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Los temas tratados son: 1. OBTENCIÓN DE METALES 1.1 REFINAMIENTO 1.2 TRANSFORMACIÓN 2. METALES FERROSOS Y NO FERROSOS 2.1 METALES FERROSOS 2.2 METALES NO FERROSOS 3. FUNCIONAMIENTO DE ALTO HORNO Y HORNO DE ACERACIÓN
Tipo: Monografías, Ensayos
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Con reconocimiento y validez oficial de estudios de la secretaria de educación pública según clave IIND- 2010 - 227 URUAPAN, MICHOACÁN A 09 DE MES 02 DE 2023
Ing. Martín Oswaldo Ortiz Urbina
Temas: Obtención de los metales, metales ferrosos, y no ferrosos, alto horno, horno de aceración y arrabio. Antecedentes: Metalurgia. Año 7000 a.C. La fundición del primer metal, asociado a los primeros hornos cerámicos, data de hace 6.500 años. Surgieron en la zona de Tal-i-Blis, en los Montes Zagros iraníes, donde se establecieron centros especializados de reducción de este tipo de metal. Hierro. Año 1200 a.C. La Edad del Hierro, duró aproximadamente del 1200 a.C. al 300 a.C. El proceso de fundido y moldeado de este metal fue complicado ya que requería enormes cantidades de madera, carbón y hornos de gran capacidad calorífica. Hornos y acero inoxidable. Año 1700 a.C. Los primeros hornos metalúrgicos de carácter industrial, denominados altos hornos, fueron construidos en la región de Cumbria, en el Reino Unido, en el 1700. En 1740, a poca distancia de esa región, Benjamin Huntsman creó el acero de crisol, un tipo de acero elaborado con técnicas de lento calentamiento y enfriamiento del hierro puro en presencia de carbono en recipientes cerámicos. Conceptos claves: Metal, hierro, acero, mena, ganga, escoria, refinamiento, transformación, alto horno, arrabio, pirometalurgia y purificación.
Se debe iniciar definiendo qué es un metal, según la definición de (Pérez Porto, 2011) dice que los metales son aquellos elementos físicos que son capaces de conducir calor y electricidad, los cuales muestran un brillo característico, y resultan solidos a temperatura normal, a excepción del mercurio. Según (ICMM, 2023) los metales son sustancias elementales, como, por ejemplo, la plata, el oro, y el cobre. Estos se encuentran de manera natural en los minerales. Los metales que utilizamos cotidianamente se producen mediante la transformación de minerales metálicos hasta obtener su forma final. En general, para esto es necesario usar productos químicos y tecnologías especiales. La mayor parte de los metales se encuentran en la naturaleza combinados con otros elementos, formando minerales metálicos. La metalurgia es una ciencia que juega un papel importante, esta es la ciencia y tecnología de los metales. La cual incluye los procesos de extracción de metales de sus minerales, purificación y aleación de metales. Dentro de estos procesos, la extracción de metales de sus minerales se llama minería, por ejemplo, la extracción del hierro del mineral del hierro. (Planes, 2022) Figura No. 1 Algunos tipos de metales.
La concentración puede ser de tres tipos, 1. Gravimétrica. Aprovecha la diferencia de densidades del material a separar, utiliza una gran cantidad de agua. 2. Flotación. Utiliza un proceso físico-químico complejo (reactivos) para la separación de material. 3. Magnética. Se vale de la atracción de ciertos minerales hacia un campo magnético.
Según (Mexicano, 2017) la transformación es la modificación química o mecánica que tiene el mineral extraído y beneficiado a través de un proceso industrial, después del cual resulta un producto distinto y no identificable con el mineral en su estado natural. Existen distintas técnicas para la extracción de metales, las más comunes son: Hidrometalurgia, Pirometalurgia, Biometalurgia y Electrometalurgia. Pirometalurgia. Consiste en un proceso que utiliza altas temperaturas para convertir minerales en metales, por ejemplo, cobre, níquel, hierro y plomo. Este se lleva a cabo mediante operaciones por vía seca que se realizan a altas temperaturas entre productos en estado sólido, liquido o gaseoso. (Portero, s.f) Para llevar a cabo la transformación o extracción, mediante la pirometalurgia se lleva a cabo alguna de las siguientes operaciones: o Calcinación: Tiene por objeto descomponer un compuesto (carbonato, sulfato, hidróxido, etc.) en sus óxidos formadores haciendo uso del calor. o Tostación: Operación mediante la cual un sulfuro, al reaccionar con el oxígeno del aire, se transforma en un óxido. Normalmente es una operación previa a la de fusión. o Fusión: Operación en la que se obtienen, en un horno adecuado, varias fases fundidas: metal, escoria o mata. Es una de las operaciones más utilizadas en metalurgia extractiva. Por ejemplo, se usa para extraer el hierro (fusión reductora) o como paso previo en la obtención del cobre (fusión neutra: fusión a mata). La escoria se forma al reaccionar la ganga contenida en el mineral con un fundente (ácido o básico).
Hidrometalurgia. Es un proceso que utiliza soluciones acuosas para extraer metales de sus minerales. Algunos de los metales que se pueden extraer por esta técnica son; Cobre, uranio y oro. Para ser llevado a cabo este proceso los pasos a seguir son: triturado del material y molienda para obtener un polvo fino, mezcla con agua y productos químicos para crear una lechada, bombeo de los cuerpos insolubles mediante un tanque de lixiviación donde se mezcla con más productos químicos que eliminan impurezas, extracción por solvente de esta suspensión lixiviada hasta obtener una solución rica en metales que se depositan después en electrodos para purificarlos. (Planes, 2022) Electrometalurgia. Consiste en utilizar corriente eléctrica para promover una reacción química entre el metal y el mineral. Los metales extraídos por electrometalurgia son zinc, cadmio, níquel, plomo, cobre y cobalto. (Planes, 2022) El proceso es el siguiente: Figura No. 1.2 Proceso resumido de Electrometalurgia. Un ejemplo muy buen ejemplo de obtención de un metal es el del hierro, uno de los metales más usados en el mundo.
1. El primer paso en el proceso de extracción de hierro es la reducción de carbono. Los minerales de hierro generalmente se encuentran en forma de hematita (Fe2O3) o magnetita (Fe3O4). Para reducir cualquiera de los minerales, se debe introducir carbono en el sistema como agente reductor. Los agentes reductores más comunes utilizados en la extracción de hierro son el coque (C), el carbón vegetal (C) y el gas natural (CH4). 2. El próximo paso en el proceso es la reducción del mineral de hierro. El agente reductor se alimenta al alto horno desde la parte superior, mientras que el mineral de hierro se alimenta desde la parte inferior. El calor del carbón quemado reduce químicamente el mineral de hierro, lo que resulta en hierro puro (Fe) y dióxido de carbono (CO2). Electrodeposición Reducción Purificación
Cientos de aleaciones ferrosas son bien conocidas. Ellas están especificadas por las proporciones de cada elemento en su composición, así como también las instrucciones en su fundición y acabado. Las aleaciones ferrosas con carbono usualmente se les llama hierro o acero, y pueden contener cualquier cantidad de otros elementos, desde aluminio a vanadio, basado en sus especificaciones. Esto metales usualmente son elegidos por sus propiedades mecánicas. Los ingenieros y diseñadores pueden estar interesados en su límite elástico, dureza, ductilidad, soldabilidad, elasticidad, facilidad de corte y expansión térmica, los cuales describen cómo se comportará un material bajo factores estresantes específicos. (Reliance Foundry, s.f) Algunos ejemplos de metales ferrosos son: Hierro, hierro fundido, todos los tipos de acero, incluyendo acero al carbono y acero inoxidable, hierro forjado o dulce, hierro en bruto, hierro dúctil y hierro gris.
Estos metales incluyen cada metal y aleación que no contiene hierro. Al extraer metales de las minas es necesario separarlos de otros minerales como el hierro. Se puede decir que todos los metales que se hayan en la tabla periódica son no ferrosos, con la excepción lógica del hierro. Algunos ejemplos de estos materiales son: Metales preciosos como plata, platino, y oro, cobre, y sus aleaciones como bronce y latón, níquel, paladio y platico, titanio, aluminio, estaño, plomo y zinc, entre otros. Con tan amplio rango de materiales en este grupo, muchas de las propiedades mecánicas que recomiendan al hierro pueden ser descubiertas en metales no ferrosos. Por ejemplo, las aleaciones de aluminio o titanio podrían ser sustituidas por acero en muchos casos, si no fuera inaccesible por el costo hacerlo. Las habilidades magnéticas del hierro podrían ser emuladas con el níquel, cobalto o elementos poco comunes de la tierra en aleación con otros metales. Sin embargo, debido a que los metales no ferrosos con frecuencia son más costosos, tienden a ser elegidos por sus atribuciones únicas en vez de por las formas en que se pueden comportar parecidas al acero. Menores pesos, conductividad, resistencia a
la corrosión, propiedades no magnéticas, tradición o valor decorativo son algunas de las razones para elegir un metal no ferroso. Figura No. 2.1 Características y propiedades de metales no ferrosos. CARACTERÍSTICAS PROPIEDADES No poseen hierro. Son duros, maleables y dúctiles. Son ligero. Excelente conductividad eléctrica Abundantes. Baja densidad. Su temperatura de fusión es variable. Resistente a la corrosión Poca resistencia mecánica y son blandos.
Alto horno. Es una instalación industrial en la que la mena contenida en el mineral de hierro es transformada en arrabio, también llamado hierro bruto. Estas instalaciones reciben este nombre por su gran altura que suele estar en torno a los 30 metros. (Fluke, s.f) Horno de aceración. Este horno se utiliza para el proceso de aceración, el proceso consiste en la refinación del arrabio. Por lo que existen muchos tipos de procesos para dicha actividad. (Terecc, 2015)
El alto horno funciona de forma ininterrumpida, el motivo de esto es que solo cesa cuando necesita mantenimiento, se debe a que su encendido es lento y complicado. Se trata de uno de los momentos más importantes y decisivos del proceso. Se realiza en cuatro pasos siguientes: Primer paso: se asegura que las compuertas de limpieza estén cerradas, se abren las piqueras de escoria y de arrabio - por donde sale el material - y las toberas de aire. Segundo paso: se coloca el combustible en el fondo y se enciende.
transforma en dióxido de carbono y el resto es recuperado como combustible para otros usos.
Según (Meyer, 2018) el funcionamiento del horno de aceración comienza colocando la lanza de oxígeno en posición de trabajo, iniciando así el soplado principal del oxígeno que se lleva aproximadamente un tiempo de 15 minutos, durante el cual algunas veces conviene agregar más fundentes, según la cantidad de arrabio cargado y el grado de eliminación de elementos de escoria. En la mayoría de las plantas de fabricación de acero, uno de los procesos críticos es soplar el gas argón en el acero fundido caliente. El propósito de hacer esto incluye tres funciones:
El arrabio es el metal que se obtiene a la salida del alto horno mediante reducción del mineral de hierro. Se utiliza como materia prima en la obtención del acero. La operación de ellos es ya clásica dentro de la metalurgia del hierro y resulta de interés pues permite conocer las bases de los procesos de transformación de las materias primas en la aleación deseada. El arrabio parece ser más una materia prima que un producto terminado o semiterminado; y es solo un estado intermedio de la fabricación del acero o de la función de hierro. Los materiales básicos empleados para fabricar arrabio son minerales de hierro, coque y caliza. El coque se quema como combustible para calentar el horno, y al arder libera monóxido de carbono, que se combina con los óxidos de hierro del mineral y los reduce a hierro metálico. La ecuación de la reacción química fundamental de un alto horno es: 𝐹𝑒 2 𝑂 3 + 3 𝐶𝑂 → 3 𝐶𝑂 2 + 2 𝐹𝑒 Figura No. 4 Formación de tochos de arrabio en una cadena de moldes.
Algunas reacciones de las que se producen en el alto horno son exotérmicas, el balance total del calor producido y consumido en el horno muestra que es necesario suministrar energía al mismo para su operación. Por lo tanto, es necesario cargar de combustible en el horno. Comúnmente el combustible usado es el coque, aunque puede ser usado carbón vegetal. Ambos son obtenidos por destilación seca; en el caso del coque, a partir del carbón bituminoso, y en el carbón vegetal, a partir de la leña. Con este proceso se obtiene una materia libre de humedad y materias volátiles, con un elevado porcentaje de carbono fijo. (EcuRed, s.f) Características. o Resistencia o Porosidad o Poca producción de cenizas o Pequeño contenido de impurezas o Alto poder calórico o Bajo costo Figura No. 4.1 Magnetita
La fusión como proceso metalúrgico, persigue dividir la masa metálica en dos fases, en una de las cuales se concentra el metal y en la otra las materias no aprovechables. Esta última fase es la escoria. La escoria es una fase líquida, formada por las cenizas del coque, la ganga del mineral y otras materias y compuestos. El papel fundamental del fundente consiste en disminuir el punto de fusión de la escoria, con el objetivo de garantizar que se conserve siempre fluida. Además, algunas escorias también ayudarán a eliminar las impurezas nocivas del metal. La piedra caliza es el fundente de usado más común en los altos hornos. Su componente básico es el carbonato de calcio (CaCO3). La escoria es un elemento importante en los procesos metalúrgicos Existen otros materiales que se emplean en la producción del arrabio como son el mineral de hierro, coque y caliza. El coque se quema como combustible para calentar el horno, y al arder libera monóxido de carbono, que se combina con los óxidos de hierro del mineral y los reduce a hierro metálico. La ecuación de la reacción química fundamental de un alto horno es: Fe2O3 + 3CO → 3CO2 + 2Fe La caliza de la carga del horno se emplea como fuente adicional de monóxido de carbono y como sustancia fundente. Este material se combina con la sílice presente en el mineral (que no se funde a las temperaturas del horno) para formar silicato de calcio, de menor punto de fusión. Sin la caliza se formaría silicato de hierro, con lo que se perdería hierro metálico. El silicato de calcio y otras impurezas forman una escoria que flota sobre el metal fundido en la parte inferior del horno. El arrabio producido en los altos hornos tiene la siguiente composición: un 92% de hierro, un 3 o 4% de carbono, entre 0,5 y 3% de silicio, del 0,25% al 2,5% de manganeso, del 0,04 al 2% de fósforo y algunas partículas de azufre. (Arredindo & Alamán, 1980)
Arredindo, F., & Alamán, A. (1980). Estudio de Materiales. Consejo Superior de Investigaciones Científicas. ConceptoABC. (s.f). ConceptoABC. Obtenido de ConceptoABC: https://conceptoabc.com/metales-ferrosos-y-no-ferrosos/ EcuRed. (s.f). EcuRed. Obtenido de Arrabio: https://www.ecured.cu/Arrabio Fluke. (s.f). Fluke. Obtenido de Fluke: https://www.flukeprocessinstruments.com/es/industry/metals/blast- furnace#:~:text=En%20el%20alto%20horno%2C%20el,muy%20caliente%20hacia %20la%20base. ICMM. (2023). ICMM. Obtenido de ICMM: https://www.icmm.com/es/mineria-y-los- metales/acerca-de-la-mineria/metales-y-minerales Mexicano, S. G. (22 de Marzo de 2017). Gobierno de México. Obtenido de Gobierno de México: https://www.sgm.gob.mx/Web/MuseoVirtual/Aplicaciones_geologicas/Beneficio-y- transformacion--minerales.html Meyer, J. (17 de Noviembre de 2018). Linked in. Obtenido de Linked in: https://es.linkedin.com/pulse/procesos-acereros-part- 5 - aceraci%C3%B3n- j%C3%B6rg- meyer#:~:text=Se%20coloca%20la%20lanza%20de,eliminaci%C3%B3n%20de% 0elementos%20de%20escoria. Pérez Porto, J. G. (31 de mayo de 2011). definición.de. Obtenido de definición.de: https://definicion.de/metales/ Planes, E. F. (07 de Julio de 2022). Equipo Ferros Planes. Obtenido de Equipo Ferros Planes: https://ferrosplanes.com/como-se-extraen-metales/ Portero, M. J. (s.f). Universidad Politecnica de Valencia. Obtenido de Universidad Politecnica de Valencia: https://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/68339/Mu%C3%B1oz%20- %20Extracci%C3%B3n%20de%20metales%20por%20pirometalurgia%3A%20Pro cesamiento%20de%20hierro%2C%20acero%2C%20cobre%20y%20aluminio.pdf? sequence= Quimica.es. (s.f). Quimica.es. Obtenido de Arrabio: https://www.quimica.es/enciclopedia/Arrabio.html Reliance Foundry. (s.f). Reliance Foundry. Obtenido de Reliance Foundry: https://www.reliance-foundry.com/blog/metales-ferrosos-no-ferrosos- es#:~:text=Metales%20ferrosos- ,Los%20metales%20ferrosos%20se%20definen%20como%20aquellos%20metale s%20que%20contiene,a%20la%20corrosi%C3%B3n%20y%20magn%C3%A9tico.
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