cidead. tecnología industrial i. tercera evaluación. tema ... · el tratamiento de los ceros y...

CIDEAD. Tecnología Industrial I. Tercera Evaluación.Tema 17 .- Los materiales metálicos

Desarrollo del tema:

1. Los metales y sus propiedades.

2. Los metales ferrosos : los aceros.

3. El alto horno y los productos siderúrgicos.

4. Hornos de afinado.

5. El tratamiento de los ceros y los aceros especiales.

6. La metalurgia. Procesos metalúrgicos

7. El aluminio y el cobre.

8. El plomo, estaño y otros metales.

1


1. Los metales y sus propiedades.La corteza terrestre, con un grosor medio de 30 Km, está compuesta básicamente por silicio

y aluminio. El hierro (Fe) se encuentra en una proporción del 5.01 % en peso y los restantes metalesque tienen importancia tecnológica, se encuentran combinados con otros elementos formando losminerales, en unas proporciones muy pequeñas. En un yacimiento mineral, hay que distinguir lamena, formada por el elemento metálico, combinado con otros elementos, y la ganga, que es elmaterial inservible.

La rentabilidad de un yacimiento depende de la riqueza del metal, de la ley de oferta ydemanda del mercado y de los avances tecnológicos utilizados para su extracción. La siderurgia esel conjunto de técnicas que permiten obtener hierro o acero de sus minerales. La metalurgia son lastécnicas que permiten obtener los metales, distintos del hierro, a partir de sus minerales.

Desde el punto de vista químico, un metal es toda especie química que se presenta en estadosólido, encontrándose en forma de óxido, sulfuro o hidróxido y presenta reacción básica.

Las propiedades fundamentales de los metales son:

1. Propiedades mecánicas. Las principales son:a. La resistencia a la rotura.- Es la resistencia a romperse por la acción de fuerzas externas.Las fuerzas externas pueden ser de tracción, compresión o de cizalla.b. Deformabilidad.- La deformación puede ser elástica, plástica, crítica y frágilc. Tenacidad.- Indica la cohesión de las moléculas. Los metales son tenaces.d. Dureza.- Se opone a ser rayado o deformado superficialmente.e. Soldabilidad.- Propiedad de unión entre piezas metálicas al conseguirse su punto defusión. La soldadura puede ser autógena o eléctrica.

2. Propiedades eléctricas.- Son buenos conductores de la electricidad por tener un enlacemetálico, permitiendo la circulación de los electrones sin apenas resistencia. La resistividadde estos materiales es muy pequeña.

3. Propiedades térmicas.- Los metales son buenos conductores del calor y se dilatan por laacción de éste.

4. Propiedades químicas.- En este punto hay que tener en cuenta la diferencia entreoxidación y corrosión.a. La oxidación es proceso químico por medio del cual, las sustancias ceden electrones:

Me + O2 Me OLos metales se combina fácilmente con el oxígeno para formar los óxidos correspondientes.

En ocasiones, la capa de óxido depositada, permite proteger al metal contra la ulterior oxidación.b. Corrosión. La corrosión es la acción que ejercen los diversos agentes externos sobre la

superficie de los metales. En la corrosión, la oxidación continúa en todo el metal, facilitándose esteproceso con la presencia del agua, que proporciona el medio de reacción y actúa como catalizador.Para evitar la corrosión, se procede a la pintura del material metálico y evitar los pares galvánicos,utilizándose barras de sacrificio y la utilización de aleaciones anticorrosivas.

2. Los metales ferrosos : los aceros.

2


El acero es hierro con un contenido en carbono comprendido entre 0.05 y el 1.7 % . Ademasdel hierro y el carbono, el acero contiene siempre pequeñas cantidades de silicio y manganeso, quelo confiere buenas cualidades y también fósforo y azufre, que lo perjudican. Al acero se sueleañadir otros metales, como son el cromo, el níquel, el wolframio, vanadio, titanio, etc , que mejorannotablemente su propiedades tecnológicas.

El acero es el principal producto siderúrgico, dedicándose para su obtención el 80 % delhierro colado que se extrae del alto horno. Los aceros pueden ser: al carbono y los acerosespeciales.

Los aceros al carbono contienen únicamente hierro y carbono. Se utilizan para la fabricaciónde hilos finos y alambres, al ser muy dúctiles. También son maleables y fáciles de soldar. Se utilizanen la fabricación de piezas y elementos mecánicos de mediana resistencia .

Si el contenido en carbono oscila entre 0.05 y 0.30, se denominan extrasuave y suave y seutiliza para fabricar tornillos y puntas. Los aceros suaves y semiduros ( contenido en carbono entre0.30 y 0.60 %) se utilizan para la fabricación de hachas, martillos y clavos. Los aceros más duros,que oscila su contenido en carbono entre 0.6 y el 1.7 %, se utilizan para fabricar formones, brocas yherramientas de corte.

Los aceros especiales se obtienen como resultado de la aleación con otros metales,modificando alguna de las propiedades y dotándoles de nuevas. En los hornos de acero, se puedenincorporar cantidades de níquel y cromo que mejoran sus propiedades de resistencia a la corrosión ya la oxidación. El níquel en poca cantidad (de 0 a 5 %), mejora el temple y las característicasmecánicas del acero y, en gran cantidad, hasta el 50 %, favorece la resistencia a la corrosión.

El cromo del 1.1 al 6 %, produce efectos parecidos al níquel y del 10 al 20 %, el acero sevuelve inoxidable. En proporciones del 25%, el acero se vuelve refractario. El manganeso, al 2%,favorece el temple y al 13 % proporciona una notable resistencia al choque y al desgaste. Elwolframio hasta el 18 %, forma unos aceros duros y posee una resistencia al desgaste.

El siguiente diagrama representa el diagrama de fase Líquido-sólido de la metalurgia delhierro:

3


3. El alto horno y los productos siderúrgicos.

El alto horno es uno especial en donde tiene lugar la fusión de los minerales de hierro y latransformación química en hierro metálico. Está formado por dos troncos de cono, unidos por labase mayor , siendo el superior de altura mayor que el tronco inferior. La altura total es de 20 a 30m. y de 4 a 9 m. de diámetro. La capacidad de producción suele ser de 500 a 1500 toneladas diarias.La estructura del horno es de acero, revestido interiormente con material refractario con un sistemade enfriamiento.

Un alto horno, posee tres partes fundamentales:1. La cuba, que tiene forma troncocónica, es la parte superior del alto horno. Por la zona másalta y estrecha, denominada boca y se introduce la carga compuesta por:a. El mineral de hierro, que puede ser de hematites y limonita (óxido férrico), magnetita( óxido ferroso-férrico) y la siderita (carbonato).b. El combustible, formado por coque, producto obtenido de la destilación del carbón dehulla de gran poder calorífico y pobre en cenizas. En la actualidad cada vez se utilizan máslos altos hornos.c. El fundente, sirve para disminuir el punto de fusión de la mezcla. Puede ser calcárea o dearcilla, dependiendo de la naturaleza de la ganga del mineral (ácida o básica). El fundente seasocia con la ganga para formar la escoria.2. El etalaje. Posee forma troncocónica. Se produce una disminución notable del volumen,como consecuencia de las transformaciones químicas que tienen lugar en él.3. El crisol, es un cilindro de gran capacidad, que recoge la fundición líquida, así como laescoria, que queda flotando en estado líquido.En la zona de unión del etalaje y el crisol, se insertan las toberas, que son unos tubos

mediante los cuales se inyectan una corriente de aire comprimido y previamente calentado el crisol.

4


Los productos resultantes de un alto horno son los siguientes:Los humos y los gases resultantes.- Son los gases producidos por la combustión del coque yen las reacciones del mineral de hierro. Estos gases se recogen en un colector en la partesuperior del alto horno. Están formados por vapor de agua, dióxido de carbono, monóxidode carbono, hidrógeno y óxidos de azufre. Estos gases se hacen pasar por unosintercambiadores de calor para calentar el aire utilizado en las toberas y para seraprovechados como combustible en la propia siderúrgica.La escoria.- Es un residuo metalúrgico que a veces adquiere la categoría de subproducto,utilizándose como material de construcción, bloques o como aislante de la humedad y en lafabricación de cementos especiales y vídrios. La composición es variable aunquepredominan los silicatos. A veces se añade la escoria a la carga del horno para recuperar elhierro que pueda contener.La fundición, hierro colado o arrabio. Es el producto que se obtiene del alto horno. Es hierrocon un contenido en carbono del 2 al 5 %

El carbono se encuentra dentro del hierro en tres formas diferentes: en estado libre, comocarbono grafito(Cβ), en estado combinado, formando carburo de hierro Fe C3 (cementita) o disuelto.

A partir del Arrabio, se obtienen todos los demás productos como son el acero y lasfundiciones.

Dentro del alto horno existen determinadas zonas que ejercen funciones específicas. Estasson las siguientes:

1. Zona 1, es la zona por donde se cargan los materiales ( mineral de hierro, fundente,coque,etc).

2. Zona 2, es la zona por donde salen los gases residuales; se encuentra en la parteinferior de la zona de carga.

3. Zona 3 , es la zona de deshidratación. A una temperatura cercana a los 400ºC, seelimina el agua.

4. Zona 4, es la zona de reducción indirecta. La temperatura utilizada es de los 400 a700º C. El oxigeno que contiene aire caliente inyectado por las toberas, procede aoxidar el carbón de coque:

C + O2 C O2

C O2 + C 2 C O el monóxido de carbono es elreductor propiamente dicho y actúa como reductor del mineral de hierro.

3 Fe2 O3 + C O 2 Fe3 O4 + C O2

Fe3 O4 + C O 3 Fe O + C O2

Fe O + C O Fe + C O2

5. Zona 5, de reducción directa. En esta zona, la temperatura oscila entre los 700ºC ylos 1350ºC. Los procesos que tienen lugar son los siguientes:a. La reducción del mineral de hierro por el carbono directamente:

2 Fe2 O3 + 3 C 3 C O2 + 4 Fe Fe3 O4 + 2 C 2 C O2 + 3 Fe 2 Fe O + C C O2 + 2 Fe

5


b. El fundente ( carbonato de calcio) se descompone :

Ca C O3 Ca O + C O2

c. La ganga del mineral se combina con el óxido resultante y se forma la escoria:

Ca O + Si O2 Ca Si O3

En el siguiente esquema se puede visualizar las diferentes zonas que existen en unalto horno:

6. Zona 6 o de fusión . La temperatura está comprendida entre 1350 a 1550ºC . A estatemperatura el hierro se funde y se produce su carburación, obteniéndose lafundición o hierro colado.

7. Zona 7 o de combustión del coque. El proceso es básicamente térmico y es donde seefectúa la combustión del coque. La temperatura oscila entre 1550 y 1800º C

8. Zona 8 o de separación de la fundición y escoria. A causa de su menor densidad, la

6


escoria flota sobre el hierro colado. La escoria se recoge por la bigotera , mientrasque el arrabio se recoge por la piquera.

El arrabio prácticamente no se utiliza, puesto que sus propiedades mecánicas no son lasadecuadas. El arrabio se necesita someter a una serie de procesos para obtener las fundiciones y losaceros. Los productos obtenidos son:

Fundición de gris.- La fundición gris es hierro que contiene carbono en forma de grafito. Elcontenido en carbono es del 1.7 % . A veces su solidificación se realizan en lingotes,pudiendo ser sometidos a una nueva fusión.Fundición blanca.- La fundición blanca es hierro que contiene carbono en forma de carburode hierro. Este compuesto dota de una dureza extraordinaria pero una elevada fragilidad. Sucontenido en carbono es superior al 1.7 % . Se denomina fundición blanca porque sufractura presenta un color blanco brillante. Los aceros.- Ya se han estudiado en el epígrafe anterior.

7


4. Hornos de afinado.

Los hornos de afinado o mezcladores, tiene como finalidad el de transformar el hierrocolado o arrabio en acero.

Los más importantes son el convertidor Bessemer, el horno Martin-Siemens y el hornoeléctrico.

Convertidor Bessemer. Tiene forma de pera; es un horno de reverbero, permitiendo eliminarel mayor contenido de carbono por oxidación y eliminarlo en forma de dióxido de carbono.En este convertidor se realiza el siguiente proceso:En primer lugar se sitúa el convertidor en horizontal y se carga de arrabio . Después secoloca el horno en forma vertical insuflándose aire a presión o bien oxígeno puro por laparte inferior. Al pasar el aire o el oxígeno la masa fundida, recoge el carbono disuelto yotras impurezas, los oxida y los elimina en forma de óxidos; estas reacciones son altamenteexotérmicas, haciendo que la masa de arrabio permanezca fundida. Cuando comienzan asalir chispas de color blanco por la boca del convertidor, el proceso ha finalizado. Elmaterial que sale del convertidor es el llamado hierro dulce con un contenido de carbono del0.5 %; posteriormente se le añade la cantidad suficiente de carbono y otros elementosmetálicos, para obtener el acero.Una versión mejorada del Bessemer es el horno Thomas que en lugar de un revestimiento desílice, posee un revestimiento calizo, permitiendo la eliminación de las impurezas ácidas.

Horno Martin-Siemens. Es un horno alimentado por combustible gaseoso en el cual la llamaincide directamente sobre la masa metálica. Este horno carga con una mezcla de chatarra del60 % y el 40 % de fundición blanca. El desarrollo del proceso es lento pero tiene una

8


capacidad superior a los convertidores y los aceros obtenidos son más económicos y demejor calidad.

El horno eléctrico se caracteriza porque se alimenta con energía eléctrica. Según sea elcalentamiento los hornos eléctricos pueden ser de resistencia, de arco o de inducción.Los aceros obtenidos en estos hornos poseen una calidad extraordinaria .

5. El tratamiento de los ceros y los aceros especiales.

Una vez que se ha obtenido el acero en los hornos de afino, se somete a diferentestratamientos con objetos de mejorar sus propiedades y aplicaciones. Los tratamientos que se pueden

9


someter a los aceros son los siguientes:La laminación.- La laminación consiste en tratar los lingotes de acero , en caliente o en frio,entre unos rodillos que los van aplastando y alargando, de acuerdo a unos determinadosgrosores y medidas.

Forjado.- El forjado consiste en moldear el acero en caliente, ya sea mediante golpes con unmartillo o por presión, con la ayuda de una prensa o martinete. Tratamientos térmicos .- Estos tratamientos son procesos de calentamiento y enfriamientoque modifican la estructura cristalina del acero y tienen por finalidad conseguir una mejorade sus propiedades mecánicas. Los tratamientos térmicos pueden ser: de normalización,temple, el revenido y el recocido.Tratamientos superficiales. Los tratamientos superficiales pueden ser de dos tipos: porpenetración y por recubrimiento. Por penetración pueden ser por cementación (introduciendo carbono) y por nitruración(introduciendo nitrógeno).El tratamiento superficial por recubrimiento consiste en añadir una capa fina de otro metalmás resistentes a la corrosión. El tratamiento superficial se puede realizar por electrolisis,como en los cromados, niquelados y galvanizados, y por inmersión, sumergiendo el acero enun baño de metal fundido, es el proceso de estañado.

Los aceros especiales se forman cuando el acero se alean con determinados metales comoson el cromo, el manganeso, el níquel, el molibdeno, el vanadio y el wolframio.

El cromo.- Se obtiene de la cromita, que es el cromato de hierro. Es un metal blanco,ligeramente azulado, algo más pesado que el hierro y muy resistente al calor. Funde a1600ºC. Las aleaciones ricas en cromo, como el ferrocromo y el cuprocromo, conseguidospor aluminotermia o en horno eléctrico, sirven para obtener los aceros de su nombre.El manganeso se encuentra sobre todo en la pirolusita, que es un mineral de aspecto terrosoy oscuro. Es un metal de color y brillo acerados, muy refractario, bastante pesado y formanumerosas aleaciones. En pequeña proporción se encuentra formando parte de la mayoría delos aceros que le da tenacidad y elasticidad.Níquel. Las menas del níquel son la pentlandita, la garnierita, la niquelina y la blenda deniquel. Es un mineral blanco y brillante, muy duro, magnético, un poco más pesado que elhierro y es destinado a la fabricación de las aleaciones. Las propiedades mecánicas sonparecidas a las de hierro; posee una gran resistencia a la tracción y en los aceros inoxidables,en los que intervienen junto al cromo.Molibdeno.- Se encuentra en la vulfenita y su mineral más importante es la molibdenita, que

10


es un sulfuro de molibdeno. Es un metal de color y brillo similar al plomo, pesado yquebradizo, difícil de fundir. Se utiliza principalmente en la siderúrgica, que se utilizamezclando con el acero , mezclado en pequeñas proporciones consigue un aumento en latenacidad.Vanadio. Aunque es un metal muy abundante en la corteza terrestre, solamente se puedeobtener de la patronita (sulfuro de vanadio) , de la vanadinita(clorovanadato de plomo) o dela carnotita. Es un polvo gris , es muy escaso utilizándose en la preparación de lasaleaciones, en el caso de la siderúrgica aumenta la resistencia mecánica en los aceros .Wolframio. Se denomina también tungsteno. El mineral de donde se extrae es el wolframatode hierro, calcio y magnesio. En el año 1781se aisló de un mineral blanco denominadotugsteno, el ácido wolfrámico. En España, en el año 1949, de la wolframita (mineral decolor ocre), se extrajo el wolframio; desde entonces el nombre internacional dado para esteelemento es la de wolframio. Es un mineral de color gris acerado, muy duro y pesado; funde a temperaturas muy elevadasy mantiene su brillo cuando se oxida al aire. Antiguamente se utilizaba para la construcciónde los filamentos en las lámparas de incandescencia. En la actualidad,más del 90 % de suproducción se utiliza para la obtención de los aceros especiales , destinados a la fabricaciónde herramientas de corte, planchas de blindaje y proyectiles. También se utiliza en laformación de la aleación ferrovolframio.

En la siguiente tabla aparecen las aleaciones más importantes y sus propiedades:

11


Los aceros poseen determinada denominación, según sea su composición y sus propiedades.Dada la gran cantidad de ellos, es necesario establecer una normativa general dedenominación de los aceros comerciales. Según esto el código establecido es el siguiente:

1. Inicialmente todos los aceros se les anteponen la letra F, seguida de un guión y decuatro cifras.

2. La primera cifra indica el gran grupo de los aceros según sus criterios de utilización.

3. La segunda cifra indica los subgrupos que tienen características similares.

4. La 3ª y 4ª cifra indican el número de orden que ocupa dentro del subgrupo.

Como ejemplo de tallaremos los siguientes:

F-1000 Son aceros utilizados en la construcción.F-2000 Son aceros destinados para usos especiales.F-3000 Son aceros inoxidables, que resisten la oxidación y la corrosión.F-4000 Son aceros de alta resistencia.F-5000 Son aceros destinados para la fabricación de herramientas.F-6000 Son aceros de uso general.F-7000 Son aceros utilizados para preparar moldes.F-8000 Son aceros para moldear y para fundidos.F-9000 Son aleaciones férreas especiales.

Los subgrupos que se pueden formar son por ejemplo:

F-1100 Aceros ordinarios para piezas corrientes.F-1300 Aceros muy resistentes para cargas grandes.F-1400 Aceros de gran elasticidad usados en moldes.F-2100 Aceros de fácil mecanizado utilizados en la fabricación de piezas.F-2200 Aceros de fácil soldadura.F-2300 Aceros magnéticos para imanes y electroimanes.F-3100 Aceros inoxidables.F-3200 Aceros utilizados en la fabricación de las válvulas de los motores de explosión.F-3300 Aceros refractarios que son resistentes al calor.F-5100 Aceros al carbono para la fabricación de herramientas comunes.F-5500 Aceros rápidos usados en las herramientas de corte, por ejemplo las brocas (HSS) F-6100 Aceros usados para la fabricación de barras corrugadas usadas en hormigón armadoF-6110 Aceros comunes para fabricar tubos y chapas.

En la siguiente tabla se expone un elenco de aceros comerciales con su asignación ypropiedades.

12


13


6. La metalurgia. Procesos metalúrgicos

La metalurgia es el proceso de extracción y la elaboración de los metales. Esta operación selleva a cabo para obtener los metales a partir de sus minerales. Estos minerales se presentan encombinaciones químicas determinadas, constituyendo la mena y al mismo tiempo se acompaña deotras sustancias estériles, que recibe el nombre de ganga. Las operaciones metalúrgicas consiste enprimer término de la separación de la mena y la ganga por trituración, molienda o sintetización yclasificación, la concentración, el secado y otras operaciones como el transporte, elalmacenamiento, mezcla, etc.

El esquema general metalúrgico es el siguiente:

1.Separación de la mena y la ganga, mediante:a. La trituración y molienda , utilizándose trituradoras rotativas o de mandíbulas. Se sueleutilizar material seco o disuelto en agua con el fin de reducir el tamaño del mineral. En unasegunda fase, se somete el mineral resultante a nuevas trituradoras cilíndricas o de cono .Posteriormente se recurre a la molienda para obtener el mineral en forma de grano o polvo.Los molinos utilizados son el de Raymond o los rotativos.b. La clasificación se realiza usando tamices específicos. Estos tamices son de vibración ode vaivén y permite homogeneizar el tamaño. Se suele utilizar, también un método declasificación hidrodinámica consiguiendo la estratificación por el tamaño.c. La separación de la mena y la ganga. Se consigue mediante la flotación, usando materialesespesantes o floculantes y por separación magnética ya que la mena ferromagnética oparamagnética es atraída por el campo magnético, en tanto que la ganga, diamagnética esrepelida por éste.

2. Obtención del metal de la mena.Este procedimiento consiste en reducir el metal, que se encuentra oxidado, formando óxidoso sulfuros, hasta el estado metálico.

Para la obtención del cobre, se recurre primeramente a la tostación de la pirita:Cu S + 3/2 O2 Cu O + S O2

2Cu O + C 2 Cu + C O2

En ocasiones, en lugar de una reducción química, se recurre a una reducción eléctrolítica,como es el caso de la obtención del aluminio, en donde a partir del óxido de aluminio Al2 O3 ocriolita, conseguimos en el cátodo la reducción del aluminio.

Otros procesos químicos utilizados ara la obtención de los metales, es la utilización delaluminio como reactivo inicial, en las reacciones, fuertemente exotérmicas y que reciben el nombrede aluminotérmia:

Cr2 O3 + 2 Al 2 Cr + Al2 O3

3. La elaboración del meta. Una vez obtenido de una forma fundida el metal, se solidifica en

14


lingotes y se somete a las siguientes operaciones:a. La forja.- Es el trabajo con el metal mediante el golpeo, se puede realizar en caliente o enfrío.b. La laminación.- Consiste en hacer pasar una pieza entre una serie de cilindros giratoriospara obtener láminas de diferente espesor. El conjunto de elementos recibe el nombre de trende laminación. Hay trenes para realizar perfiles, tubos, etc. c. Trefilado .- permite la fabricación de filamentos de diferente diámetro d. El moldeado por fundición.- Se funde el lingote del metal y se rellena un molde dondedespués se solidifica obteniéndose la forma deseada. Los moldes pueden ser de arcilla, dearena, de cera, de metal.d. El mecanizado.- Los tamaños finales de las piezas metálicas se obtienen mediante elmecanizado posterior que consiste en el corte, la unión de las piezas, su desbastado, etc.Todas estas operaciones se realizan gracias a la utilización de las diferentes máquinasherramientas, como son la taladradora, el torno, la fresadora, la limadora, la rectificadora,etc.

7. El aluminio y el cobre.

El aluminio es uno de los elementos más abundantes de la naturaleza, en concreto, el terceroen abundancia, detrás del oxígeno y del silicio. Los silicatos de aluminio están muy presentes en lanaturaleza, combinados con óxidos alcalinos o con calizas como feldespatos, mica, arcillas ozeolitas. Representa el 8.5 % en peso de la corteza terrestre . Tiene una densidad de 2.7 gr /cm3 y esun metal blanco brillante con un PF. Relativamente bajo (660ºC) y un punto de ebulliciónalto(2400ºC). La conductividad eléctrica es el 60 % la del cobre y la conductividad térmica la tieneelevada.

Es un metal ligero, dúctil y maleable, que se puede moldear fácilmente por fusión. Se puedeforjar, batir o prensar entro los 100 y 150ºC. Resiste muy bien la corrosión, ya que se recubre de unafina capa de óxido muy compacta y adherente.

De todos los minerales de aluminio, el único que se emplea para su obtención es la bauxita.El proceso metálurgico que tiene lugar, recibe el nombre de método Bayer. Este método consiste endos fases:

Fase 1.- Separación de la alúmina.

En esta fase se hace reaccionar el hidróxido de aluminio con sosa concentrada y aelevadas temperaturas para que el equilibrio de la reacción (que es endotérmica) sedesplace hacia la derecha:

Al ( O H )3 + Na OH Na Al O2 + 2 H2 O

El aluminato sódico es soluble en agua, en tanto que las impurezas que acompañan ala bauxita no lo son. En este momento se produce la filtración y una vez puro el aluminato sódico,se diluye la solución y disminuimos la temperatura, desplazándose la reacción anterior a laizquierda(flecha con trazos).

El hidróxido de aluminio lo sometemos a calcinación para obtener la alúmina:

15


Δ 2 Al (O H)3 Al2 O3 + 3 H2 O

Fase 2.- Obtención del aluminio mediante reducción electrolítica. Para ello se añade,

además de la alúmina, criolita (Na3 Al F6 ) y Al F3 utilizados como fundentes. El procesoelectrolítico se realiza en una cuba de acero cuyos electrodos (Ánodos) son de carbono C.El proceso electrolítico es el siguiente :

2 Al2 O3 + 3 C 4 Al + 3 C O2

El aluminio se deposita en el fondo de la cuba. El esquema del proceso es elsiguiente:

El aluminio puede formar diferentes aleaciones con el Cd, Cu, Zn, Mg, Mn, Ni, Fe, Ti o Cr quemejoran sensiblemente sus propiedades mecánicas, su resistencia a la corrosión, a la fatiga y a laductibilidad. El aluminio por su baja densidad se utiliza en la industria aeronáutica, por su buenaconductividad eléctrica, como conductores en las líneas de alta tensión; por su resistencia a lacorrosión, se utilizan como envases de latas de refrescos y cerveza; se utiliza en la industriametalúrgica para la obtención de otros metales, mediante la aluminotermia.

El Cobre es uno de los metales no ferrosos de mayor utilidad. En la naturaleza se encuentraformando diferentes minerales unido al azufre o formando óxidos . Así se encuentra la calcosinaque es un sulfuro de cobre o la calcopirita, sulfuro de cobre y hierro.

16


El cobre es un metal de color rojo terroso, con una densidad de 8.9 gr/cm3 . Su PF es de1083 ºC y es muy dúctil y maleable; posee una gran conductividad térmica y eléctrica , utilizándosepara la fabricación de hilos conductores y en calderas o intercambiadores de calor. Es resistente a lacorrosión atmosférica formando una sal de carbonáto básico de cobre, de color verdeazulado que loprotege. No se deben utilizar recipientes de cobre para conservar los alimentos, ya que los ácidosorgánicos lo atacan formando sales venenosas para el organismo. Es un metal que se recupera muybien de la chatarra o de sus aleaciones.

Para obtener el cobre, se utilizan dos procedimientos:a. Por via seca.- Se utilizan en aquellos minerales que la riqueza de cobre se superior

al 15 %. es la más utilizada.b. Por vía húmeda, cuando el contenido de cobre en los minerales de partida es del

3%.

La obtención del cobre por vía seca consta de los siguientes pasos:1. Trituración del mineral mediante trituradoras especiales. Posteriormente se somete a un

cribado para que los trozos más grandes se vuelven a someter a trituración.2. Pulverización del mineral, utilizando molinos de bolas de aceros.3. Eliminación de la ganga por precipitación en un recipiente con agua y sustancias espesantes

para flotar la mena de cobre.4. Tostación parcial para la eliminación del hierro que acompaña a la mena por oxidación. La

mezcla obtenida está formada por óxidos de hierro, sulfuros de cobre y hierro, algo de óxidode cobre y resto de ganga.

5. Formación de la mata.- La masa anterior se funde a 1100ºC para que los óxidos de hiero secombine con la sílice y la cal de la ganga separándolo en la escoria formando silicatoscomplejos de hierro y calcio. El residuo inferior formado por sulfuro de cobre(I) y sulfurode hierro(II), recibe el nombre de mata . El contenido de cobre es de 25 al 45% de cobre.

6. Oxidación de la mata. La mata fundida se vierte , junto con la sílice, en un cnvertidor y seinsufla una corriente de aire que oxida al azufre y al hierro. El óxido de hierro se une a lasílice formando la escoria, que se elimina inclinando el convertidor. También los óxidosvolátiles se eliminan junto con el aire.El proceso termina cuando comienza a oxidarse el cobre, momento que se extrae delconvertidor y se deja solidificar (cobre blister) . Las reacciones químicas son:

2 Cu2 S + 3 O2 2 Cu2 O + 2 S O2

2 Cu2 O + Cu2 S S O2 + 6 CuSe llama cobre blister por las burbujas de dióxido de azufre que lleva ocluido.

7. Refino del cobre.- Se eleva la riqueza del cobre hasta el 99.5 % . Puede hacerse en horno dereverbero o electrolíticamente.

El horno de reverbero permite fundir el cobre a 1150 º C en atmósfera oxidante paraeliminar las impurezas en forma de óxidos y a continuación se introduce troncos de madera verdepara que con dicho calor eliminase los hidrocarburos e hidrógeno que al introducirse por la masafundida, reducen el óxido de cobre al cobre.

17


El refino electrolítico, los lingotes de cobre se colocan como ánodos de una cubaelectrolítica que contiene una disolución de sulfato de cobre, acidulada con ácido sulfúrico. Loscátodos de barra de cobre recubiertas de carbono grafito, intercalándose con el ánodo . Con unatensión apropiada, el cobre del ánodo y se precipitaba en el cátodo; las impurezas metálicas queacompañan al cobre pueden actuar en dos casos: 1º los metales menos nobles se disuelven y quedanen disolución(Fe, Zn, etc) ; 2º los metales más nobles (Ag, Au, Pt) se depositan en el fondo de lacuba formando barros anódicos, de las que se pueden recuperar dichos metales.

b. El procedimiento por vía húmeda, consiste en disolver el mineral triturado en ácidosulfúrico y sulfato de hierro(III). Éste reactivo oxida el sulfuro de cobre(I) a sulfato de cobre (II) .El hierro del mineral, reduce el Cu2+ a Cu. La reacción es la siguiente:

Cu S O4 + Fe Fe S O4 + Cu

La riqueza de cobre es del 80 %.El procedimiento de obtención de cobre por vía seca se resume en el siguiente cuadro:

18


El cobre forma aleaciones como el latón (70% Cu y 30 % Zn) o el bronce (80 Cu y 20 % Sn). Debronce se fabrican campanas, esculturas, engranajes, hélices de barco, etc; de latón se fabricanpomos, bisagras, instrumentos musicales, casquillos de lámparas, grifos, etc.

De cobre se fabrica hilos conductores de corriente eléctrica, tuberías de agua, de gas, enmotores, transformadores, fabricación de serpentines en las calderas de calefacción , en losradiadores de los coches, puntas de soldadores, etc.

8. El plomo, estaño y otros metales.

El plomo (Pb) es un metal gris azulado, blando, maleable, poco tenaz. Es el más pesado delos metales utilizables, con densidad de 11.35 gr/cm3. Su temperatura de fusión es de 327.5 º C . Elplomo se utiliza actualmente para la elaboración de una pintura protectora de las construccionesmetálicas “minio” y elemento protector contra los rayos X y las radiaciones nucleares.

Conduce muy bien el calor y la electricidad. Como metal básico lo encontramos en lasbaterías de los coches y como aleación con estaño formando el hilo de estañar en la soldadurablanda.

Para obtener el plomo, utilizaremos la tostación del sulfuro del plomo (galena). A 800º Ctiene lugar las siguientes reacciones:

2 Pb S + 3 O2 2 Pb O + 2 S O2

2 C + O2 2 C O Pb O + C O Pb + C O2

El estaño (Sn) es un metal de color blanco azulado y brillante, muy parecido al plomo, algomás brillante; es inoxidable, muy maleable y blando. Su densidad es de 7.29 gr/cm3 y punto defusión de 232 ºC. Se obtiene de la casiterita (Sn O2 ).

Se utilza en las soldaduras blandas a causa de su bajo punto de fusión, se usa en la soldadurade componentes eléctricos y electrónicos aleado con el plomo o en conducciones de agua ycalefacción. Es inalterable al aire y a los ácidos orgánicos. Se suele recubrir el acero blando con unacapa de de estaño fino por las dos caras, constituyendo la hojalata, usada en las diferentes latas deconserva. También se utiliza para fabricar papel de estaño. Para obtener el estaño se recurre a lareducción pirometalúrgica de la casiterita, en un horno de reverbero, a la temperatura de 1200 –1300ºC , reduciéndose mediante carbón de coque:

Sn O2 + 2 C Sn + 2 C O

También se puede utilizar la hojalata para la recuperación electrolítica del estaño. Para ellose introduce la hojalata en una disolución de sosa, que disuelve al estaño. Posteriormente se obtieneel estaño por electrolisis.

Otros metales usados son el niquel, cobalto, wolframio, etc. Los metales nobles se caracterizan porque se encuentran en la naturaleza en estado natural ,

19


así como por su elevado precio. Los metales se denominan preciosos y se utiliza en joyería . Losmetales más utilizados son el oro, plata o platino.

El oro (Au) es un metal de color amarillo brillante muy dúctil y maleable. Su densidad es de19.3 gr /cm3 y su punto de fusión 1964ºC . Es un buen conductor del calor y la electricidad . No sealteran por la acción de los agentes atmosféricos . En la naturaleza se encuentra en estado metálicoy en pequeñas cantidades entre rocas de cuarzo, en los filones y en las arenas de ciertos ríos. Comoes antialérgico, se utiliza en medicina. En joyería, el oro se alea con el cobre, que aumenta su durezaLa proporción oro/cobre se expresa en quilates , hasta 24 quilates es oro puro. Un oro de 20 quilatesposee 20 partes de oro y 4 de cobre.

La plata (Ag) es un metal de color blanco brillante. Su densidad es de 10.6 gr/cm3 con puntode fusión de 954ºC. Se obtiene de las galenas argentíferas. Al contacto con el aire permaneceinalterable; conserva el brillo metálico, es maleable y dúctil. Para aumentar la dureza y disminuir eldesgaste, se suele alear con el cobre al 10%.

Es el metal que conduce el calor y la temperatura, se usa para fabricar conductores pequeñosy contactos de electrónica y electrotecnia. No se utiliza ya que es muy caro. Se utiliza en el campode la joyería y para elaborar películas, clichés, radiografías, etc. En las soldaduras de tuberías de gasse combina con estaño para mejorar su unión. Para abaratar los costes de los objetos plateados, seconstruyen en bronce y se cubren de una fina capa de plata electrolíticamente; es lo que se conocecomo alpaca o plata alemana.

El platino (Pt), es un color blanco azulado. Su densidad es muy alta : 19.3 gr/cm3, parecida ala del oro. Su punto de fusión es de 1770ºC . Se encuentra en estado metálico y en forma desulfuros.

Se utiliza para fabricar objetos de laboratorio debido a su estabilidad química. Se utilizatambién como catalizador de reacciones químicas de reducción orgánica. También se utiliza comocatalizador en la combustión de las gasolinas y para recubrir los contactos eléctricos de granfiabilidad como es el caso de los interruptores y contadores eléctricos, aunque se suele sustituir porel níquel. En medicina se usa para la fabricación de instrumentos y mecanismos relacionados con lacirugía.

Por su importancia actual se va a citar como último metal el titanio.

El titanio (Ti) Es un metal de color blanco plateado. Su densidad es de 4.5 gr/cm3 , con PF yPE de 1660ºC y 3287ºC respectivamente. Posee una alta resistencia mecánica y a la corrosión.

Se obtiene industrialmente de la ilmenita y del rutilo, por el proceso de Kroll. Se calienta lamena al rojo, añadiendo carbón como reductor y haciendo pasar cloro, formándose tetracloruro detitanio, reduciéndose, posteriormente con magnesio:

Ti O2 + 2 Cl2 + C Ti Cl4 + C O2

Ti Cl4 + 2 Mg Ti + 2 Mg Cl2 El titanio obtenido se calienta a 1000º C para eliminar el exceso de Mg y luego se purifica.

Cuando se reduce la ilmenita con carbón en horno eléctrico se obtiene ferrotitanio una

20


aleación que se emplea en soldadura y para obtener aceros especiales. El titanio se alea con el Al,Sn,. V o Mo .

Debido a su resistencia mecánica y a su baja densidad, se emplea como sustituto delaluminio y aleado con él y con el vanadio se utiliza en la fabricación de aviones y en las cápsulasaerospaciales y para la construcción de depósitos de agua salada.

21


22

cidead. tecnología industrial i. tercera evaluación. tema ... · el tratamiento de los ceros y...

Documents