TRABAJO DE NATURALEZA

LA FABRICACIÓN DE METALES A PARTIR DE MINERALES

LA FABRICACIÓN DE METALES A PARTIR DE MINERALES :

Índice :

• Introducción

• Historia de la metalurgia

• Los minerales en la metalurgia.

• La fabricación de algunos metales : Hierro, Plata, Cobre y Aluminio.

• Conclusión

Bibliografía :

Título : ENCLOPEDIA LARROUSSE

Editorial : Planeta

Tomos : 1, 5, 10, 13, 15 16

Fecha de edición : noviembre de 1984

Título : MINERALES BÁSICOS

Autor : Joan Astor Vignau

Editorial : EDUNSA

Colección : Cuadernos de naturaleza

Además conversaciones con mi tía, Neus Llovera, catedrática de Ciencias Naturales.

INTRODUCCIÓN :

Este trabajo trata sobre todo el proceso que se tiene que hacer para obtener los metales, los cuales son muy utilizados, hoy en día. A esto se le llama metalurgia. También hay información complementaria como la historia del metal o el lugar donde se encuentra el mineral. Algunos temas, debido a su complejidad, los he tenido que redactar tal como lo ponía en el libro. A lo mejor este trabajo es más largo de lo que se dijo, pero he creído necesario hacerlo más largo para hacerlo más completo.

HISTORIA DE LA METALURGIA :

Algunos metales y determinadas aleaciones eran ya conocidos y empleados desde la más remota antigüedad. El cobre, el oro y el hierro fueron empleados en épocas prehistóricas para la confección de armas, herramientas y adornos. La plata, el plomo, el mercurio, el antimonio y luego el estaño eran ya conocidos 5000 años antes de la era cristiana por los caldeos, los asirios y los egipcios. En la antigüedad griega y romana, el bronce y luego el latón se usaban con mucha frecuencia. Cabe recordar a los galos, célebres por sus trabajos de oro, y a los germanos, hábiles en la confección de armas de hierro y acero. En la edad media los procedimientos metalúrgicos evolucionaron muy poco. Durante el siglo XIII aparecieron los primeros altos hornos y la fundición. Durante los siglos XVI y XVII y parte del XVIII, se hizo célebre la primera industria siderúrgica española, con las famosas fargues ( forjas ) catalanas, situadas en los Pirineos y las ferrerías vascas. Fueron centros metalúrgicos de fama mundial. Actualmente todo esto ha evolucionado mucho, y ahora se hace de una manera más rápida y más eficaz. Aún y así, este sector está en plena decadencia ya que estos metales se están sustituyendo por otros como el plástico.

LOS MINERALES EN LA METALURGIA :

Aunque algunos metales como el oro, la plata, el platino y el cobre, se encuentran en estado nativo, la inmensa mayoría se encuentran en la naturaleza combinados formando compuestos, tales como óxidos, sulfuros, carbonatos, silicatos, cloruros , etc. Con frecuencia estos compuestos son verdaderas mezclas como el sulfuro doble de cobre y de hierro. En estos minerales el producto metálico está mezclado con productos estériles, que forman la ganga, y es preciso hacer una separación. Con esto quiero decir, que antes de todo tratamiento metalúrgico, el mineral, una vez extraído de la mina, se somete a las operaciones de lavado, aislamiento y concentración, mediante trituración, quebrantamiento, tría magnética, separación por lavado y ventilación o flotación en líquidos apropiados.

EL HIERRO :

Química : El hierro es el elemento químico de número atómico 26 y peso atómico Fe =55.85. Es un sólido grisáceo de densidad 7.85 que funde hacia 1530º C y hierve más allá de 3200º C. Antes de fundir se ablanda y se vuelve pastoso, lo cual permite labrarlo. Es dúctil, maleable, duro, y el más tenaz de los metales corrientes. Es también el principal de los metales magnéticos. Sin embargo, el aire húmedo ataca lentamente, formando herrumbre, óxido férrico hidratado. Como esta herrumbre es porosa, la corrosión profundiza y prosigue hasta la destrucción total del metal ; por lo tanto, es indispensable protegerlo para su uso.

Minerales de los cuales se extrae : El hierro es extraído de varios minerales entre ellos la pirita, la magnetita, la hematites y la siderita.

La pirita : Son agregados granulares o fibrosoradiados, informe y en masas compactas. Tiene un brillo metálico y raya de color negro verdoso. Es frágil y opaca. Además es muy poco magnética. Es del grupo de los sulfuros. En España hay yacimientos en Riotinto, Huelva , en Almadén, Ciudad Real y en la Rioja. También sirve para la obtención del ácido sulfúrico y sus sales.

La magnetita : Ésta es una masa compacta de grano grueso o fino, granos sueltos, agregados hojosos y también en cristales aislados o agrupados. En España hay bastantes yacimientos, como los de Cabo de Gata y Sierra Almagrera en Almería, El Pedroso en Sevilla, o el Figueró en Barcelona.

La hematites : Es normalmente terrosa. Se puede presentar en forma de cristales implantados, incluidos o agrupados en rosetas ( rosas de hierro ). Es del grupo de los óxidos. En España lo podemos encontrar en : Somorrostro, Vizcaya, en Hiendelaencina, Guadalajara y El Pedroso, en Sevilla. También podemos encontrar yacimientos en Sierra Almagrera, Almería, Jumilla, Murcia o Vall de Ribes, en Girona.

La siderita : Es una masa compacta espática de grano grueso o fino. Es del grupo de los carbonatos. En Catalunya la encontramos en Sant Llorenç de la Muga, Costabona y Bossot.

Historia de la metalurgia del hierro : En la prehistoria, el hierro se obtenía directamente del mineral, reduciéndolo en hornos bajos mediante carbón vegetal. El metal se obtenía en estado pastoso, y la escoria debía eliminarse en la forja. Durante la antigüedad y hasta la edad media, el procedimiento de obtención del hierro continuó siendo fundamentalmente el mismo : se utilizaba los hornos de cuba, la forja catalana y los hornos bajos. En el siglo XIV aparecieron los primeros hornos continuos para la producción de fundición líquida, que pueden considerarse los antecesores de los modernos altos hornos. El gran consumo de carbón vegetal en los procedimientos metalúrgicos, que dañaba considerablemente la riqueza forestal, hizo que los gobiernos de muchos países impusieran medidas restrictivas a su uso. Entonces el carbón vegetal fue sustituido por el carbón mineral, y, posteriormente, cuando se conoció su destilación, por el coque, 1735. A finales del siglo XVIII, el procedimiento del pudelado permitió la fabricación de hierro puro. En el siglo XX, este procedimiento ha sido sustituido gradualmente por los modernos procedimientos de fabricación de acero.

Clasificación y obtención de los hierros industriales : Los tipos de hierro utilizados industrialmente se clasifican según su modo de producción.

Hierro pudelado : Se obtiene por oxidación del arrabio líquido, con ayuda de una escoria ferruginosa, en el suelo de un horno de reverbero. Debido a la combustión del carbono, el hierro se presenta en estado pastoso, en forma de zamarras, que deben ser batidas para eliminar la escoria. Este procedimiento ha sido abandonado desde hace años.

Hierro forjado : Se elabora, partiendo de minerales muy puros, por vía pastosa, y se trabaja por forja o laminación. El hierro de Suecia, obtenido de la fundición blanca, se utiliza como materia prima para la confección de aceros finos.

Hierro dulce : Este tipo de hierro se confunde con el acero extradulce, con un porcentaje de carbono inferior al 0.05 %. Se obtiene por los procedimientos clásicos de elaboración de acero : hornos Martin, Thomas o eléctrico.

Hierro Armco : Está caracterizado por su alta pureza, sus propiedades magnéticas y su satisfactoria resistencia a la corrosión ; se obtiene por procedimientos especiales de afinado en el horno Martin y el horno eléctrico .

Hierro electrolítico : Se obtiene por electrólisis de cloruro ferroso con ánodo soluble de acero o fundición. Esta clase de hierro, de alta pureza, pero frágil debido a los gases que contiene, hidrógeno principalmente, es muy apreciado por sus propiedades magnéticas.

Hierro aluminotérmico : Se forma con la reacción exotérmica del óxido de hierro y el polvo de aluminio

Hierro carbonilo : Este hierro, de alta pureza, preparado en forma de polvo muy fino por descomposición del pentacarbonillo de hierro gaseoso, se emplea en cantidades limitadas, en pluviometalurgia, para la fabricación de piezas de elevadas características mecánicas.

Hierro reducido : Se obtiene en estado de polvo por reducción de óxidos, minerales o virutas, en un medio gaseoso reducto (hidrógeno, óxido de carbono)

Un procedimiento nuevo, de origen norteamericano - iron process -, permite la obtención directa del hierro, por reducción y pulverización del mineral fundido en un medio reductor.

Producción : Los yacimientos españoles de mineral de hierro se concentran principalmente en Vizcaya, Granada y León y han alimentado a una industria siderometalúrgica que se encontraba especialmente en el País Vasco y en Asturias. Esta industria ya no produce tanto como antes debido a las reconversiones industriales. La gran mayoría de los países, altamente industrializados, tienden a depender de manera creciente, de las importaciones de países no desindutrializados, para proveerse de mineral de hierro.

LA PLATA :

Química : La plata es un elemento químico de carácter metálico, fórmula Ag, número atómico 47 y masa atómica 107.88. Su densidad es de 10.5. Funde a 960º C y hierve a 1950º C. Cuando funde en contacto con el aire absorbe hasta 22 veces su volumen de oxígeno, que al enfriar vuelve a desprender, levantándose en su superficie pequeños cráteres y proyectando partículas de metal líquido, en un proceso que recibe el nombre de “galleo de plata”. La plata es el más blanco de todos los metales, y bien pulimentado constituye una de las mejores superficies reflectantes que se conocen : refleja hasta el 95 % de la luz incidente. Además es bastante maleable y dúctil. Como ya sabemos es el metal de mayor índice de conductibilidad, tanto calorífica como eléctrica.

Minerales : Es un elemento nativo por lo que se encuentra en la naturaleza a temperatura ambiente. Tiene formas de crecimiento dendríticas y plumosas ; también compactas, en láminas y filiforme. El mineral lo podemos encontrar, aquí en Catalunya, concretamente en Vimbodí, Falset y Bellmunt, en Tarragona. Cuando aparece en forma nativa, lo hace en masas que han llegado a pesar centenares de kilos, esparcidas en terreno rocoso, con pequeñas incrustaciones de otros metales nobles. Noruega posee el mayor yacimiento del mundo de este tipo. Lo normal es que aparezca junto con grandes filones de galena, blenda y pirita . Los minerales de plomo son la más importante fuente de plata , las minas mas importantes se encuentran en Leadville y Eureka (U.S.A.), de menor importancia son Laurium (Grecia) y las españolas de Peñarroya, Linares y San Quintin.

Cerca de la superficie, la plata suele aparecer nativa o en forma de haluro. En las profundidades aparece formando sulfuros. Pero este tipo de filones está muy agotado, y actualmente la mayor parte de la plata que aparece en el mercado procede del tratamiento de filones de blenda, galena y pirita.

Extracción : Los métodos para la obtención de la plata son , el de amalgamación y el de cianuración, o como subproducto de otras metalurgias, en especial la del plomo.

La amalgamación es un método español, consiste en triturar la mena, que debe ser plata nativa o cloruro, se agita con agua y mercurio para obtener cloruro mercurioso, entonces las plata se amalgama con el mercurio en exceso. La amalgama se separa del mineral agotado y se destila en retortas de hierro, el mercurio volátil se usa otra vez, y la plata queda en la retorta. Este método casi no se utiliza en la actualidad.

La cianuración se usa normalmente para menas ricas, consiste en triturar el mineral, y si contiene sulfuro de plata se tuesta con cloruro sódico, para conseguir cloruro de plata, este se disuelve en cianuro sódico formándose cianuro complejo de plata y sodio Ag(CN)2NA. El metal se precipita de esta disolución por el cinc metálico.

Obtención de la plata como subproducto. Este método es el más utilizado, consigue el 80% de la plata obtenida en el mundo. En la producción de los metales que la acompañan, la plata queda mezclada con ellos, y se separa con una técnica diferente en cada caso. Si aparece mezclada con oro se extrae mediante electrólisis en una solución de nitrato de plata. El caso más frecuente es que acompañe al plomo, del que se separa por el método Parkes : después de eliminar las impurezas, el metal fundido se mezcla con un 2 % de cinc, inmiscible con el plomo, pero no con la plata, a la que arrastra en su flotación y solidificación cuando el plomo está todavía fundido. Se extrae la aleación cinc-plata y se calienta en retortas de arcilla, para separar el cinc por destilación. El residuo de las retortas se somete al proceso de copelación, para oxidar y fundir los posibles restos de plomo. Si la plata aparece mezclada con cobre, se procede por galvanización y copelación, o bien por refinado electrolítico. Para obtener plata químicamente pura, se precipita de sus soluciones nítricas en estado de cloruro, que se reduce por calentamiento en presencia de yeso y carbón.

Aplicaciones : La plata pura es un metal muy blando, por lo que se emplea poco. La industria química la utiliza en cápsulas y como revestimiento protector, chapeado o electrolítico, debido a su buena resistencia frente a muchos reactivos, así como en superficies termoaislantes y como catalizador en diversos procesos.

Historia : Por la facilidad de su trabajo, la plata fue uno de los metales más usado para el arte en las civilizaciones del mundo antiguo. Se empezó a considerar la plata como un elemento de riqueza a partir de 3600 años a.C. Fue también un de los primeros metales usados para la acuñación de monedas ya que permitía reducir el peso y tamaño de las grandes piezas de cobre o bronce. El metal se obtenía de algunas minas europeas, como las de Laurion en el Ática y las de Hispania, que atrajeron a la Península a los mercaderes y Colonizadores, y de los yacimientos del Próximo Oriente. En América pronto comenzaron los hallazgos de las grandes minas de plata de Nueva España y Perú : Michoacán ( 1531 ), Potosí ( 1545 ), Guanajuato ( 1548 ), etc. Inicialmente, la extracción de plata se hacía por el procedimiento de fusión, en pequeños hornos que los indios de Potosí esparcían por laderas, para conseguir que el viento estimulara la combustión. Este procedimiento rudimentario sólo podía aplicarse a minerales muy ricos, de forma que las reservas explotables se agotaron rápidamente ; en Perú tardó diez años en acabarse. A medidos del siglo XVI se introdujo en la nueva España el procedimiento de extracción de metal llamado amalgamación, mezclando el mineral triturado con mercurio, que fue usado en México hasta el siglo XIX. El procedimiento inicial era el llamado de patio ; a comienzos del siglo XVII se introdujo el de cazo o fondón, que utilizaba también el calor. Entre 1850 y 1920, E.U.A. produjo 248 millones de kg. de plata, más de lo que se había obtenido en todo el mundo en los últimos trescientos cincuenta años.

EL COBRE :

Química : El cobre es el elemento químico de número atómico 29 y de masa atómica Cu = 63.54. es un metal de color rojo que cristaliza en el sistema cúbico. Tiene por densidad 8.9 y funde a 1084º C. Entre los metales industriales, es el mejor conductor del calor y de la electricidad. Es de dureza media, muy maleable y dúctil. Se puede oxidar si está en un ambiente frío, o con ácidos.

Minerales de cobre : Los minerales de cobre explotados para la obtención de metal se clasifican en tres categorías :

Minerales de cobre nativo : Sus principales yacimientos actualmente explotados se encuentran en E.U.A., cerca del lago Superior, y contienen aproximadamente un 1% de cobre puro. En Bolivia también hay yacimientos de cobre nativo, rico en cobre puro.

Minerales oxidados : Este tipo de mineral se utiliza muy poco. Los principales minerales son : cuprita ( óxido rojo ), mela-conita ( óxido negro ), malaquita ( carbonato verde hidratado ), azurita ( carbonato azul hidratado ), crisocola ( silicato hidra-tado ), y atacamita ( oxicloruro hidratado ) y se encuentran en E.U.A., Chile, Rhodesia y Extremo oriente.

Minerales sulfurados : Estos son los más utilizados. El principal es la calcopirita o pirita cuprosa, cuyo contenido de cobre llega por lo general al 4%. Los demás minerales sulfurados explotados son la calcosina, la tetraedrita, la bornita y la energita. Estos minerales se explotan en E.U.A., Japón, Rusia y, a escala más limitada, en Alemania y España.

Metalurgia del cobre : Según su naturaleza y la riqueza de los minerales, el cobre es tratado de una manera diferente:

Tratamiento de los minerales sulfurados : El método consiste en separar el hierro del cobre por vía seca, utilizando por una parte la gran afinidad del cobre para el azufre y, por otra, la del hierro para el oxígeno. El mineral enriquecido por flotación, sufre sucesivamente : a) Una tostación oxidante parcial, que transforma en óxido parte del sulfuro de hierro. b) Una fusión escorificante en horno de reverbero en contacto con sílice, que permite eliminar hierro en forma de escoria silícea. Queda una mata ( capa separada por diferencia de densidad ) enriquecida en un 40 % de cobre aproximadamente . c) Una conversión permite separar totalmente el sulfuro del hierro de la mata para obtener el cobre bruto. Esta última operación se efectúa en dos fases : primeramente la corriente de aire oxida el hierro remanente, que se escorifica en contacto con la sílice y es separado de la mata que tiene una riqueza de un 80% de cobre. En la segunda fase la oxidación de la mata se prosigue con formación de óxido y de sulfuro de cobre. En este momento ambos productos reaccionan mutuamente con desprendimiento de anhídrido sulfuroso y formación de cobre bruto.

Tratamiento de los minerales oxidados : El método por vía seca se practica en horno de cuba ( water-jacket ), por reducción del mineral fundido en presencia de carbono ; la adición de fundente permite eliminar la ganga del mineral en forma de escoria. Existe un método por vía húmeda, poco empleado, análogo al utilizado para los minerales sulfurados.

Afinado del cobre bruto ( cobre blister ) : Este afinado tiene la doble ventaja de obtener cobre puro y recuperar impurezas de interés, tales como el oro , plata, bismuto, etc. El afinado por vía seca en horno de reverbero permite , al oxidar gran parte de las impurezas y obtener cobre que contiene pro lo menos un 99.5% de mineral puro.

Afinado electrolito : Permite obtener cobre de pureza superior al 99.5%. El cobre bruto colado en ánodos en forma de placas, es electrolizado en una solución de sulfato de cobre ácido. El cobre puro se deposita en los cátodos que posteriormente son refundidos para constituir lingotes.

Historia del cobre : El uso mas antiguo del cobre se remonta al imperio egipcio del 5000 al 4500 A.C., su uso fue en principio ornamental, posteriormente se fabricaron con él pequeños objetos( agujas, tijeras, anillos etc.). Alrededor del 4000 3500 A.C. apareció el cobre forjado y moldeado, pero no se extendió a Mesopotamia del Norte, hasta el 3000 A.C., donde el cobre fundido empezó a sustituir al cobre forjado. Durante el tercer milenio A.C., el uso de este metal se extendió a las regiones del Mediterráneo oriental y a la desembocadura del Danubio. Entre 2500 y 2000 apareció en Europa Central y Occidental, y fue llevado a Italia y España por navegantes, y a Bohemia y Baviera por los pueblos de las estepas. Posteriormente, se empleo, principalmente, bajo la forma de aleaciones, para confeccionar armas, herramientas, joyas, adornos, objetos domésticos, estatuas, etc. El cobre se encuentra después en el bronce antiguo. Durante la edad media, los centros principales de extracción de cobre fueron las minas alemanas de Rammelsber y Mansfeld ; sin embargo, su producción fue sobrepasada por las minas de Cornualles y, a principios del siglo XIX, por las minas españolas de Riotinto. A partir de la segunda mitad del siglo XIX, el intenso desarrollo de las minas de Chile, Canadá, y mas tarde E.U.A. y el Congo eclipso las explotaciones europeas.

Producción : Actualmente la mayor producción mundial de minerales de cobre, corresponde a E.U.A., gracias a las minas de Arizona, Utah, Nuevo México y Montana cuyas reservas son considerables. Les siguen inmediatamente Rusia cuya producción aumenta de un modo regular, así como Chile, Canadá , Zambia y Zaire. Los mayores productores de este mineral, son igualmente los primeros suministradores de fundición, puesto que la transformación de mineral, se realiza en el mismo lugar de su extracción.

EL ALUMINIO :

Química : El aluminio es el elemento químico de número atómico 13 y de masa atómica Al = 26.9815. Es un metal blanco, brillante y de densidad 2.7. Su punto de fusión es de 660º C y el de ebullición 2056º C. Su resistividad eléctrica es de 2.63 ohmios. En estado puro es blando y muy maleable. Aunque es muy oxidable no se altera en el aire ni se descompone en el agua ya que queda protegido por una delgada capa alúmina amorfa. Arde en el oxígeno y en el cloro.

Historia y utilización : Es un mineral descubierto en el siglo XIX. Fue aislado por primera vez por Wöhler en 1827 tratando cloruro de aluminio con potasio. Su fabricación industrial se inició en 1854, gracias a Sainte-Claire Deville ; su metalurgia por electrólisis la consiguieron simultáneamente, en 1886, el francés Héroult y el norteamericano Hall. Actualmente es el metal más utilizado junto al hierro. La industria aeronáutica debe su desarrollo a las aleaciones ligeras, así como, los progresos realizados por la industria del aluminio se deben en gran parte a los trabajos consagrados a mejorar el rendimiento de los aviones.

La industria del automóvil es la que más utiliza el aluminio a causa de su ligereza(pistones, cárteres, puente posterior y carrocería), de su buena conducción térmica (bloques y culatas) y de sus posibilidades decorativas (rejillas, cercos de faros, empuñaduras). La industria eléctrica hace gran uso del aluminio, cuya conductibilidad es igual al 62% de la del cobre, con una densidad tres veces menor, así , un conductor de aluminio es dos veces mas ligero y menos costoso que un conductor equivalente de cobre. Se hacen con aluminio todas las líneas aéreas, barras de conexión, cables aislados, bobinados, etc. También se usa en lugar del plomo para enfundado de cables armados. El aluminio es un excelente material de envoltura por su inocuidad, impermeabilidad y opacidad a los rayos ultravioletas.

Metalurgia del aluminio : La metalurgia actual del aluminio se basa en la reducción electrolítica de la alumina obtenida a partir de la bauxita. La alúmina disuelta en la criolita fundida se somete, a alta temperatura, a la acción de una corriente eléctrica continua, descomponiéndose en aluminio y oxígeno. Prácticamente, se produce un depósito de aluminio fundido en el fondo de la cuba ( cátodo ) y un desprendimiento de oxígeno en el ánodo de carbón que se oxida. Los gases liberados se componen de óxido de carbono y anhídrido carbónico. La operación se efectúa en una cuba rectangular de hierro revestida interiormente con briquetas de carbono precocidas ( antracita ). La corriente es conducida por numerosas barras de hierro soldadas a los bloques del fondo que sirven de cátodo. Se pueden emplear ánodos precocidos , constituidos por bloques o briquetas de coque de petróleo, aglomerados con alquitrán, prensados y recogidos a 1200ºC, o bien ánodos continuos Söderberg. La intensidad de la corriente alcanza ordinariamente 100´000 amperios a una tensión media de 4.9 voltios. La temperatura se mantiene por efecto Joule entre 950 y 1000ºC. El aluminio así obtenido tiene una pureza de 99.5 a 99.8%. Se elabora el aluminio refinado de 99.99% de pureza mediante afinado electrolítico.

Roca de la cual se extrae el aluminio, la bauxita : Es una roca por lo general blanda que puede rayarse con el corta plumas. Es de color amarillento, aunque a veces se presenta en colores rojizos o oscuros debido al hierro. Antes de la segunda guerra mundial, no se conocían los yacimientos más importantes en la actualidad. En 1974 Australia y Jamaica eran los primeros productores mundiales, seguidos de Surinam, Guinea, Rusia y Guayana.

CONCLUSIÓN :

Como se puede observar, la mayoría de los metales tienen diferentes tipos de metalurgias, debido a los diferentes tipos de minerales. El procedimiento utilizado ha ido cambiando a lo largo de los años. También es verdad que ahora se están intentando cambiar estos metales por otros productos como el plástico.

Este trabajo me ha servido bastante para a aprender a redactar mejor y para saber organizarme para hacer un trabajo. El tema no me ha entusiasmado mucho, pero tampoco me ha desagradado. Creo que en el trabajo hay cosas muy complicadas para nosotros ya que no estamos habituados al vocabulario empleado en el mundo de la metalurgia.

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