Obtención y Tratamiento de Metales

Los metales se encuentran en los minerales obtenidos en los yacimientos mineros. Se presentan como óxidos, hidróxidos, ácidos, sulfuros, sulfatos y carbonatos.

Conceptos Fundamentales en la Minería

• Mena: Parte del mineral que contiene el metal deseado.
• Ganga: Parte no deseada del mineral.
• Enriquecimiento: Proceso de separar la mena de la ganga.

Técnicas y Procesos de Enriquecimiento

Procesos Físicos

• Trituración
• Molienda
• Tamizado
• Decantación
• Filtración
• Flotación

Procesos Químicos

• Tostación: Se calienta el mineral en presencia de aire. Con esto se consigue que los sulfuros se transformen en óxidos.
• Calcinación: Se calienta eliminando las sustancias volátiles.
• Oxidación: Se combina con O₂. Supone una pérdida de electrones.
• Reducción: Pierde O₂. Supone una ganancia de electrones.

Materiales Férricos: El Hierro

El hierro supone el 5% de la corteza terrestre, pero siempre se encuentra combinado. Se denomina materiales férricos a todos aquellos cuyo componente principal es el hierro. Constituyen el 90% de los materiales empleados en la industria, ya que el hierro proporciona resistencia y su obtención es relativamente barata.

Minerales de Hierro

Obtención del Hierro: El Alto Horno

La obtención del hierro se realiza en hornos especiales denominados altos hornos. Sus dimensiones típicas son de 10-14 m de diámetro por 30-80 m de altura.

Funcionamiento del Alto Horno

1. Carga: Por la parte superior del alto horno (tragante) se echan 2 tm de mineral, 1 tm de coque y 1/2 tm de fundente (caliza).
2. Calentamiento y Reducción: En la cuba se calienta el mineral de hierro, se elimina la humedad y se calcina (eliminación de elementos volátiles). La ganga reacciona con la caliza. El monóxido de carbono desprendido por la combustión del coque reacciona con los óxidos de hierro (reducción) y lo transforma en hierro metálico.
3. Obtención del Metal: Como resultado, el hierro se funde y fluye hacia la parte baja del alto horno. Flotando sobre él se encuentra la escoria (ganga + caliza), que se elimina a través de la bigotera.
4. Producto Inicial: El hierro obtenido se denomina arrabio o fundición de primera fusión. El arrabio contiene hierro + carbono (1,76-6,7%) + 0,5% de otros elementos.

Ahorro de Energía en la Reducción de Hierro

Es necesario el consumo de mucha energía. Las técnicas para reducir este consumo incluyen:

• Inyección de gases combustibles.
• Triturar el carbón de coque.
• Reducir la humedad del combustible.

Por cada 100ºC que se eleva el aire insuflado se ahorran 11 kg por tonelada de material. La sinterización del mineral también contribuye. Gracias a estas técnicas se ha reducido a la mitad el coque necesario por tonelada de arrabio obtenido.

Productos Siderúrgicos: Hierro, Fundición y Acero

Hierro Dulce (Hierro Forjado)

Características:

• Punto de fusión: 1535ºC.
• Peso específico: 7,9 g/cm³.
• Su % en carbono debe ser inferior al 0,1%, al igual que otras impurezas.
• Color plateado oscuro a negro azulado.
• Dúctil y maleable. Relativamente blando.
• Buen conductor, resistividad (0,13 Ω·mm²/m).
• Se magnetiza con facilidad y se oxida con facilidad (color anaranjado).
• Se puede forjar (Hierro forjado).
• Es poroso y presenta grietas internas, lo que impide su uso industrial.
• Se suelda con facilidad.

Fundición (Arrabio)

Es el material que se obtiene directamente de los altos hornos (arrabio o fundición de primera fusión).

Características:

• Es una aleación de Fe + C (1,76% y 6,67%) + aleantes.
• Color gris oscuro.
• Dura y quebradiza. No es dúctil ni maleable.
• No se puede forjar ni soldar con facilidad.
• No resiste grandes esfuerzos, poca tenacidad.
• Resiste bien los cambios bruscos de temperatura.
• Resistente al desgaste, la corrosión y las vibraciones.
• Solo es moldeable en caliente y tiene buena maquinabilidad.
• Aleantes comunes: Si (oxidación); Cr (corrosión y altas temperaturas); Cu (corrosión); Ni (oxidación).

Tipos de Fundición

1. Fundición Blanca: Alto % de Mn y velocidad de enfriamiento mayor. El C se combina formando carburo de hierro (Fe₃C) o cementita, lo que le proporciona dureza y fragilidad. Se mecanizan muy mal, por lo que se emplean para la obtención de aceros.
2. Fundición Gris: Alto % de Si y velocidad de enfriamiento lenta. El C cristaliza en grafito o perlita. Con un 4% de Carbono y 3% de Silicio se emplea en elementos moldeados que sufren pocos esfuerzos. Son fundiciones menos duras, pero resistentes a la corrosión y al desgaste.
3. Fundición Atruchada: Presenta características intermedias entre las blancas y las grises.
4. Fundiciones Aleadas: Contienen Fe + C y otro/s elemento/s. Se clasifican en Baja aleación (<5%) y Alta aleación (>5%).
5. Fundiciones Especiales: Se les somete a tratamientos para mejorar sus características (Ej: Fundición maleable: Fundición Blanca a la que se le somete a un recocido o maleabilización).

Acero

Se obtiene mediante un proceso denominado AFINO. Es una aleación de Fe + C (0,1% y 1,76%) + aleantes.

Características del Acero

Dependen de los materiales aleados, de los tratamientos térmicos y del % de Carbono.

• Alto % de Carbono: Eleva la dureza, la resistencia a la tracción, su fragilidad y reduce la ductilidad.
• Tratamientos térmicos: Templado (eleva la dureza); Recocido (baja la dureza); Revenido (eleva la tenacidad y elasticidad).
• Aleantes comunes: Si (Elasticidad y conductividad magnética); Mn (dureza y resistencia al desgaste); Cr (dureza, resistencia al calor, a la corrosión y al rozamiento); Ni (tenacidad y resistencia a la tracción y la corrosión); Mo y Va (dureza y resistencia al desgaste mecánico); W (tenaz y resistencia a la corrosión y al calor).

Clasificación de Aceros

• Aceros no aleados: <1% de aleantes.
• Aceros de baja aleación: Contienen 1-5% de otros aleantes aparte del C.
• Aceros de alta aleación: Contienen >5% de aleantes aparte del C.

Procesos de Obtención de Aceros (Afino)

Convertidor Bessemer y Thomas

Convertidor patentado por Henry Bessemer en 1855. Tarda entre 15-20 minutos en obtener hasta 8 Tm.

• Llenado: Se echa el arrabio fundido.
• Soplado: Se abre la entrada de aire y se mantiene la temperatura gracias a la oxidación.

Horno de Oxígeno (BOF)

Es el sistema más utilizado en la actualidad. En una hora se pueden obtener hasta 300 Tm de acero.

• Llenado: Se echa arrabio, fundente y se puede añadir chatarra.
• Soplado: Se introduce una lanza (refrigerada) que insufla oxígeno a 12 atmósferas de presión.

Horno de Siemens-Martín (Horno de Reverbero)

Se obtiene acero de modo continuo, tarda 12 horas en completar el proceso. En él se procesan hasta 400 Tm.

• Se echa arrabio, chatarra (≈70%) y mena de hierro, etc.
• Presenta mala calidad del producto y elevado consumo energético.

El acero obtenido se puede soldar, forjar y templar.

Hornos Eléctricos

Horno de Arco Eléctrico

Dentro del horno existen unos electrodos de carbón desde los que salta una chispa eléctrica, elevando la temperatura de la fundición hasta alcanzar los 3800ºC. Capacidad: 130 Tm.

Horno de Inducción (UHP)

El horno está rodeado por una bobina que, al pasar por ella una gran cantidad de corriente eléctrica, genera en el interior del metal fundido unas corrientes de Foucault, que elevan la temperatura de la fundición. Capacidad: 105 Tm en 111 minutos.

Ventajas de los Hornos Eléctricos

• Permiten un calentamiento rápido.
• Permiten un control total de la temperatura.
• Apenas existen gases.
• Se obtienen aceros especiales muy puros (aceros finos).

Inconvenientes de los Hornos Eléctricos

• Muy elevado el coste por el consumo de energía.
• Debido al coste, solo se emplea para el último afino y no para la obtención inicial del acero.

Tratamiento de la Colada

La colada es el nombre que recibe el acero fundido.

• Colada convencional: Se emplea para fabricar directamente productos acabados por moldeo.
• Vaciado en lingoteras: Se vierte en lingotes que posteriormente se refundirán para fabricar objetos.
• Colada continua: Se utilizan trenes de laminación para fabricar elementos homogéneos y de gran longitud.

Presentaciones Comerciales del Acero

• Palastro: Chapas laminadas de medidas que oscilan de 1×2 m a 3×3 m.
• Barras: Son barras más largas que anchas, macizas y de secciones variables. Si es redondo y de un diámetro < 5 mm: alambre. Si las pletinas son delgadas y de gran longitud: flejes.
• Perfiles: Piezas huecas de sección variables, cuya longitud oscila entre 5 y 12 m.

Tipos de Siderurgias

• Siderurgias integradas: Parten de los altos hornos. El coste energético del producto obtenido es el 25% del total.
• Siderurgias no integradas (acerías): No disponen de altos hornos; se parte de los productos obtenidos en ellos (lingotes, etc.). Se incrementa el coste energético del producto en un 10% más.

Impacto en el Cuerpo Humano de la Obtención de Hierro y Acero

• Neumoconiosis: Provocada por el polvo de los minerales de hierro.
• Exposición a altas temperaturas.

Metales No Férricos

Son todos aquellos metales que no tienen hierro en su composición. Son metales caros debido a:

• Baja concentración en las menas.
• Energía consumida para su obtención.
• Poca demanda.

Clasificación de los Metales No Férricos

Metales Pesados (Densidad > 5 g/cm³)

• Cu (latón y bronce), Pb, Zn, Cr, W, Sn, Ni, Hg, Co.

Metales Ligeros (2 g/cm³ < Densidad < 5 g/cm³)

• Al, Ti.

Metales Ultraligeros (Densidad < 2 g/cm³)

• Mg, Be.

Los más producidos son: Cu, Al, Sn, Zn.

Metales Importantes

Los metales son los elementos más abundantes de la tabla periódica. Los metales más importantes desde el punto de vista tecnológico son: Cu, Al, Pb, Sn, Zn, Ni, Cr, W, Hg, Ti, Mg, Be, Co.