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Bloque1.DefiniciónySubdivisióndelasMetalurgias

MetalurgiaySiderurgia

MaríaLuisaPaynoHerreraJesúsSe3énMarquínezDPTO.DECIENCIAEINGENIERÍADELTERRENOYDELOSMATERIALES

EstetemasepublicabajoLicencia:CreaLveCommonsBY‐NC‐SA3.0

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/es/



MaríaLuisaPaynoHerrera/JesúsSeLénMarquínez

DEFINICIONYSUBDIVISIONDELAMETALURGIA

•  Lametalurgia consLtuye los fundamentos cienXficos y técnicos que seocupan de invesLgar los procedimientosmediante los cuales se puedenextraer, con beneficio económico, de las menas los metales úLles,aprovechandolossubproductos,asicomolasoperacionesparadarles lasformasmásadecuadasqueopLmicesuposterioruLlización.Sesubdividelametalurgiaen:

o  MetalurgiageneraloMetalurgiaextracLva

o  MetalogíaoEstadoMetálico.o  Metalurgiasespeciales.




•  Lametalurgiaextrac3va:seestudialosprocesosquímicos,ysufundamento,necesariosparabeneficiaunamenamineralprimariaounmaterialsuscepLbledereciclar,obteniendoaparLrdeellos,elmetalmásomenospuro,obajolaformadealgunodesuscompuestos.

•  LametalurgiaextracLvacomenzósiendounarteempíricohastallegaraserunaciencia,atravésdelestudiodelascaracterísLcas]sico‐químicasdelosmaterialesquereaccionanylaaplicacióndelatermodinámicayleyesdelaquímica]sicaalosprocedimientosdeextracción.

•  Eltérmino]sico‐químicaabarcaunaramadelacienciacomprendelaaplicacióndelosprincipiosdela]sicaydelaquímicaalasreaccionesquímicas:termodinámica,equilibrio,cinéLcaquímica……

Metalurgiageneraloextrac3va




  Concentracióndemenas.

 MetalurgiasecaoPirometalurgia.

 MetalurgiahúmedaoHidrometalurgia.

  ElectrometalurgiaoElectroquímicao  ElectrometalurgiaporcaldeooElectrotérmica

o  ElectrometalurgiapordescomposiciónoElectrólisis.

• Procesosenlametalurgiaextrac3va:




•  Tratadelastransformacionesdelosmetales,desuformaoestructurainterna,asícomodelosensayosquepermitenasegurarlascaracterísLcasdelosmismos.Parasuestudiosedivideen:

 Metalogra]ayconformacióndelosmetalesyaleaciones.

 Ensayos]sicos. Recubrimientosprotectoresycorrosión.

 Fabricacióndealeaciones. Mecanizadoysoldadura.

 PolvometalotécniaoPolvometalogía.

MetalogíaoEstadoMetálico




•  Metalurgiaespecial

•  Consideralosprocedimientosnecesarioslaobtencióneconómicadeundeterminadometaloaleaciónconlaformaylapurezanecesariaqueleexigelaindustria:

 M.especialdelosmetalesférreos

 M.especialdelosmetalesnoférreos




•  Los primeros pasos de la metalurgia se basaron en conocimientosempíricosyhabilidadespersonalesporloquecabemashablardeartequedeciencia.

•  Laimportanciatangrandequehantenidolosmetalesenlahistoriadelahumanidad han hecho que en sus primeras épocas se cronifique connombres de los metales o de las aleaciones más uLlizados en aquellosperiodosdeLempo.

Metalurgiacomociencia




•  Hastahaceaproximadamente200añoselhombrebasósucivilizaciónconsóloochometales(cobre,oro,plata,hierro,plomo,estaño,mercurio,zinc)ytresaleaciones(acero,bronceylatón).

•  SinembargoeldesarrollotecnológicobasadoenlosavancesdelconocimientocienXficovinculadoalascienciasbásicashapermiLdoqueactualmentesedispongadesetentametalesymilesdealeaciones,fundamentalesparaelprogresoycalidaddevidadelahumanidad.




Fuente:hep://es.wikipedia.org/wiki/Descubrimiento_de_los_elementos_qu%C3%ADmicos




Carbónvegetal MineralFuelle

Hogarprecursordeunhorno Hornoprimi3vo

ReelaboradoaparLrdeHabashi,F.:Extrac'veMetallurgy:GeneralPrinciples,1968.

•  Primerosmetales

•  RazonesquepermiLerondisponerdelosprimerosochometales:

–  AlgunosaparecenenestadonaLvo:Au,Ag,Fe(meteorito),Hg–  LosóxidosdeCu,Fe,Sn,Pb,sepuedenobtenerporreducciónenfuegoscon

materiascarbonáceas

–  Algunoscomoel(Pb,Sn)puedenfundirconextremafacilidadsobretodoaparLrdesusmenas




Tapóndebarrotemporal

Inyecciónforzadadeaire

HornoromanoMetal

Escorias

Mineralycarbónvegetal

ReelaboradoaparLrdeHabashi,F.:Extrac'veMetallurgy:GeneralPrinciples,1968.




•  HastalarevolucióncienXficadelsigloXVIII:habilidadtransmiLdadepadresahijos.

•  LentaevoluciónyesporádicosydistanciadosdescubrimientosenelespacioyenelLempo.

•  Basadosendescubrimientos.

Artemetalúrgico




•  Juntoalaevidenteimportanciadelgransignificadoqueeldescubrimiento,obtención,transformaciónyaplicacióndelosmetaleshatenidoparalahumanidad,existeunagranoscuridadsobrelosantecedenteshistóricosdelaobtencióndelosmetales.

•  PosiblementelosdosmetalesqueprimerouLlizóelhombreprehistóricofueronlosdosquepuedenexisLrenformanaLva:eloroyelcobre.

•  ElusoquesehizodeestosdosmetalesselimitóprácLcamenteaobjetosdecoraLvospuessuscaracterísLcasmecánicasenestadonaLvonopermiXan,sobretodosublandura,usosmasprácLcos.

Brevehistoriadelametalurgia




•  Suvalorornamentalsebasabaensuinalterabilidadfrentealfuegoylosagentesatmosféricos.Elcobreseusóyaenelaño4.000a.J.C.

•  ProbablementedeformacasualsecomprobóqueelmarLlleodeloroydelcobremejorabalaspropiedadesdeestos,parLcularmentesudureza

•  AsímismoelprimerhierroqueuLlizólahumanidadfuecasisegurodeorigenmeteoríLco,aleacióndeFeyNi.TambiéndeformacasualsecomprobaríaquesucalentamientopermiXadoblar,forjaryasíhacerflechasyherramientas.




•  UnaverdaderarevolucióntecnológicaqueabrióunanuevaépocadelaculturahumanacomienzaconeldescubrimientodequealcalentarenciertascondicionesotroLpodepiedrasseobLeneunnuevomaterialdeasombrosasposibilidades:sepuedeforjar,moldear,Lenedurezaypermitedarlearistascortantes.EstaépocaseconocecomolaEdaddelBronce,aproximadamente4.000añosa.J.C.

•  Eselcomienzodelametalurgia:producircobredemenasoxidadasybronceaparLrdemenasoxidadasdecobreyestaño,mezcladasconcarbónenunhorno.




•  ConelRenacimientoseiniciólaEraCienXficayserenovóelinterésporlosmetalesyaleaciones

•  EldescubrimientodelaimprentaporGutembergcontribuyóaladifusióndetodaslascienciasyentreellaslaMetalurgia

•  TressonloslibrosquemarcanelcomienzodelaeracienXficadelaMetalurgia:

  “DELAPIROTECNIA”deVannocioBiringnecio(1.480‐1.539)  “DEREMETÁLICA”deGeorgiusAgrícola(1.556)  “BERCHREINBUNGALLERFÜRNIMISTENMINERALISCHENERTZTUND

BERGKWERCKSARTER”deLazarusErker(1.574),quepuedetraducirsepor“Tratadoenelquesedescribenlosaspectosmásrelevantesdelasmenasmetálicasyminerales”




•  “DEREMETALICA”,eseltratadoclásicodetodoslosaspectosdelaminería,laprospección,laaperturadepozosysocavones,loscálculosdelosgeómetras,loshornosdeensayosydefundición

•  Durantetrescientosañoshasidoeltratadonosuperadodetodaslastécnicasmineras,elresumendetodoslosmétodosdeextracciónyfundiciónyelúnicotratadode:químicaaplicada,degeologíaydetécnicaindustrial

•  Eltercerodescribelosaspectosmásrelevantesdelapreparacióndemenasydelaobtenciónyafinodelosmetales




•  EnlossiglosXVI,XVIIquedarontambiéntesLmoniosescritosdelapreocupaciónminero‐metalúrgicaentrelosquedestacan:

•  “RepertorioperpetuooFabricadelUniverso”1.563sobreelempleodelosmetalesy“DeReMetálica”(1.569),ambosdeBERNARDOPEREZDEVARGAS

•  Sinembargo,sobresaleentretodoslaobradeALVAROALONSOBARBA,curadePotosí,“ARTEDELOSMETALES”quefuesindudaelmejortratadodemetalurgiaescritoenelsigloXVII

•  HayunareediciónpatrocinadaporUniónExplosivosRíoTinto,comoaportaciónalbicentenariodelafundacióndelaEscuelaTécnicaSuperiordeIngenierosdeMinasdeMadrid,queseconmemoróenelaño1.977




•  PapelimportantedeexpedicionescienXficasqueincluíanmineralogístas,naturalistas,analistas(Darwin,Cook,Malaspina,Humboldt)

•  Sedescubren15nuevosmetalesentrelosquehayquedestacar:Co,Pt,Zn,Ni,Bi,Mn,Mo,W,U,Zr,Ti,Be,Cr

•  CreacióndelasprimerasEscuelasdeMinas:Friburgo,SanPetesburgo,Potosí(1757),Paris(1783),Méjico(1792)

•  Avancedeconocimientosquímicos(Lavoisier,Dalton,Proust)

•  Usodelcarbónmineralycoque.

MetalurgiaenelsigloXVIII




•  Másdecuarentanuevosmetales

•  DescubrimientodelacéluladeVoltayconellaobtencióndemetalesalcalinoyalcalinotérreos

•  Obtencióndelaluminio

•  InvencióndelespectroscopioyotrastécnicasanalíLcasquepermiLeronidenLficarmenasynuevosmetales

•  Eldescubrimientodelatablaperiódicapermitepredecirlaexistenciadenuevoselementosydesuspropiedades

•  Avanceenlatecnologíadelaceroydelosacerosaleados

•  Comienzodelaelectrometalurgiaydelaelectrolisisdesalesfundidas

•  DescubrimientoafinalesdesiglodelosmetalesradiacLvos

MetalurgiaenelsigloXIX




•  DescubrimientodelosmetalesdelasLerrasraras(lantánidos,acLnidos)ydelostransuránidos(americio,plutonio..)

•  Descubrimientodelafisióndeluranioynecesidaddenuevastécnicasmetalurgistasparasuobtención

•  Avancestecnológicoscomoelmotordereacción,laelectrónicaonavesespacialesquenecesitanmetalesyaleacionesconprestacionesextraordinarias

•  AvanceenlaIngenieríaquímicaquepermiLóoperacionesmetalúrgicasmásselecLvasyeficientes

MetalurgiaenelsigloXX




•  AvancesenlaingenieríaycontroldeprocesosquepermitenobtenermetalesmáspurosaparLrdemenasmáspobresycomplejasyaprecioscompeLLvos

•  ImportanciadelametalurgiasecundariaaparLrderesiduosporrazonesdesostenibilidad

•  Mayoratenciónalosproblemasambientales

Metalurgiaextrac3vahoy




•  En la tabla tenemos la composición media de la cortezaterrestre,debemosdetenerencuentaquelapalabracortezaseempleaenel senLdomásestricto, yaque la composicióninterna de la Lerra es muy densa y está formada casitotalmenteporFeyNi

•  Podemosobservarque:–  delosmetalesmascorrientes,latablasoloincluyeelAl,

Fe,Cu,Zn,Pb

–  queochoelementosconsLtuyenel98,58%delacortezaterrestre

–  resulta sorprendente ver que el zirconio abunda masqueelcobreyelzinc

–  quealgunosmetalespococonocidoscomoelniobioyeltantalioabundanmasqueelplomo,

–  queelestañoesdelosmenosabundantes

–  Podemos decir también que la corteza terrestre soloconLene trazas de cadmio,mercurio y plata y que hasidouna suertepara el hombreque la naturalezahayaencontrado los metales mas corrientes en yacimientossuscepLblesdebeneficio

Oxígeno 46,600Silicio 27,720Aluminio 8,130Hierro 5,010Calcio 3,630Sodio 2,850Potasio 2,600Magnesio 2,090Bario 0,050Cromo 0,037Carbono 0,032Circonio 0,026Níquel 0,020Vanadio 0,017Cerioeitrio 0,015Cobre 0,010Volframio 0,005LiLo 0,004Cinc 0,004Niobioytantalio 0,003Hafnio 0,003Cobalto 0,001Boro 0,001Berilio 0,001Molibdeno 0,0001Arsénico 0,0001Estaño 0,0001Cadmio 0,00001Mercurio 0,00001Plata 0,000001Selenio 0,0000001Oro 0,00000001

Composicióndelacortezaterrestre%




•  Lasprimerasmateriasdelasoperacionesmetalúrgicasson:lasmenasylosreacLvos.

•  Losproductosmetalúrgicossonlosobtenidosalfinaldelprocesometalúrgicoyson:productosúLles,productosintermediosylosresiduos

•  Menametálica:asociacióndemineralesaparLrdelacualunoovariosmetalespuedenserobtenidosdeformaeconómicamentefavorable

Primerasmateriasyproductosmetalúrgicos




•  Laclasificacióndelamenaspuedeefectuarsesegún: lanaturalezadelacombinaciónquímica lanaturalezadelaganga elpuntodevistaeconómico.

•  Segúnlanaturalezadelacombinaciónquímica,sedivideen:

 menassulfuradas oxidadas halogenadas.

Tiposdemenas




•  SonlasqueconLenenalmetalúLlenlaformadesulfuro,arseniuro,anLmoniuro,sulfoarseniuro,sulfoanLmoniuro,teluroosulfato.

•  Sonmenaspesadas,conbrillometálico,ysugangaestáconsLtuidaprincipalmenteporsílice,arcilla,carbonatosdecalymagnesia,óxidosdehierro.EnmenorproporciónLenenbariLna,sulfatosdecalcioymagnesio,carbonatosdehierroysulfurosdehierro.

Menassulfuradas




•  SonlasqueconLenenalmetalúLlenformadeóxidosodesilicatos.

•  DentrodelgrupodelasqueelmetalúLlestáenformadeóxido,tambiénse comprenden las menas en las que el metal úLl está en forma dehidróxido,fosfatoocarbonato.

•  Engeneral,sinbrillometálico(exceptoelhierroespecular,queLenebrillometálico).SugangaestáconsLtuidaporsílice,arcilla,carbonatosdecalcioymagnesioyóxidosdehierro.

Menasoxidadas




•  Segúnlanaturalezadelaganga,sedividenen:menassiliciosas,arcillosas,calcáreasyferruginosas,segúnquecontengancanLdadesconsiderablesdesílice,arcilla,calizaohierro.

•  Menasácidasymenasbásicas.

•  LasprimerassonlasqueconLenenunexcesodesílicelibre(sincombinar),ylassegundasalasque,aunconteniendosílicelibrelaLenenenpocacanLdadyenlasquepredominanloscompuestosdecalcio,magnesio,hierrouotrosmetalesbásicos.

•  Desdeelpuntodevistaeconómico,sedividenenmenasricasymenaspobres.

Otrasclasificaciones




•  Leydelosmetalespotencialmenteextraíbles

•  Preciodelmetal(10%Alno,10ppmAusi)

•  Costesdeexplotaciónminera

•  Costesdeprocesosdeextracciónmetalúrgica

•  Presenciadeelementostóxicoscomoimpurezas

Factoresqueinfluyen:rentabilidaddelamena




•  Comoejemplo,seacompañauncuadroenqueseindicaqué%demetalesactualmentenecesarioparasuconcentraciónyqué%demetalesprecisoenlamenaparasuextracciónmetalúrgica.

•  EstosdatosvaríanconelLempo,enfuncióndelosadelantosdeconcentraciónydeextracción.




•  LosLposdemineralesnaturalesqueseofrecenenelmercadoson:

a)  Elllamadotodo‐uno,enelquegruesosyfinosaparecenmezclados,biensegún como se produjo la explotación de lamena, o bien se realizó lamezcladefinosygruesos,segúnlaconvenienciadelminero.

b)  Los gruesos o cribados, que son aquellos de tamaños superiores a 6milímetros,eltamañomáximodeestosgruesosesvariable,dependiendodelfijadoporelconsumidor.Losgruesosdetamañosentre6y25mm.,actualmenteselesconoceconelnombredePelletsnaturales.

c)  Losfinos,cuandosugranulometríaesinferiorde6u8mm..

d)  Los concentrados finos, son los obtenidos por medio de unprocedimiento de concentración, que a su vez, se clasifican en:concentradosquepuedensinterizarsey losquenopuedensinterizarse,debido a tener una granulometría muy fina, pero en cambio puedenpeleLzarse.

TIPOSDEMINERALES




•  SonlassustanciasqueLenenporobjetomodificar,duranteeltranscursodelprocesometalúrgico,lacomposición:

  delamena  delmetalúLlo  delaganga.

•  SucaracterísLcaprincipal,esquesonsustanciasabundantesenlanaturaleza,yportantodepocoprecio.

•  Seclasificansegúnlafunciónquedesempeñanen:  oxidantes  reductores  fundentes  deprecipitación  adiciones.

Reac3vos




•  LosreacLvosoxidantes

TienenporobjetooxidaralamenaengeneraloalacombinaciónenquesepresenteelmetalúLl.Soneloxígeno,elvapordeaguayelanhídridocarbónico.TambiénseagrupancomoreacLvosoxidantes,alosagentessulfurantescomolapiritayalosagentesclorurantescomolasalcomún.

•  LosreacLvosreductoresTienenporobjetoreduciralacombinaciónenquesepresentaelmetalúLl,auncuandopuedenhacerloalamenaengeneral.Son:elcarbono,elmonóxidodecarbonoyloshidrocarburos.

•  LosreacLvosfundentesSonlassustanciasque,mezcladasconlamena,Lenenporobjetoelhacerquesugangaseafusibleysepararlapordiferenciadedensidaddelrestodelfundido.LosmásuLlizadosson:lascalizas,lasdolomías,lasarcillas,bariLna,espato‐flúor,yentrelosfundentesmetálicosseuLlizanlosóxidosdehierroymanganeso.




•  LosreacLvosdeprecipitación

SonlassustanciasquedesplazanalmetalúLldesucombinaciónquímica,ocupandoellossulugarydejandoalmetalúLlalestadometálico(libre).EngeneralsondelLpometálicocomoelFe,Zn,Ca,yestáncontenidosenelfundenteenformadebasefuerte.

•  LosreacLvosdeadición

Son las sustancias que se introducen a lo largo del procesometalúrgicocon objeto de modificar las caracterísLcas del producto a obtener. Sonespecíficos de cadametalurgia especial. Lamezcla demena, reductores(oxidantes), fundentes y adiciones consLtuye loque sedenomina lechodefusiónoparva.




•  Productosú3les•  EstánconsLtuidosporlosmetalesúLlesosusaleaciones,queengeneralse obLenen al estado líquido (vía seca) o en forma de lodos, grumos oplacascatódicas(víaelectroquímicaohúmeda).

•  Productosintermedios•  Sonaquellos en losque se encuentra elmetal úLl liberadode lamayorparte de las impurezas que le acompañaban en la mena y posee, portanto, una riqueza más elevada en el metal. Reciben disLntadenominaciónsegúnelLpodecombinaciónquímicaenqueseencuentreelmetalúLl.Sielmetalestáenformadesulfuro,elproductointermediose conoce por el nombre de "mata". Si está en forma de arseniuro oanLmoniuro,recibeelnombrede"speiss”

PRODUCTOSMETALÚRGICOS




•  Residuos

 Sonlosproductosobtenidos,enlosquesehanacumuladotodaslasmateriasnointeresantesdelamena(principalmenteganga).

 CuandoesteresiduoseobLenealestadolíquido,sedenomina"escoria".




1)  Detectarelyacimiento2)  ConocerlasdiferentesconsLtuyentesmineralógicas

3)  Acotarlaszonasmasricas4)  Cubicajedelyacimiento

•  métododeextracción

•  relaciónestéril/mineral•  Evaluaciónsielyacimientoeseconómicamente

rentable

5)  Diseñodelprocesoaemplearincluyendo:•  Etapasdepreparacióndelmineral•  tratamientoquímico,paralarecuperacióndel

metal

•  Afinodelmetal

6)  Ensayoenlaboratorio7)  Ensayoenplantapiloto8)  ProyectodefiniLvo

•  Costes•  Inversión

•  rentabilidad

9)  Tratamientos•  Térmicos

•  Mecánicos

10)  Evitarlacorrosiónysutransformacióndenuevoencompuestosoxidadosdelmismo

Lapreparacióndemineralesenprocesadometalúrgicodeunadeterminadamateriaprima




•  Fundamentosteóricosdelametalurgia

 Termodinámica:calor,trabajo,entalpía,entropía,energíalibre,equilibrio

 DiagramasdeEllinghamyRichardson,paraenergíalibreenreaccionesmetalúrgicas

 Teoríadedisoluciones:acLvidad CinéLcadereaccionesheterogéneas Electroquímica




PRIMERASMATERIASPRIMAS

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