Serie 8 - Metales y Metalurgia PDF

SERIE 8: METALES Y METALURGIA Los metales son materiales que tienen múltiples aplicaciones y constituyen una pieza clave en la industria del transporte, telecomunicaciones, en el sector agrícola, en el campo de la construcción y en maquinaria y fabricación entre otros. Los seres humanos desde la a...

SERIE 8: METALES Y METALURGIA Los metales son materiales que tienen múltiples aplicaciones y constituyen una pieza clave en la industria del transporte, telecomunicaciones, en el sector agrícola, en el campo de la construcción y en maquinaria y fabricación entre otros. Los seres humanos desde la antigüedad han utilizado los metales, aprovechando sus propiedades, para producir objetos tecnológicos y así satisfacer sus necesidades. Actualmente los metales se utilizan en la industria, la agricultura, los transportes, las comunicaciones, etc. Propiedades de los metales El gran número de aplicaciones que presentan los metales se debe a las numerosas propiedades que tienen. Estas propiedades son: Tienen brillo metálico o brillo característico de los metales. Plasticidad: propiedad de los metales de deformarse de forma permanente al someterlos a una fuerza. Esta propiedad es muy útil porque permite disponer de los metales en láminas o planchas (maleabilidad) o en hilos o alambres (ductilidad) Tienen buena resistencia mecánica: capacidad para resistir los esfuerzos de tracción, compresión, torsión y flexión sin deformarse ni romperse. Son tenaces, ya que son resistentes a la rotura por impacto. Son conductores térmicos (del calor), eléctricos (de la electricidad) y acústicos (del sonido). Son más densos y pesados que otros materiales de uso técnico. Se dilatan y contraen cuando aumenta o disminuye la temperatura. Tienen la propiedad de fundirse (pasar de estado sólido a líquido) aunque cada uno lo hace a distinta temperatura. La gran mayoría de ellos se oxidan fácilmente, formando una capa de óxido que puede llegar a degradar el metal. Algunos metales tienen comportamiento magnético que es la propiedad que tienen de atraer a otros metales. Algunos de ellos son tóxicos, por lo que pueden ser nocivos para la salud o el medio ambiente. La mayoría de ellos son reciclables, es decir, una vez utilizados se pueden recuperar para fabricar nuevos productos 1 Metalurgia Es el conjunto de técnicas y procesos que intervienen en la extracción y obtención de metales y aleaciones. 1) La materia prima: Fuentes naturales Hay unos pocos metales que se encuentran en estado nativo (Au, Pt, algo de Cu y Ag). La mayoría de los metales se encuentran en la naturaleza formando parte de los minerales metálicos. Tipos de minerales metálicos MENA: depósito mineral cuya concentración es adecuada, desde el punto de vista económico, para extraer el metal de interés. 2 Etapas de la metalurgia 1) Concentración del mineral 2) Tostación o calcinación 3) Producción del metal (reducción) 4) Purificación del metal 1) Concentración del mineral Consiste en separar el metal o compuesto metálico del material residual (ganga) que lo acompaña en el mineral. Puede hacerse mediante separación física (por gravedad, por flotación, o por separación magnética) o química (por ejemplo, purificación de la bauxita para obtener Al por el método Bayer).. Separación química, ejemplo: proceso Bayer purificación de bauxita (Al2O3.xH2O) Al2O3.xH2O; impurezas: SiO2, Fe2O3, TiO2 Al2O3 (s) + 2OH- (ac) → 2 [Al(OH)4]- (ac) + H2O (l) [Al(OH)4]- (ac) + H3O+ (ac) → Al(OH)3 (s) + 2 H2O (l) (pH final = 6) En el proceso Bayer se hace uso de las diferentes propiedades ácido-base del óxido de aluminio y sus impurezas. Debido a las propiedades anfóteras del aluminio, el óxido de aluminio se disuelve en medio básico formando un hidroxocomplejo. El hierro no es un elemento anfótero, en consecuencia el Fe2O3 no se disuelve al alcalinizar. La sílice y los restantes óxidos presentes como impurezas tampoco se disuelven en medio básico. Tostación o calcinación Tiene por objeto trasformar el mineral en óxido para después proceder a su reducción, ya que los óxidos son más fácilmente reducibles. Una vez concentrado el mineral, se hace pasar una corriente de aire caliente. No es ambientalmente amigable si no se reciclan los gases producidos. Tostación: se realiza cuando el metal de interés se encuentra como sulfuro Ejemplo: 2 Cu2S (s) + 3 O2 (s) → 2 Cu2O (s) + 2 SO2 (s) Calcinación: se realiza cuando el metal de interés se encuentra como carbonato o hidróxido. Ejemplo: FeCO3 (s) → FeO (s) + CO2 (s) 2 Al(OH)3 (s) → Al2O3 (s) + 3H2O (v) 3 3) Producción del metal (reducción) Una vez que se tiene el mineral en forma de óxido, se realiza la reducción para obtener el metal libre. En este proceso, es fundamental la cuestión termodinámica, ya que ∆G de la reacción de reducción debe ser < 0 A veces la reducción puede realizarse sólo mediante calentamiento (por ejemplo obtención de Hg a partir de HgO) o bien empleando agente reductores (carbón, hidrógeno o metales con bajo potencial de reducción, como el aluminio). En otras, es necesario realizar electrólisis porque los procesos son no espontáneos. Si se observa la tabla periódica, queda claro que puede estimarse la estrategia a usar para la reducción basándose en las propiedades periódicas de los elementos, en particular, la electronegatividad y la reactividad. Diagramas de Ellingham (para reducción con carbón) Estos diagramas muestran la dependencia de ∆G de formación de los óxidos con la temperatura. Dada la relación termodinámica ∆G = ∆H-T∆S, si se grafica ∆G (eje y) en función de T (eje x), se obtendrá una recta (pendiente –∆S, ordenada al origen ∆H). Tanto la entropía como la entalpía se mantienen constantes a menos que haya un cambio de fase. En ese caso las rectas presentan un cambio de pendiente (un quiebre), por ejemplo para el ZnO. 4  El valor de ∆G representado corresponde a la reacción de formación del óxido metálico (éste se reducirá para obtener el metal). Dado que con frecuencia se emplea el C grafito como agente reductor, también se representan las curvas correspondientes al ∆G de formación de sus óxidos. Entonces, si ∆G° = ∆G°f(ox) - ∆G°f(red) < 0 implica espontánea O sea cuando a una misma temperatura, el punto correspondiente al reductor está más abajo que el del óxido, hay reacción. Notar que en el caso de la oxidación a CO (g) hay un aumento de la entropía, por lo que la pendiente será negativa, mientras que en el caso de la oxidación a CO2 ésta se mantiene constante y en la formación de óxidos metálicos, disminuye, con lo que la pendiente será positiva. Usos de un diagrama de Ellingham Determinar la factibilidad para reducir un óxido metálico a una dada temperatura Determinar cuál será el agente reductor más adecuado (C, CO o Al) Superados los 1500 K aproximadamente, no conviene económicamente un determinado método de reducción y deberán buscarse alternativas Si se emplea el aluminio como reductor o el magnesio, los procesos se conocen como aluminotermia y magnesiotermia respectivamente. 5  Ej Aluminotermia 2 Cr2O3 (s) + 4 Al (l) → 4 Cr (s) + 2 Al2O3 (s) Ej: Magnesiotermia TiCl4 (g) + 2 Mg (l) → Ti (s) + 2 MgCl2 (l) Si no es posible la reducción química o con calor, se procede a la reducción por vía electrolítica (sin y con calor). Ejemplo de reducción con Carbón: Metalurgia del Hierro – Producción de acero El hierro pertenece a la familia de los metales reactivos. Por lo tanto se encuentra en la corteza terrestre formando parte de diferentes minerales: hematita (Fe2O3), magnetita (Fe3O4), pirita (FeS2). a) Alto Horno El proceso de reducción necesario para su obtención se realiza en un alto horno. El alto horno es una estructura construida en acero revestida con ladrillos refractarios de grandes dimensiones, puede tener una altura de hasta 60 m y un diámetro de alrededor de 8 m. Veamos su funcionamiento: por la parte superior de la torre se introducen los minerales de hierro en forma de pellets (pequeñas “piedras”), carbón o coke y piedra caliza (CaCO3) como fundente. 6 Desde la parte inferior se agrega aire caliente. La parte superior del horno tiene una temperatura de 250°C, en la parte central la temperatura es de 900 a 1200°C y la base del horno llega a los 1700°C. El gradiente de temperatura permite que se desarrollen diferentes reacciones: Los procesos químicos involucrados son: i) Formación del agente reductor: C (s) + CO2 (g) → 2 CO (g) (temperatura > 1700°C) 2 C (s) + O2 (g) → 2 CO (g) (temperatura > 1700°C) Al descender desde la parte superior el carbón o coke reacciona con el oxígeno del aire insuflado desde la parte inferior del horno y se forma CO (g), este gas es el agente reductor. ii) Reducción de los minerales de hierro: 3 CO (g) + Fe2O3 (s) → 2 Fe (l) + 3 CO2 (g) (temperatura > 900°C) Los minerales de hierro (óxidos) se reducen formando el metal. Debido a las altas temperaturas que se alcanzan en el horno éste se obtiene fundido. El hierro obtenido se denomina arrabio, contiene un 95% de Fe, 3-4% de C y cantidades variables de otras impurezas. iii) Formación de escoria para eliminar las impurezas de la mena: CaCO3 (s) → CaO (s) + CO2 (g) (temperatura: 800-900°C) CaO (s) + SiO2 (s) → CaSiO3 (l) (temperatura: 1200°C) 6 CaO (s) + P4O10 (s) → 2 Ca3(PO4)2 (l) (temperatura: 1200°C) La piedra caliza (CaCO3) se agrega como fundente y ayuda a que se forme la escoria (silicatos y fosfatos de calcio) y que ésta funda fácilmente. La escoria que se obtiene como subproducto se destina a la industria cementera. iv) Formación de impurezas en el hierro: MnO (s) + C (s) → Mn (l)+ CO (g) (temperatura: 1400°C) SiO2 (s) + 2 C (s) → Si (l) + 2 CO (g) (temperatura: 1400°C) P4O10 (s) + 10 C (s) → 4 P (l) + 10 CO (g) (temperatura: 1400°C) Los minerales de hierro contienen diferentes cantidades de impurezas las cuales también reaccionan y se incorporan en ciertas proporciones al hierro fundido. 7 b) Purificación del hierro y obtención de acero El material resultante del proceso del alto horno se denomina arrabio y contiene aún una importante proporción de carbono e impurezas que se reducen en las etapas subsiguientes. El arrabio es transportado al horno convertidor de oxígeno donde se le adiciona una parte de material de chatarra (aprox. 25% de la carga) y, mediante una lanza enfriada por agua, se le inyecta oxígeno puro a presión, generando temperaturas de 1.650ºC. En estas condiciones, el oxígeno se combina con el exceso de carbono en forma de gas y quema rápidamente otras impurezas que terminan flotando como escoria. El ajuste fino de la composición del acero se realiza en el horno cuchara (también llamada metalurgia secundaria). En esta etapa se adicionan las ferro-aleaciones de acuerdo al tipo de acero que se requiere producir. El proceso se completa con la desgasificación removiendo los gases producidos durante el proceso (oxígeno, hidrógeno y nitrógeno), lo que se logra mediante dos procesos posibles (desgasificación por flujo o en la olla de colada). Finalmente, el acero fundido se vierte desde la olla de colada dentro de un depósito en forma de embudo desde el que fluye -a una velocidad regulada- dentro de un molde con superficie de cobre refrigerado por agua cuya forma hueca interior corresponde a la forma deseada de los llamados productos semi terminados: Tipos de acero Los aceros al carbono son aquellos que contienen solamente carbono (0,03 a 1,4 %) y hierro con pequeñas adiciones de manganeso y otras pequeñas cantidades de elementos (S, P, Si) y representan cerca del 85% del total de la producción en acero. Los aceros de aleación contienen uno o más elementos de aleación distintos del hierro y del carbono (como Mo, Ni, Cr) que se agregan con el propósito de asegurar propiedades que no se obtienen mediante aceros al carbono. Algunos efectos buscados con los elementos de aleación son: Mayor resistencia y dureza. Mayor resistencia a los impactos. 8  Aumento de la resistencia al desgaste. Aumento de la resistencia a la corrosión. Mejoramiento de la maquinabilidad. Dureza al rojo (dureza a altas temperaturas). Aumento de la profundidad a la cual el acero puede ser endurecido (Penetración de temple). Existen tres categorías de clasificación de estos aceros de aleación: Aceros de Aleación Estructurales: se emplean para diversas partes de máquinas, tales como engranajes, ejes y palancas. Además se utilizan en las estructuras de edificios, construcción de chasis de automóviles, puentes, barcos y semejantes. El contenido de la aleación varía desde 0,25% a un 6%. Aceros de Aleación para Herramientas: son aceros de alta calidad y se emplean en herramientas para cortar y modelar metales y no-metales. Aceros de Aleación Especiales: son los aceros inoxidables y aquellos con un contenido de cromo generalmente superior al 12%. Estos aceros de gran dureza y alta resistencia a las altas temperaturas y a la corrosión, se emplean en turbinas de vapor, engranajes, ejes y rodamientos. Ejemplo de reducción con Mg: Metalurgia del Titanio El proceso Kroll fue el primer proceso que permitió la obtención de cantidades apreciables de titanio puro, y se sigue utilizando mayoritariamente en la actualidad. El proceso consta de los siguientes pasos: 1 - Obtención de tetracloruro de titanio por cloración a 800°C, en presencia de carbón, mediante la reacción: TiO2 + Cl2 + C → TiCl4 + CO2 2 - Se purifica el tetracloruro de titanio mediante destilación fraccionada. 3 - Se reduce el TiCl4 con magnesio o sodio molido en una atmósfera inerte, con la reacción: TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2 4 - El titanio forma una esponja en la pared del reactor, la cual se purifica por lixiviación con ácido clorhídrico diluido. El MgCl2 se recicla electrolíticamente. 9 Ejemplo de reducción electrolítica: Metalurgia del Aluminio La alúmina funde a 2030ºC, por lo que llevarla al estado líquido insumiría una cantidad apreciable de energía. El hallazgo de Hall y de Héroult fue utilizar criolita fundida (Na3AlF6) como medio para disolverla. Dado que el mineral natural es escaso para la producción, suele fabricarse a partir de aluminato y fluorhídrico por desplazamiento de complejos 6 HF + 3 NaAlO2 →Na3AlF6 + 3 H2O La criolita funde a 1012 ºC y los aditivos que se emplean provocan un descenso crioscópico que permite mantener la solución al estado líquido a temperaturas inferiores. En diversos procesos se ha agregado a la criolita otros fundentes, como el fluoruro de sodio (NaF), fluoruro de calcio (CaF2) y el fluoruro de aluminio (AlF3). La adición de AlF3 baja la temperatura de fusión del electrolito a unos 850ºC, lo que permitiría operar con hasta una solución de 30 % de alúmina. Generalmente, en las distintas plantas se regulan las condiciones de la corriente y la composición para que el proceso se efectúe entre 940 y 960 ºC. El reactor donde se desarrolla el proceso, usualmente conocido como celda o cuba de electrólisis, es un recipiente de, aproximadamente, 4,5 m de ancho por 8,5 m de largo por 1,5 m de altura, conformado por carbón y material refractario, soportados externamente por una rígida estructura de acero. En dicho reactor pueden distinguirse –desde arriba hacia abajo– cuatro elementos constitutivos bien diferenciados: ánodos de carbón (electrodo positivo), mezcla de sales fundidas aluminio líquido cátodos de carbón (electrodo negativo) 10  En este sistema, la corriente eléctrica continua circula desde el ánodo hacia el cátodo. Al atravesar el baño electrolítico, la corriente produce la descomposición de la alúmina disuelta dando lugar a la formación de aluminio metálico y oxígeno. El aluminio así reducido se deposita en el fondo de la cuba, mientras que el oxígeno generado consume el carbón de los ánodos, produciendo dióxido de carbono: Periódicamente, el aluminio obtenido en cada celda de electrólisis se extrae por succión, utilizando para el transporte recipientes térmicamente aislados de 6 toneladas de capacidad. Estos recipientes se trasladan a la fundición, próxima a las salas de electrólisis, donde el metal líquido se solidifica en diferentes aleaciones y formatos que constituyen los productos finales del proceso. 4) Purificación del metal Proceso destinado a eliminar las impurezas de los metales obtenidos. Tanto para la concentración como para el refinado se emplean tres tipos de procesos: físicos, químicos y electroquímicos. En la mayoría de los casos se usa una combinación de los tres procesos mencionados (destilación, electrólisis, refinación por zonas, etc.) a) Electrólisis 11 Ciertos metales, como el cobre, la plata o el oro, se purifican a través de electrólisis. Por ejemplo, el cobre que se consigue por tostación partiendo del sulfuro de cobre, suele tener otros metales como impurezas en pequeñas cantidades. Por electrólisis de cobre bruto, el cual hace el papel de ánodo, se recoge en el cátodo el cobre con una alta pureza, lo que es crucial para su posterior utilización como conductor eléctrico por ejemplo. b) Destilación Los metales que poseen puntos de ebullición relativamente bajos, por ejemplo mercurio o cinc, se pueden conseguir separar de otras impurezas metálicas por destilación fraccionada. Para realizar esta operación de destilación, debe haber una suficiente diferencia entre los puntos de ebullición de los metales a separar, es decir, del metal que nos interesa purificar y de los metales que lo acompañan. De esta manera, puede conseguirse uno de los metales en estado vapor, mientras que los demás se mantienen en estado líquido. Así por ejemplo, el cinc, que tiene un punto de ebullición de 906ºC, puede ser separado de sus impurezas de plomo o cadmio, a través de una destilación fraccionada, pues los puntos de ebullición de los otros dos metales son respectivamente, 1725ºC y 765ºC. Otro proceso interesante de purificación es el proceso Mond, que se emplea para extraer y purificar níquel, previo a su refinación electrolítica. Este proceso hace uso del hecho de que la reacción de formación de los complejos de níquel con monóxido de carbono, para dar carbonilo de níquel es reversible. Ningún otro elemento forma un compuesto carbonilo en las condiciones suaves (temperaturas moderadas) utilizadas en este procedimiento. El proceso tiene tres pasos: 1. El óxido de níquel reacciona con hidrógeno a 200 °C para eliminar el oxígeno, produciendo níquel impuro. Las impurezas incluyen hierro y cobalto. NiO (s) + H2 (g) → Ni (s) + H2O (g) 2. El níquel impuro se hace reaccionar con exceso de monóxido de carbono a 50-60 °C para formar tetracarbonilníquel. No se forman los complejos con las otras impurezas metálicas Ni (s) + 4 CO (g) → Ni(CO)4 (g) 3. La mezcla de monóxido de carbono y el exceso de tetracarbonilníquel se calienta a 220- 250 °C. En la calefacción, el complejo de níquel se descompone para dar níquel puro: Ni(CO)4 (g) → Ni (s) + 4 CO (g) 12 c) Refinación por zonas Este método, también llamado afino por zonas, se usa para obtener metales/materiales semiconductores con alto grado de pureza, como puede ser el caso del silicio que se usa en la fabricación de semiconductores. Se realiza un sistema de calefacción eléctrica a través de inducción empleando una bobina que rodea la barra de metal en bruto. Cuando el sistema se desplaza a lo largo de la barra metálica, el metal se funde, disolviéndose en él la gran parte de las impurezas. La zona que se funde, es más soluble en el fundido que un metal sólido, por esa razón va pasando y arrastrándolas a lo largo de toda la barra. Cuando la zona que está fundida llega al final de la barra, se condensa al enfriarse, y se corta. La repetición del procedimiento llevará a alcanzar un metal con una pureza superior al 99,99%. 13