Principios de metalurgi

IES Valle de Aller
Tecnología Industrial I . Materiales
METALURGIA GENERAL
Sólo unos pocos metales se encuentran en la Naturaleza en estado libre o nativo ( Au,
Ag, Hg, Pt y el Cu, aunque no es el estado más usual). La mayor parte se encuentra en
estado combinado, en forma de óxidos, sulfuros , carbonatos, , silicatos…., de
composición química y sistema de cristalización definido , constituyendo los minerales
Hay muchos metales que se encuentran en forma de óxidos, oxígeno, al estar presente
en grandes cantidades en la atmósfera, se combina muy fácilmente con los metales, que
son elementos reductores (bauxita (Al2O3) ,
limonita (Fe2O3). )
Los sulfuros constituyen el tipo de mena metálica más frecuente. En este grupo destacan
el sulfuro de cobre (I), Cu2S, el sulfuro de mercurio (II), HgS, el sulfuro de Pb (II) PbS
y
el
sulfuro
de
bismuto
(III),
Bi2S3.
Los metales alcalinos, además del berilio y el magnesio, se suelen extraer a partir de los
cloruros depositados debido a la evaporación de mares y lagos, aunque también se
extrae del agua del mar. El ejemplo más característico es el cloruro sódico NaCl.
Algunos metales alcalino-térreos, el calcio, el estroncio y el bario, se obtienen a partir
de los carbonatos insolubles en los que están insertos. Por último, los lantánidos y
actínidos se suelen obtener a partir de los fosfatos, que son unas sales en las que pueden
estar incluidos.
METALURGIA: Ciencia y tecnología de los metales, que incluye su extracción a
partir de los minerales metálicos, su preparación y el estudio de las relaciones entre sus
estructuras y propiedades.
Los procesos metalúrgicos constan de dos operaciones:
Preparación de las menas: Consiste en separar el metal o compuesto metálico
del material residual que lo acompaña en el mineral .
• Afino del metal bruto: En el que se trata de producir el metal en un estado puro
o casi puro, adecuado para su empleo.
Tanto para la preparación, como para el refinado se emplean tres tipos de procesos:
mecánicos, químicos y eléctricos. En la mayoría de los casos se usa una combinación de
los tres.
•
1- PREPARACIÓN DE LAS MENAS: Después de extraídas de la mina se someten a
alguno de estos tratamientos.
- Concentración del mineral
El primer paso consiste en eliminar la mayor cantidad posible de la ganga que
impurifica el mineral, esto se consigue a veces por una simple selección manual, pero lo
más frecuente es reducir la mena a un polvo fino por trituración o molido y
posteriormente someterlo a alguna de las siguientes operaciones:
a- Tamizado: Consiste en separar partículas sólidas de acuerdo a su tamaño.
Prácticamente es utilizar coladores de diferentes tamaños en los orificios, colocados en
forma consecutiva, en orden decreciente, de acuerdo al tamaño de los orificios. Es decir,
los de orificios más grandes se encuentran en la parte superior y los más pequeños en la
inferior. Los coladores reciben el nombre de tamiz y están elaborados en telas metálicas.
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b- Levigación. Se utiliza una corriente de agua que arrastra los materiales más livianos
a través de una mayor distancia, mientras que los más pesados se van depositando; de
esta manera hay una separación de los componentes de acuerdo a lo pesado que sean.
c- Evaporación. Es la separación de un sólido disuelto en un líquido, por
calentamiento, hasta que hierve y se transforma en vapor. Como no todas las sustancias
se evaporan con la misma rapidez, el sólido disuelto se obtiene en forma pura.
d- Centrifugación: Es un procedimiento que se utiliza cuando se quiere acelerar la
sedimentación. Se coloca la mezcla dentro de una centrifuga, la cual tiene un
movimiento de rotación constante y rápido, lográndose que las partículas de mayor
densidad, se vayan al fondo y las más livianas queden en la parte superior. . Para la
separación completa, puede realizarse posteriormente una filtración o decantación.
e- Imantación. Se fundamenta en la propiedad de algunos materiales de ser atraídos por
un imán. Los minerales con propiedades magnéticas muy marcadas, como la magnetita,
se concentran por medio de electroimanes que atraen el metal pero no la ganga.
f- Filtración. Es un tipo de separación mecánica, que sirve para separar sólidos
insolubles de grano fino de un líquido en el cual se encuentran mezclados; este método
consiste en verter la mezcla a través de un medio poroso (filtro) que deje pasar el
líquido y retenga el sólido.
g- Destilación: Es el proceso mediante el cual se efectúa la separación de dos o más
líquidos miscibles y consiste en un a evaporación y condensación sucesivas,
aprovechando los diferentes puntos de ebullición de cada uno de los líquidos, también
se emplea para purificar un liquido eliminando sus impurezas., se emplea también en
etapas posteriores de refinado en diversos metales.
En la industria, la destilación se efectúa por medio de alambiques, que constan de
caldera o retorta, el refrigerante en forma de serpentín y el recolector
h- Flotación: Es hoy el método más importante de concentración mecánica. En su
forma más simple, es un proceso de gravedad modificado en el que el mineral metálico
finamente triturado se mezcla con un líquido. El metal o compuesto metálico suele
flotar, mientras que la ganga se va al fondo. En algunos casos ocurre lo contrario. En la
mayoría de los procesos de flotación modernos se emplean aceites u otros agentes
tensioactivos para ayudar a flotar al metal o a la ganga. Esto permite que floten en agua
sustancias de cierto peso. Se utiliza por ejemplo en el proceso de obtención del Cu , en
el que se mezcla con agua un mineral finamente triturado que contiene sulfuro de cobre,
al que se le añaden pequeñas cantidades de aceite, ácido y otros reactivos de flotación.
Cuando se insufla aire en esta mezcla se forma una espuma en la superficie, que se
mezcla con el sulfuro pero no con la ganga. Esta última se va al fondo, y el sulfuro se
recoge de la espuma. El proceso de flotación ha permitido explotar muchos depósitos
minerales de baja concentración, e incluso residuos de plantas de procesado que utilizan
técnicas menos eficientes.
i- Decantación: Es la separación mecánica de un sólido de grano grueso, insoluble, en
un líquido; consiste en verter cuidadosamente el líquido, después de que se ha
sedimentado el sólido. Por este proceso se separan dos líquidos miscibles, de diferente
densidad, por ejemplo, agua y aceite
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j- Sinterización: Proceso en el que se aglomeran partículas finas de mineral., utilizando
un combustible, agua, aire y calor para fundir las partículas finas de mineral y
convertirlas en una masa porosa.
k- Sublimación: se emplea para separar un sólido volátil de otro no volátil Por
ejemplo, al calentar una mezcla sólida de yodo y arena, el primero volatiliza y puede
recuperarse colocando sobre la mezcla una superficie fría sobre la cual condensa el
vapor de yodo.
l- Lixiviación: (leaching) proceso hidrometalúrgico mediante el cual se provoca la
disolución de un elemento desde el mineral que lo contiene para ser recuperado en
etapas posteriores mediante electrólisis. Este proceso se aplica a las rocas que contienen
minerales oxidados, ya que éstos son fácilmente atacables por los ácidos. En la
lixiviación del cobre se utiliza una solución de ácido sulfúrico.
m- Amalgamación: Es un proceso metalúrgico que utiliza mercurio para disolver plata
u oro formando una amalgama. Este sistema ha sido sustituido en gran medida por el
proceso con cianuro, en el que se disuelve oro o plata en disoluciones de cianuro de
sodio o potasio.
Ejemplo: Obtención de oro
El oro, se halla en la naturaleza en una
proporción bajísima, el 0,0000005 % en
peso. Es un metal de color amarillo
característico, blando (por ello suele
emplearse aleado con el cobre o con la
plata), muy dúctil y maleable, pues puede
reducirse a laminas de hasta una
diezmilésima de milímetro de espesor (pan
de oro).
El oro se presenta en la naturaleza bajo
formas diversas: en filones de rocas
auríferas, asociado a otros metales (por
ejemplo el cobre) y en forma de polvo o de
gránulos
redondeados
o
achatados
conocidos como pepitas; en depósitos de
arena y lechos fluviales (placeres
auríferos).
Para extraer el metal que se encuentra en
dichos depósitos se procede en primer lugar
al lavado (levigación) y cribado de las
tierras con un tamiz para separar las
partículas del metal precioso. Luego estas
son sometidas a diversos procesos (por lo
general, amalgamación con mercurio y posterior destilación de la amalgama) hasta
obtener oro puro o bien, a la cloruración o a la cianuración. Mediante la lixiviación con
estos disolventes, se obtiene cloruro de oro y aurocianuro de sodio respectivamente, de
los cuales a su vez se obtiene oro puro.
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En todo proceso metalúrgico, generalmente interesa que el mineral se encuentre en
forma de óxido. Si la mena ya es un óxido, entonces, una vez concentrada, puede pasar
directamente al proceso de reducción, en caso contrario, habrá que transformar el
mineral en el óxido metálico correspondiente, esto se consigue mediante los procesos de
tostación o calcinación:
Tostación : El proceso consisten calentar la mena concentrada en una corriente de aire,
con lo cual se transforman los sulfuros en óxidos y se eliminan elementos como ( S, As ,
Sb, Se..) , fácilmente oxidables y volátiles.
En el proceso el azufre se combina con el oxígeno del aire para formar dióxido de
azufre gaseoso, y también resulta un óxido metálico. Los óxidos se reducen después por
fundición.
2 PbS + 3O2
2 ZnS + 3O2
2 PbO + 2 SO2
2 ZnO + 2SO2
Calcinación: Proceso que consiste en calentar un mineral (Carbonato o hidróxido) ,
para conseguir su descomposición en el óxido correspondiente.
Los carbonatos metálicos se tratan mediante calcinación, calentándolos hasta una
temperatura por debajo del punto de fusión del metal, en el proceso se desprende
dióxido de carbono, y queda un óxido metálico.
Los óxidos se reducen después por fundición.
CaCO3
CaO + CO2
ZnCO3
ZnO + CO2
2 Fe(OH)3
Fe2 O3 + 3H O2
Reducción: Cuando el mineral se encuentra ya en forma de óxido se procede a su
reducción con objeto de obtener el metal en estado libre. Esta se efectúa en hornos
especiales donde el óxido metálico se quema con carbón de cok,, para que el CO
producido por la combustión incompleta del cok, reduzca el óxido a metal libre.
Fe2O3 + 3CO
2 Fe + 3 CO2
Como la mena nunca se encuentra totalmente purificada, y con objeto de que la ganga
no influya en el proceso, se añaden ciertas sustancias, fundentes, que se combinan
formando escorias fusibles, que se separan fácilmente del metal .La reducción puede
realizarse también por métodos electrolíticos como en el caso del Al.
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2- AFINO DEL METAL BRUTO
Los metales en bruto, tal como salen de los hornos , contienen impurezas (escorias,
óxidos , sulfuros, metales extraños, gases disueltos), procedentes de la mena, del
fundente, del reductor, del refractario del horno y de la atmósfera que les rodea, estas
impurezas comunican características indeseables para determinados usos siendo
necesario someterlos a un proceso de afino, que varia según la naturaleza del metal y de
las impurezas . Pueden considerarse los siguientes procesos generales de afino
a- Licuación: Se aprovecha la diferencia de temperatura de fusión entre el metal y las
impurezas. Así los metales fácilmente fusibles ( Pb, Sn , Sb…) , se separan del
metal y sus impurezas volviéndolos a fundir en presencia de fundentes adecuados.
b- Destilación: Se aprovecha la diferencia de temperatura de ebullición entre el metal
y sus impurezas. Así se afinan los metales volátiles ( Zn, Cd y Hg)
c- Oxidación: Se basa en la mayor afinidad del oxigeno para combinarse con las
impurezas que van con el metal. Para ello se hace pasar una corriente de aire o de
oxigeno a través del metal fundido en hornos adecuados. EL oxigeno se combina
con las impurezas y las transforma en óxidos, éstos flotan en la superficie como
espuma o se combinan con los fundentes para dar escorias. Así se afina la plata,
también el arrabio en el convertidor.
d- Electrolisis: Con este proceso se consigue un grado de pureza del 99,999%.
El proceso consiste en colocar un metal impuro como ánodo de una cuba
electrolítica, como electrolito una solución de una sal del metal y como cátodo una
lámina delgada del mismo metal puro. Al pasar la corriente eléctrica, se consigue
depositar en el cátodo el metal puro y disolver el ánodo impuro. Las impurezas
quedan depositadas en el ánodo. El cobre, el níquel, el cinc, la plata y el oro son
varios ejemplos de metales refinados por deposición a partir de disoluciones
acuosas. El aluminio, el bario, el calcio, el magnesio, el berilio, el potasio y el sodio
se procesan en hornos electrolíticos.
MINERAL
TRITURACIÓN
MOLIENDA
GANGA
SEPARACIÓN
DE LA GANGA
LEVIGACIÓN
FLOTACIÓN…
FUNDENTE
TOSTACIÓN
CALCINACIÓN E
LA MENA PARA
OBTENER
ÓXIDOS
REDUCCIÓN
DEL OXIDO DE
METAL PARA
OBTENER EL
METAL LIBRE
ESCORIA
ELECTROLISIS
AFINO DEL
METAL
METAL 99,999%