debido al coste de la electricidad, y debe contar con una solución de alto contenido metálico. Los ánodos insolubles y los cátodos, hechos de un material inerte desmontable o de una fina lámina del metal depositado, se introducen en un tanque que contiene la solución de lixiviación. Al pasar la corriente, la solución se disocia y los iones metálicos se depositan en el cátodo. Este método común se utiliza para el cobre, el zinc, el níquel y el cobalto.

La extracción con disolventes combinada con la deposición electrolítica toma soluciones metálicas diluidas y de bajo valor y las concentra en pequeños volúmenes y con un alto contenido de metal, lo que las hace satisfactorias para el tratamiento electrolítico. Los minerales de cobre de baja ley se procesan de esta manera.Entre las Líneas En primer lugar, se pone en contacto un gran volumen de solución de lixiviación de cobre de bajo valor (2,5 gramos por litro, o 0,33 onzas por galón) con un pequeño volumen de disolvente orgánico inmiscible en agua en queroseno. Los valores metálicos pasan de la solución de lixiviación a la solución de extracción, las dos fases se separan y la solución de extracción pasa al circuito de stripping. Aquí se añade otro fluido que tiene una afinidad aún mayor por los valores metálicos, recogiéndolos de la solución de extracción. Las dos soluciones se separan, y el pequeño volumen de la solución de extracción tiene un contenido de metal lo suficientemente alto (50 gramos por litro, o 6,6 onzas por galón) como para ser adecuado para la precipitación electrolítica.

Se utiliza un circuito de adsorción para despojar las soluciones preñadas de cianuro de oro con carbón activado. El carbón es a su vez despojado del metal por una solución, que luego pasa a una celda electrolítica donde el contenido de oro se deposita en el cátodo.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

La precipitación química puede llevarse a cabo de varias maneras.Entre las Líneas En un método, tiene lugar una reacción de desplazamiento en la que un metal más activo sustituye a otro menos activo en la solución. Por ejemplo, en la cementación del cobre, el hierro sustituye a los iones de cobre en la solución, precipitando partículas sólidas de cobre mientras el hierro pasa a la solución. Se trata de un método poco costoso que suele aplicarse a soluciones de lixiviación débiles y diluidas. Otra reacción de desplazamiento utiliza gas, con sulfuro de hidrógeno, por ejemplo, añadido a una solución que contiene sulfato de níquel y precipita el sulfuro de níquel. Por último, cambiar la acidez de una solución es un método común de precipitación. La torta amarilla, nombre común del diuranato de sodio, se precipita a partir de una solución concentrada de lixiviación de uranio añadiendo hidróxido de sodio para elevar el pH a 7.

Metalurgia como Trabajo sobre el Metal

Procesos

Los metales son importantes en gran medida porque pueden deformarse fácilmente en formas útiles. Se han desarrollado literalmente cientos de procesos metalúrgicos para aplicaciones específicas, pero pueden dividirse en cinco grandes grupos: laminación, extrusión, embutición, forja y conformación de chapa. Los cuatro primeros procesos someten al metal a grandes esfuerzos. Sin embargo, si la deformación se produce a una temperatura suficientemente alta, el metal se recristalizará, es decir, sus granos deformados se consumirán por el crecimiento de un conjunto de granos nuevos sin tensión. Por esta razón, un metal suele laminarse, extruirse, estirarse o forjarse por encima de su temperatura de recristalización. Esto se denomina trabajo en caliente, y en estas condiciones no hay prácticamente ningún límite a la tensión plástica de compresión a la que puede someterse el metal.

Otros procesos se realizan por debajo de la temperatura de recristalización. Se denominan trabajos en frío. El trabajo en frío endurece el metal y hace que la pieza sea más resistente. Sin embargo, hay un límite definido a la tensión que puede aplicarse a una pieza en frío antes de que se agriete.

Laminado

El laminado es el proceso de trabajo del metal más común. Más del 90% del aluminio, el acero y el cobre producidos se laminan al menos una vez en el transcurso de la producción, normalmente para llevar el metal desde un lingote fundido hasta una chapa o barra. El producto laminado más común es la chapa. Con un control informático de alta velocidad, es habitual que se combinen varios soportes de rodillos en serie, con lo que la chapa gruesa entra en el primer soporte y la chapa fina se enrolla desde el último soporte a velocidades lineales de más de 100 kilómetros (60 millas) por hora. También se utilizan trenes de laminación multipiso para formar bobinas de alambre a partir de barras. Otros trenes de laminación pueden prensar grandes barras desde varios lados para formar vigas en I o raíles de ferrocarril.

El laminado puede realizarse en caliente o en frío. Si el laminado se termina en frío, la superficie será más lisa y el producto más resistente.

Extrusión

La extrusión convierte un tocho de metal en una longitud de sección transversal uniforme forzando el tocho a fluir a través del orificio de una matriz.Entre las Líneas En la extrusión directa, el pistón y la matriz están en lados opuestos de la pieza. Los productos pueden tener una sección transversal simple o compleja; se pueden encontrar ejemplos de extrusiones complejas en los marcos de las ventanas de aluminio.

También se pueden extruir tubos u otras piezas huecas. La pieza inicial es un tubo de pared gruesa, y la pieza extruida se moldea entre una matriz en el exterior del tubo y un mandril sujetado en el interior.

En la extrusión por impacto (también llamada retroextrusión), la pieza se coloca en el fondo de un orificio (la matriz), y se empuja contra ella un ariete poco ajustado. El pistón obliga al metal a fluir alrededor de él, y el espacio entre el pistón y la matriz determina el grosor de la pared. Cuando los tubos de pasta de dientes se fabricaban con una aleación de plomo, se formaban mediante este proceso.

Embutición

La embutición consiste en hacer pasar el metal por una matriz. Un tipo es el trefilado. La reducción de diámetro que puede lograrse en una matriz de este tipo es limitada, pero pueden utilizarse varias matrices en serie para obtener la reducción deseada. La embutición profunda comienza con un disco de metal y termina con una copa empujando el metal a través de un agujero (matriz). Se pueden utilizar varias operaciones de embutición en secuencia para una pieza. La embutición profunda se emplea para fabricar latas de aluminio para bebidas y cartuchos de latón para rifles a partir de chapa.

Conformación de la chapa

En el conformado por estiramiento, la chapa se forma sobre un bloque mientras la pieza está bajo tensión. El metal se estira justo por encima de su límite de elasticidad (entre un 2 y un 4% de tensión) para mantener la nueva forma. El curvado puede hacerse presionando entre dos matrices. (A menudo, una pieza puede fabricarse igualmente bien mediante el conformado por estirado o el doblado; la elección se hace entonces en función del coste). El cizallamiento es una operación de corte similar a la que se utiliza para la tela.Entre las Líneas En estos métodos, el grosor de la chapa cambia poco durante el proceso.

Cada uno de estos procesos puede utilizarse por separado, pero a menudo se emplean los tres en una misma pieza. Por ejemplo, para fabricar el techo de un automóvil a partir de una chapa plana, se agarran los bordes y se tira de la pieza en tensión sobre una matriz inferior. A continuación, se presiona una matriz de acoplamiento sobre la parte superior, terminando la operación de conformación, y finalmente se cortan los bordes para obtener las dimensiones finales.

Forjado

La forja es la conformación de una pieza de metal mediante el empuje con matrices abiertas o cerradas. Suele hacerse en caliente para reducir la fuerza necesaria y aumentar la plasticidad del metal.

La forja con matriz abierta suele realizarse martilleando una pieza entre dos caras planas. Se utiliza para fabricar piezas que son demasiado grandes para formarlas en una matriz cerrada o en los casos en los que sólo hay que fabricar unas pocas piezas y, por tanto, el coste de una matriz no está justificado. Las primeras máquinas de forja levantaban un gran martillo que se dejaba caer sobre la pieza, pero ahora se utilizan martillos accionados por aire o vapor, ya que permiten controlar mejor la fuerza y el ritmo de conformación. La pieza se moldea moviéndola o girándola entre los golpes. Un anillo forjado puede formarse colocando un mandril a través del anillo y deformando el metal entre el martillo y el mandril.

Detalles

Los anillos también pueden forjarse laminando con un rodillo dentro del anillo y el otro fuera.

La forja en matriz cerrada consiste en dar forma al metal caliente dentro de las paredes de dos matrices que se unen para encerrar la pieza por todos sus lados. El proceso comienza con una varilla o barra cortada a la longitud necesaria para llenar la matriz. Dado que se trata de formas grandes y complejas y de grandes tensiones, pueden utilizarse varias matrices para pasar de la barra inicial a la forma final. Con las matrices cerradas, las piezas pueden fabricarse con tolerancias estrechas, de modo que se requiere poco mecanizado de acabado.

Dos operaciones de forja con matrices cerradas que reciben nombres especiales son el recalcado y la acuñación. La acuñación toma su nombre de la etapa final de la formación de monedas de metal, en la que la impresión deseada se forma en un disco metálico liso que se presiona en una matriz cerrada. El acuñado implica pequeñas tensiones y se realiza en frío para mejorar la definición y la suavidad de la superficie. El acuñado implica un flujo del metal hacia atrás sobre sí mismo. Un ejemplo de este proceso es el empuje de un tramo corto de una varilla a través de un orificio, la sujeción de la varilla y, a continuación, el golpeo del tramo expuesto con una matriz para formar la cabeza de un clavo o un perno.

Metalurgia

Una ventaja importante del trabajo en caliente es que permite controlar y mejorar las propiedades mecánicas. El laminado o forjado en caliente elimina gran parte de la porosidad, la direccionalidad y la segregación que pueden estar presentes en las formas de fundición. El producto “forjado” resultante tiene, por tanto, mejor ductilidad y tenacidad que la pieza fundida sin trabajar. Durante el forjado de una barra, los granos del metal se alargan mucho en la dirección del flujo. Como resultado, la tenacidad del metal mejora sustancialmente en esta dirección y se debilita un poco en las direcciones transversales al flujo. Parte del diseño de una buena forja consiste en asegurar que las líneas de flujo en la pieza acabada estén orientadas en la dirección de máxima tensión cuando la pieza se ponga en servicio.

La capacidad de un metal para resistir el adelgazamiento y la fractura durante las operaciones de trabajo en frío desempeña un papel importante en la selección de la aleación y el diseño del proceso.Entre las Líneas En las operaciones que implican estiramiento, las mejores aleaciones son las que se hacen más fuertes con la tensión (endurecimiento por deformación); por ejemplo, la aleación de cobre y zinc, el latón, que se utiliza para los cartuchos y las aleaciones de aluminio y magnesio de las latas de bebidas, que presentan un mayor endurecimiento por deformación que el cobre o el aluminio puros, respectivamente.

Otra propiedad útil que puede controlarse mediante el procesamiento y la composición es la relación de anisotropía plástica. Cuando un segmento de chapa se tensa (es decir, se alarga) en una dirección, el grosor y la anchura del segmento deben reducirse, ya que el volumen permanece constante.Entre las Líneas En una chapa isotrópica, el grosor y la anchura presentan la misma deformación, pero, si los granos de la chapa están bien orientados, el grosor se encogerá sólo la mitad que la anchura. Dado que es el adelgazamiento lo que provoca la fractura temprana, esta anisotropía plástica confiere mejores propiedades de embutición al material de la chapa con la orientación óptima de los granos.

La fractura de la pieza durante el conformado puede deberse a defectos en el metal; éstos suelen consistir en inclusiones no metálicas como óxidos o sulfuros que quedan atrapados en el metal durante el refinado. Estas inclusiones pueden evitarse mediante procedimientos de fabricación adecuados. Las lagunas son otro tipo de defecto en el que parte de una pieza metálica se dobla inadvertidamente sobre sí misma, pero los dos lados del pliegue no están completamente soldados. Si se aplica una fuerza que tienda a abrir este pliegue durante la operación de conformado, el metal fallará en la solapa.

La capacidad de los distintos metales para someterse a la tensión varía sensiblemente. El cambio de forma que puede realizarse en una operación de conformación suele estar limitado por la ductilidad a la tracción del metal. Los metales con estructura cristalina centrada en la cara, como el cobre y el aluminio, son intrínsecamente más dúctiles en este tipo de operaciones que los metales con estructura cúbica centrada en el cuerpo. Para evitar la fractura temprana en este último tipo de metales, se utilizan procesos que aplican principalmente tensiones de compresión en lugar de tensiones de tracción.

Datos verificados por: Brite

Recursos

Traducción al Inglés

Traducción al inglés de Metalurgia: Metallurgy.

Véase También

Arqueometalurgia
CALPHAD
Metalurgia del carbonilo
Cupelación
Arqueometalurgia experimental
Golpe de oro
Complejo de fosfina de oro
Análisis de fallos metalúrgicos
Industria mineral
Pirometalurgia

Bibliografía

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