2.19 Metalurgia. Principales metales y aleaciones utilizados en la industrial

Metalurgia. Principales metales y aleaciones utilizados en la industria.

Los metales son los elementos químicos de mayor utilización, con fines estructurales en edificios y medios de transporte para la sociedad, como conductores de calor y electricidad, etc. Los metales se caracterizan por tener un brillo especial, llamado metálico, y por ser buenos conductores de la electricidad y del calor.

Esta gran conductibilidad, comparada con la de los no metales, se debe probablemente a la existencia de electrones libres en su interior. Además los metales tienen una molécula monoatómica y originan los hidróxidos al disolverse los óxidos metálicos en agua. Algunos metales se presentan en estado libre como el oro, pero otros aparecen en estados de óxidos, sulfuros, carbonatos, fluoruros, cloruros.

Los metales, con la excepción del mercurio, que es líquido, son sólidos a la temperatura ordinaria y tienen todo brillo metálico y un color casi siempre blanco grisáceo, salvo en los casos del cobre (rojo) y el oro (amarillo). Son de densidad muy variable. Así, el sodio y el potasio flotan en el agua mientras que otros poseen densidades muy elevadas. El magnesio y aluminio son los más ligeros de los metales utilizados en la industria por sus aplicaciones prácticas.

El mejor conductor de electricidad es la plata seguido por el cobre.

Hay ciertos metales que tienen la propiedad de ser maleables, lo que significa que se pueden cortar en finísimas láminas como el oro, el estaño y el aluminio; y otros como el hierro y el cobre que son tenaces o resistentes a la ruptura por tracción.

Propiedades químicas:

Los metales reaccionan con mas o menos facilidad con el medio que les rodea, según que sean mas o menos electropositivos .El aire, el agua y otros elementos químicos reaccionan con ellos formando compuestos que destruyen generalmente las propiedades mecánicas que tienen. Esta acción llamada corrosión, se evita cubriendo el metal con otro no corroíble, como en el caso del hierro al que se añade cinc ( hierro galvanizado) o estaño (hojalata).

Estado natural de los metales:

La ubicación de los metales en la serie electromotriz determina su estado natural.

Los metales que están debajo es decir, libres, no combinados químicamente con otros elementos.

Ejemplos: los metales preciosos (oro, plata y platino) y a veces el cobre.

METALURGIA

Es la extracción comercial de los metales a partir de sus minerales y su preparación para usos posteriores. 

Consta de varias etapas:

• ·         Obtención del mineral por minería
• ·         Retratamiento del mineral
• ·         Reducción del metal al estado libre
• ·         Refinado o purificación del metal
• ·         En su caso, obtención de aleaciones.

PRETRATAMIENTO DE LOS MINERALES

Consiste en la concentración del mismo, por eliminación de la ganga. Puede hacerse mediante un separador de ciclón, tras pulverización adecuada.

La flotación es aplicable a sustancias que no se "mojan" por agua.

La descarbonatación y deshidratación se utilizan para convertir carbonatos o hidróxidos a otros compuestos más fácilmente reducibles.

La tostación consiste en la conversión de los sulfuros en óxidos, por calentamiento en aire.

DIAGRAMAS DE ELLINGHAM

Son diagramas en los que se representa la entalpía libre de formación de una serie de compuestos (óxidos, sulfuros, cloruros, etc.) en función de la temperatura. Son especialmente útiles para estudiar los procedimientos de obtención de metales.

REDUCCIÓN A METALES LIBRES

El método utilizado depende de la naturaleza del anión unido al metal. Cuanto más fuerte sea el enlace entre el anión y el catión metálico, más energía se requiere y más costoso el proceso.

000El mercurio pueden obtenerse directamente en estado libre por tostación de su sulfuro (cinabrio).

Habitualmente, los óxidos se reducen al estado libre por combinación con carbono. Para evitar la formación de carburos estables, la reducción se lleva a cabo con H2, Fe o Al.

Los metales muy activos, como Na o Al, se obtienen por reducción electroquímica de sus sales anhidras en estado fundido.

METALURGIA DE ALGUNOS METALES ESPECÍFICOS

ALUMINIO

Se obtiene por electrolisis en ausencia de agua mediante el proceso Hall. La bauxita (Al2O3.xH2O) molida con NaOH (Conc.) se convierte en Na[Al(OH)4] soluble. La acidificación con CO2 (g) precipita bauxita pura que al deshidratarse forma Al2O3; añadiendo un fundente, criolita, Na3[AlF6], la electrolisis se lleva a cabo a 1000deg.C con electrodos de carbono.

Alternativamente y con menor consumo de energía se hace reaccionar la bauxita con Cl2, obteniendo AlCl3, que, fundido, se electroliza para obtener Al y Cl2.

HIERRO

Se obtiene a partir de hematita (Fe2O3) y magnetita (Fe3O4) en "altos hornos" por reducción con CO.

Por la parte superior se alimenta con una mezcla de piedra caliza (CaCO3), que actúa como fundente, coke y mineral molido. El aire caliente desde la parte inferior quema el coke, desprendiendo calor. La mayor parte del CO2 reacciona con C, formando CO de nuevo. El fundente reacciona con la ganga de sílice, formando la escoria, que es menos densa.

COBRE

Se utiliza especialmente en aleaciones, bronce (Cu+Sn) y latón (Cu+Zn). Sus minerales más importantes son calcopirita, CuFeS2, azurita Cu3(CO3)2(OH)2 y malaquita, Cu2CO3(OH)2. Habitualmente se utiliza el primero.

El mineral se tuesta para eliminar impurezas volátiles y convertir en óxido el sulfuro de Fe, y posteriormente se mezcla con arena (SiO2), piedra caliza (CaCO3) y mineral sin tostar, y se calienta a 1100deg.C. Se forma Cu2S, un "vidrio" que disuelve el hierro, y una escorita menos densa que el Cu2S. Al calentar en aire, el Cu2S se descompone en Cu metálico, que se purifica por electrolisis, y SO2.

ORO

Habitualmente se encuentra en estado nativo. Se puede separar de la arena en "charolas", donde la arena y grava (que contiene Au) se agitan en agua, derramándose las partículas más ligeras. Se hace pasar por una mesa de agitación ligeramente inclinada, con "barreras" en el fondo, de modo que las partículas de Au quedan retenidas. El Au se combina con Hg y posteriormente se retira el Hg por destilación.

Alternativamente se obtiene a partir de los barros anódicos de la purificación electroquímica del Cu.

También resulta rentable obtenerlo por el procedimiento del cianuro, burbujeando aire a través de una disolución de NaCN con el mineral de Au en suspensión.

MAGNESIO

La principal fuente es el agua de mar (0.13% Mg). Se obtiene por electrolisis de MgCl2 fundido en atmósfera inerte con cátodo de acero y ánodo de grafito.

ALEACIONES: Se preparan por fusión conjunta de sus componentes, algunas de ellas se consiguen con otros procedimientos: cobre y zinc depositan simultáneamente sobre el cátodo cuando una corriente eléctrica circula a través de una solución con sulfatos cúpricos y de zinc . Muchas aleaciones contienen elementos no metálicos: el carbono en los aceros, y el fósforo en los bronces fosforosos. Estas son sólidas, con aspecto y características metálicas, salvo las amalgamas, en las que interviene el mercurio y son semisólidas.

ALEACIONES FERREAS

Son aquéllas en las que el principal componente es el hierro. Gran interés como material para la construcción de diversos equipos y su producción es muy elevada, debido a:

Abundancia de hierro en la corteza terrestre

Técnicas de fabricación de los aceros económicas.

Alta versatilidad.

Para dejar mas claro, anexamos este breve video.