Fundición - Smelting

Horno de fundición de fosfato eléctrico en una planta química de TVA (1942)

La fundición es un proceso de aplicación de calor al mineral para extraer un metal base . Es una forma de metalurgia extractiva . Se utiliza para extraer muchos metales de sus minerales, incluidos plata , hierro , cobre y otros metales básicos . La fundición utiliza calor y un agente químico reductor para descomponer el mineral, expulsando otros elementos como gases o escoria y dejando atrás la base metálica. El agente reductor es comúnmente una fuente de carbono como combustible fósil , como el coque o, en épocas anteriores, el carbón vegetal.. El oxígeno del mineral se une al carbono a altas temperaturas debido a la menor energía potencial de los enlaces en el dióxido de carbono ( CO
2
). La fundición se realiza principalmente en un alto horno para producir arrabio , que se convierte en acero .

La fuente de carbono actúa como un reactivo químico para eliminar el oxígeno del mineral, produciendo el elemento metálico purificado como producto. La fuente de carbono se oxida en dos etapas. Primero, el carbono (C) se quema con oxígeno (O 2 ) en el aire para producir monóxido de carbono (CO). En segundo lugar, el monóxido de carbono reacciona con el mineral (por ejemplo, Fe 2 O 3 ) y elimina uno de sus átomos de oxígeno, liberando dióxido de carbono ( CO
2
). Después de sucesivas interacciones con el monóxido de carbono, se eliminará todo el oxígeno del mineral, dejando el elemento de metal en bruto (por ejemplo, Fe). Como la mayoría de los minerales son impuros, a menudo es necesario utilizar un fundente , como piedra caliza (o dolomita ), para eliminar la ganga de roca que los acompaña como escoria. Esta reacción de calcinación también emite frecuentemente dióxido de carbono.

Las plantas para la reducción electrolítica de aluminio también se denominan generalmente fundiciones de aluminio .

Proceso

La fundición implica más que simplemente fundir el metal de su mineral. La mayoría de los minerales son el compuesto químico del metal y otros elementos, como oxígeno (como óxido ), azufre (como sulfuro ) o carbono y oxígeno juntos (como carbonato ). Para extraer el metal, los trabajadores deben hacer que estos compuestos experimenten una reacción química. Por tanto, la fundición consiste en utilizar sustancias reductoras adecuadas que se combinan con esos elementos oxidantes para liberar el metal.

Asado

En el caso de los sulfuros y carbonatos, un proceso llamado " tostado " elimina el carbono o azufre no deseado, dejando un óxido, que puede reducirse directamente. El tostado se realiza generalmente en un ambiente oxidante. Algunos ejemplos prácticos:

  • La malaquita , un mineral común de cobre , es principalmente hidróxido de carbonato de cobre Cu 2 (CO 3 ) (OH) 2 . Este mineral sufre descomposición térmica a 2CuO, CO 2 y H 2 O en varias etapas entre 250 ° C y 350 ° C. El dióxido de carbono y el agua se expulsan a la atmósfera, dejando óxido de cobre (II) , que se puede reducir directamente a cobre como se describe en la siguiente sección titulada Reducción .
  • Galena , el mineral más común de plomo, es principalmente sulfuro de plomo (PbS). El sulfuro se oxida a un sulfito (PbSO 3 ), que se descompone térmicamente en gas óxido de plomo y dióxido de azufre. (PbO y SO 2 ) El dióxido de azufre se expulsa (como el dióxido de carbono en el ejemplo anterior) y el óxido de plomo se reduce como se muestra a continuación.

Reducción

La reducción es el paso final a alta temperatura en la fundición, en el que el óxido se convierte en el metal elemental. Un entorno reductor (a menudo proporcionado por el monóxido de carbono, producido por la combustión incompleta en un horno sin aire) extrae los átomos de oxígeno finales del metal en bruto. La temperatura requerida varía en un rango muy amplio, tanto en términos absolutos como en términos del punto de fusión del metal base. Ejemplos:

  • El óxido de hierro se convierte en hierro metálico a aproximadamente 1250 ° C (2282 ° F o 1523,15 K), casi 300 grados por debajo del punto de fusión del hierro de 1538 ° C (2800,4 ° F o 1811,15 K).
  • El óxido de mercurio se convierte en mercurio vaporoso cerca de 550 ° C (1022 ° F o 823,15 K), casi 600 grados por encima del punto de fusión del mercurio de -38 ° C (-36,4 ° F o 235,15 K).

El fundente y la escoria pueden proporcionar un servicio secundario después de que se completa el paso de reducción: proporcionan una cubierta fundida sobre el metal purificado, evitando el contacto con el oxígeno mientras aún están lo suficientemente calientes como para oxidarse fácilmente. Esto evita que se formen impurezas en el metal.

Flujos

Los trabajadores del metal usan fundentes en la fundición para varios propósitos, el principal de los cuales es catalizar las reacciones deseadas y unirse químicamente a impurezas o productos de reacción no deseados. El óxido de calcio, en forma de cal , se usaba a menudo para este propósito, ya que podía reaccionar con el dióxido de carbono y el dióxido de azufre producidos durante el tostado y la fundición para mantenerlos fuera del ambiente de trabajo.

Historia

De los siete metales conocidos en la antigüedad , solo el oro se encuentra regularmente en forma nativa en el entorno natural. Los otros ( cobre , plomo , plata , estaño , hierro y mercurio ) se encuentran principalmente como minerales, aunque el cobre se encuentra ocasionalmente en su estado nativo en cantidades comercialmente significativas. Estos minerales son principalmente carbonatos , sulfuros u óxidos del metal, mezclados con otros componentes como sílice y alúmina . Tostar los minerales de carbonato y sulfuro en el aire los convierte en óxidos. Los óxidos, a su vez, se funden en el metal. El monóxido de carbono fue (y es) el agente reductor de elección para la fundición. Se produce fácilmente durante el proceso de calentamiento y como gas entra en contacto íntimo con el mineral.

En el Viejo Mundo , los humanos aprendieron a fundir metales en tiempos prehistóricos , hace más de 8000 años. El descubrimiento y uso de los metales "útiles" - cobre y bronce al principio, luego hierro unos milenios más tarde - tuvo un impacto enorme en la sociedad humana. El impacto fue tan generalizado que los eruditos tradicionalmente dividen la historia antigua en Edad de Piedra , Edad del Bronce y Edad del Hierro .

En las Américas , las civilizaciones preincaicas de los Andes centrales en Perú habían dominado la fundición de cobre y plata al menos seis siglos antes de la llegada de los primeros europeos en el siglo XVI, sin dominar nunca la fundición de metales como el hierro para su uso con armas. -artesanía.

Estaño y plomo

En el Viejo Mundo , los primeros metales fundidos fueron el estaño y el plomo. Las primeras cuentas de plomo fundidas conocidas se encontraron en el yacimiento de Çatal Höyük en Anatolia ( Turquía ) y datan de aproximadamente el 6500 a. C., pero es posible que el metal se conociera antes.

Dado que el descubrimiento ocurrió varios milenios antes de la invención de la escritura, no hay ningún registro escrito sobre cómo se hizo. Sin embargo, el estaño y el plomo se pueden fundir colocando los minerales en un fuego de leña, dejando la posibilidad de que el descubrimiento haya ocurrido por accidente.

El plomo es un metal común, pero su descubrimiento tuvo relativamente poco impacto en el mundo antiguo. Es demasiado blando para usar con elementos estructurales o armas, aunque su alta densidad en relación con otros metales lo hace ideal para lanzar proyectiles. Sin embargo, dado que era fácil de moldear y moldear, los trabajadores del mundo clásico de la Antigua Grecia y la Antigua Roma lo usaban ampliamente para canalizar y almacenar agua. También lo usaron como mortero en construcciones de piedra.

El estaño era mucho menos común que el plomo y solo es un poco más duro, y tenía aún menos impacto por sí mismo.

Cobre y bronce

Después del estaño y el plomo, el siguiente metal fundido parece haber sido el cobre. Se debate cómo se produjo el descubrimiento. Las fogatas están a unos 200 ° C por debajo de la temperatura necesaria, por lo que algunos proponen que la primera fundición de cobre pudo haber ocurrido en hornos de alfarería . El desarrollo de la fundición de cobre en los Andes, que se cree que ocurrió independientemente del Viejo Mundo , pudo haber ocurrido de la misma manera. La evidencia actual más antigua de fundición de cobre, que data de entre el 5500 a. C. y el 5000 a. C., se ha encontrado en Pločnik y Belovode, Serbia. Una cabeza de maza encontrada en Can Hasan , Turquía y fechada en 5000 a. C., que alguna vez se pensó que era la evidencia más antigua, ahora parece ser de cobre nativo martillado.

La combinación de cobre con estaño y / o arsénico en las proporciones adecuadas produce bronce , una aleación que es significativamente más dura que el cobre. Los primeros bronces de cobre / arsénico datan del 4200 aC de Asia Menor . Las aleaciones de bronce incas también eran de este tipo. El arsénico es a menudo una impureza en los minerales de cobre, por lo que el descubrimiento podría haberse realizado por accidente. Finalmente, se agregaron intencionalmente minerales que contenían arsénico durante la fundición.

Los bronces de cobre y estaño, más duros y duraderos, se desarrollaron alrededor del 3500 aC, también en Asia Menor.

Se desconoce cómo aprendieron los herreros a producir bronces de cobre / estaño. El primero de estos bronces pudo haber sido un afortunado accidente de minerales de cobre contaminados con estaño. Sin embargo, para el año 2000 a. C., la gente extraía estaño con el propósito de producir bronce, lo cual es sorprendente dado que el estaño es un metal semi-raro, e incluso un mineral rico en casiterita solo tiene un 5% de estaño. Además, se necesitan habilidades especiales (o instrumentos especiales) para encontrarlo y localizar filones más ricos . Independientemente de la forma en que los primeros pueblos aprendieron sobre el estaño, ya entendieron cómo usarlo para hacer bronce en el año 2000 a. C.

El descubrimiento de la fabricación de cobre y bronce tuvo un impacto significativo en la historia del Viejo Mundo . Los metales eran lo suficientemente duros como para fabricar armas más pesadas, más fuertes y más resistentes al daño por impacto que los equivalentes de madera, hueso o piedra. Durante varios milenios, el bronce fue el material elegido para armas como espadas , dagas , hachas de batalla y puntas de lanza y flecha , así como equipos de protección como escudos , cascos , grebas (espinilleras de metal) y otras armaduras corporales . Bronce también suplantado piedra, madera y materiales orgánicos en herramientas y utensilios para el hogar, tales como cinceles , sierras , azuelas , las uñas , tijeras de cuchillas , cuchillos , agujas de coser y alfileres , jarros , ollas de cocina y calderos , espejos , y correajes de caballos . El estaño y el cobre también contribuyeron al establecimiento de redes comerciales que abarcaron grandes áreas de Europa y Asia y tuvieron un efecto importante en la distribución de la riqueza entre individuos y naciones.

Fundición de trípodes ding de bronce, de la enciclopedia china Tiangong Kaiwu de Song Yingxing , publicada en 1637.

Fundición temprana de hierro

La evidencia más temprana de la fabricación de hierro es una pequeña cantidad de fragmentos de hierro con las cantidades apropiadas de mezcla de carbono que se encuentran en las capas de Proto-Hittite en Kaman-Kalehöyük y datan de 2200-2000  aC . Souckova-Siegolová (2001) muestra que los implementos de hierro se fabricaron en Anatolia central en cantidades muy limitadas alrededor del 1800 a. C. y fueron de uso general por las élites, aunque no por los plebeyos, durante el nuevo imperio hitita (∼1400-1200 a. C.).

Los arqueólogos han encontrado indicios de trabajo con hierro en el Antiguo Egipto , en algún lugar entre el Tercer Período Intermedio y la 23ª Dinastía (ca. 1100-750 a. C.). Sin embargo, es significativo que no hayan encontrado evidencia de fundición de mineral de hierro en ningún período (premoderno). Además, las primeras instancias de acero al carbono se produjeron hace unos 2000 años (alrededor del siglo I d.C.) en el noroeste de Tanzania , sobre la base de complejos principios de precalentamiento. Estos descubrimientos son importantes para la historia de la metalurgia.

La mayoría de los primeros procesos en Europa y África involucraron la fundición de mineral de hierro en un bloomery , donde la temperatura se mantiene lo suficientemente baja para que el hierro no se derrita. Esto produce una masa esponjosa de hierro llamada flor, que luego debe consolidarse con un martillo para producir hierro forjado . La evidencia más temprana hasta la fecha de la fundición floreciente del hierro se encuentra en Tell Hammeh , Jordania ( [1] ), y data del 930 a. C. ( datación C14 ).

Fundición de hierro posterior

Desde el período medieval, un proceso indirecto comenzó a reemplazar la reducción directa de bloomeries. Este utilizó un alto horno para hacer arrabio , que luego tuvo que someterse a un proceso adicional para hacer barras de hierro forjables. Los procesos para la segunda etapa incluyen la clarificación en una fragua de galas y, desde la Revolución Industrial , el encharcamiento . Ambos procesos son ahora obsoletos y el hierro forjado rara vez se fabrica. En cambio, el acero dulce se produce a partir de un convertidor bessemer o por otros medios, incluidos los procesos de reducción de fundición, como el proceso Corex .

Metales básicos

Cowles Syndicate of Ohio en Stoke-upon-Trent , Inglaterra , a fines de la década de 1880. British Aluminium utilizó el proceso de Paul Héroult en esta época.

Los minerales de los metales básicos son a menudo sulfuros. En los últimos siglos, se han utilizado hornos de reverberación para mantener la carga fundida separada del combustible. Tradicionalmente, se usaban para el primer paso de la fundición: formar dos líquidos, uno una escoria de óxido que contiene la mayoría de las impurezas y el otro una mata de sulfuro que contiene el valioso sulfuro metálico y algunas impurezas. Estos hornos de "reverberación" tienen hoy unos 40 metros de largo, 3 metros de alto y 10 metros de ancho. El combustible se quema en un extremo para derretir los concentrados de sulfuro secos (generalmente después de un tostado parcial) que se alimentan a través de las aberturas en el techo del horno. La escoria flota sobre la mata más pesada y se retira y desecha o recicla. Luego, la mata de sulfuro se envía al convertidor . Los detalles precisos del proceso varían de un horno a otro dependiendo de la mineralogía del yacimiento.

Si bien los hornos de reverberación producían escorias que contenían muy poco cobre, eran relativamente ineficientes desde el punto de vista energético y liberaban una baja concentración de dióxido de azufre que era difícil de capturar; una nueva generación de tecnologías de fundición de cobre las ha suplantado. Los hornos más recientes explotan la fundición en baño, la fundición con lanza de chorro superior, la fundición instantánea y los altos hornos. Algunos ejemplos de fundiciones de baño incluyen el horno Noranda, el horno Isasmelt , el reactor Teniente, la fundición Vunyukov y la tecnología SKS. Las fundiciones de lanza de chorro superior incluyen el reactor de fundición de Mitsubishi. Las fundiciones flash representan más del 50% de las fundiciones de cobre del mundo. Hay muchas más variedades de procesos de fundición, incluidos Kivset, Ausmelt, Tamano, EAF y BF.

Impactos ambientales

La fundición tiene efectos graves sobre el medio ambiente , ya que produce aguas residuales y escoria y libera metales tóxicos como el cobre , la plata, el hierro, el cobalto y el selenio a la atmósfera. Las fundiciones también liberan dióxido de azufre gaseoso , que contribuye a la lluvia ácida , que acidifica el suelo y el agua.

La fundición de Flin Flon, Canadá, fue una de las mayores fuentes puntuales de mercurio en América del Norte en el siglo XX. Incluso después de que las emisiones de las fundiciones se redujeran drásticamente, la reemisión del paisaje siguió siendo una importante fuente regional de mercurio. Es probable que los lagos reciban contaminación por mercurio de la fundición durante décadas, tanto por las reemisiones que regresan como agua de lluvia como por la lixiviación de metales del suelo.

La contaminación del aire

Aguas residuales

Los contaminantes de las aguas residuales vertidos por las acerías incluyen productos de gasificación como benceno , naftaleno , antraceno , cianuro , amoníaco , fenoles y cresoles , junto con una gama de compuestos orgánicos más complejos conocidos colectivamente como hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP). Las tecnologías de tratamiento incluyen el reciclaje de aguas residuales; decantadores , clarificadores y sistemas de filtración para remoción de sólidos; skimmers y filtración de aceite ; precipitación química y filtración de metales disueltos; adsorción de carbono y oxidación biológica de contaminantes orgánicos; y evaporación.

Los contaminantes generados por otros tipos de fundiciones varían con el mineral de metal base. Por ejemplo, las fundiciones de aluminio generalmente generan fluoruro , benzo (a) pireno , antimonio y níquel , así como aluminio. Las fundiciones de cobre normalmente descargan cadmio , plomo, zinc , arsénico y níquel, además de cobre.

Impactos en la salud

Los trabajadores que trabajan en la industria de la fundición han informado de enfermedades respiratorias que inhiben su capacidad para realizar las tareas físicas exigidas por sus trabajos.

Ver también

Referencias

Bibliografía

  • Pleiner, R. (2000) Hierro en arqueología. Las fundiciones europeas Bloomery , Praha, Archeologický Ústav Av Cr.
  • Veldhuijzen, HA (2005) Cerámica técnica en la fundición temprana del hierro. El papel de la cerámica en la producción de hierro de principios del primer milenio antes de Cristo en Tell Hammeh (Az-Zarqa), Jordania. En: Prudêncio, I.Dias, I. y Waerenborgh, JC (Eds.) Entendiendo a las personas a través de su cerámica; Actas del VII Encuentro Europeo de Cerámica Antigua (Emac '03) . Lisboa, Instituto Português de Arqueologia (IPA).
  • Veldhuijzen, HA y Rehren, Th. (2006) Formación de escoria de fundición de hierro en Tell Hammeh (Az-Zarqa), Jordania. En: Pérez-Arantegui, J. (Ed.) Actas del 34º Simposio Internacional de Arqueometría, Zaragoza, 3 a 7 de mayo de 2004 . Zaragoza, Institución «Fernando el Católico» (CSIC) Excma. Diputación de Zaragoza.

enlaces externos