Metalurgia
Introducción a la Metalurgia
La metalurgia es la ciencia y el arte que se ocupa de la extracción de los metales, sus características físicas y mecánicas, y los productos derivados de ellos.
Principales Minerales Metálicos
Minerales de Hierro
Los minerales de hierro se encuentran en diversas formas:
- Hematita
- Limonita
- Magnetita
- Siderita
- Pirita
Estos minerales se clasifican según su composición química:
- Óxidos: Como la magnetita (60-70% de riqueza)
- Hidróxidos: Como la limonita (40-50% de riqueza)
- Carbonatos: Como la siderita (30-40% de riqueza)
- Sulfuros: Como la pirita (30-40% de riqueza)
Propiedades del Hierro Puro
El hierro puro tiene una dureza de 4 a 5 en la escala de Mohs. Es blando, maleable, dúctil y se magnetiza fácilmente a temperatura ambiente. A temperaturas elevadas, alrededor de 790 °C, pierde sus propiedades magnéticas. Su punto de fusión es de 1535 °C, su punto de ebullición es de 2750 °C y su densidad relativa es de 7.86.
Obtención del Hierro
El hierro se obtiene mediante la reducción de óxidos de minerales, principalmente hematita (Fe2O3) y magnetita (Fe3O4), en un alto horno utilizando carbono como combustible y piedra caliza como fundente. El producto resultante es hierro de primera fusión o arrabio.
Constitución de un Alto Horno
- Tragante: Boca superior por donde se introducen las cargas (mineral de hierro, coque y fundente).
- Cuba: Cuerpo troncocónico superior donde ocurren las primeras reacciones de la carga y la reducción del mineral.
- Vientre: Zona de mayor diámetro donde la carga aumenta su temperatura y volumen.
- Etalaje: Zona donde se completa la reducción del mineral y continúan las reacciones de la escoria.
- Crisol: Cilindro que recoge la fundición líquida y la escoria.
El aire comprimido y precalentado se inyecta en el crisol a través de las toberas. El crisol tiene dos orificios: la piquera para la colada del arrabio y la bigotera para la escoria.
Afino del Acero
El afino es el proceso de combustión del carbono y otros elementos innecesarios para obtener acero con un contenido mínimo de carbono.
Convertidores Metalúrgicos
Los convertidores son hornos utilizados como reactores químicos para el afino de metales en estado de fusión.
Acero
El acero es una aleación de hierro y carbono (aproximadamente 0.05% a menos del 2% de carbono).
Horno Básico de Oxígeno (BOF)
El horno BOF es similar al convertidor Bessemer, pero utiliza oxígeno a presión en lugar de aire, lo que aumenta la temperatura y reduce el tiempo de proceso.
Proceso BOF
- Carga de chatarra
- Carga de arrabio
- Inyección de oxígeno
- Revisión y toma de muestras
- Vaciado del acero
- Vaciado de la escoria
Las principales funciones del horno BOF son la descarburación, la eliminación del fósforo del arrabio y la optimización de la temperatura del acero.
Horno de Arco Eléctrico
El horno de arco eléctrico utiliza electrodos conectados a la corriente eléctrica para generar calor.
Aleaciones de Cobre
Las aleaciones de cobre más importantes incluyen:
- Bronce: Cobre + Estaño (Cu+Sn)
- Latón: Cobre + Zinc (Cu+Zn)
- Níquel: Cobre + Níquel (Cu+Ni)
- Aluminio: Cobre + Aluminio (Cu+Al)
- Berilio: Cobre + Berilio (Cu+Be)
- Cromo: Cobre + Cromo (Cu+Cr)
- Plata: Cobre + Plata (Cu+Ag)
- Cadmio: Cobre + Cadmio (Cu+Cd)
Obtención del Cobre
El cobre se obtiene mediante dos vías principales:
- Vía húmeda: Se utiliza para minerales con baja concentración de cobre mediante trituración, adición de ácido sulfúrico y electrólisis.
- Vía seca: Se utiliza para minerales con mayor concentración de cobre mediante trituración, eliminación de la ganga, oxidación para eliminar el hierro, adición de sílice y cal para eliminar impurezas, y finalmente un proceso electrolítico para obtener cobre puro.
Aleaciones de Aluminio
Las aleaciones de aluminio ofrecen una variedad de propiedades y aplicaciones:
- Aleaciones de aluminio puro: Resistencia a la corrosión, conductividad térmica y maleabilidad.
- Aleaciones de aluminio y cobre: Mayor dureza y resistencia mecánica.
- Aleaciones de aluminio y zinc: Similar al aluminio y cobre, pero menos resistente a la corrosión y más pesado.
- Aleaciones de aluminio y manganeso: Mayor dureza, resistencia mecánica y resistencia a la corrosión.
- Aleaciones de aluminio, cobre y silicio: Utilizado para moldeo por inyección.
- Alnico: Aleación de aluminio, níquel y cobalto para fabricar imanes permanentes.
Titanio
El titanio se obtiene de los minerales rutilo e ilmenita. Es más resistente a la oxidación y la corrosión que el acero inoxidable y tiene propiedades mecánicas superiores. Se utiliza en aleaciones para obtener compuestos ligeros y resistentes.
Estaño
El estaño se obtiene del mineral casiterita. Sus principales aleaciones incluyen bronce, soldadura blanda, peltre y metal britannia. Se utiliza para recubrir acero y hierro, especialmente en la fabricación de latas, para disminuir la fragilidad de los productos.