Metalurgia consultar apunte del Ing.Serrano
Comprende los procesos de obtención y afinación de metales, y la preparación para su uso.
Se llama mena al mineral o material natural que puede ser tratado para extraer
determinados metales, y éste proceso se llama beneficio. Posteriormente se purifica el metal
(afinado), y entre las preparaciones para su uso se encuentra la fabricación de aleaciones.
El beneficio es distinto según los metales:
Au y Pt se pueden separar por diferente densidad de arena o grava;
los óxidos metálicos se reducen con carbón (coke);
los metales muy electropositivos se obtienen por electrólisis.
Procesos metalúrgicos
a)Se prepara la mena
b) Se obtiene el metal
c)Se afina el metal
a) En el tratamiento de una mena, puede separarse el mineral deseado de la ganga
(generalmente arcillas y minerales de silicato)mediante
* flotación: la mena se muele y se vierte en una mezcla de agua con aceite y detergente,
y se bate para formar espuma. La ganga se deposita en el fondo, mientras que el aceite
moja el mineral de interés que se mezcla con la espuma. La espuma se recoge y se seca,
separando el mineral.
* Si son minerales ferro magnéticos (Fe, Ni) pueden separarse con electroimanes.
*Muchos metales forman amalgamas con mercurio, y luego se separa el Hg por
destilación
*Por tostación, se eliminan impurezas volátiles y se convierten carbonatos y sulfuros en
óxidos metálicos más fáciles de reducir.
b)En la obtención
Metales con nº de oxidación positivo metal libre (PROCESO DE REDUCCIÓN)
La forma de reducción depende del potencial estándar de reducción del metal (Eºred).
*agente reductor puede ser un metal más electropositivo (Eºreductor<Eºmetal), reducción
química a altas temperaturas, también se usa C (coke)
Ej TiCl4 g + 2 Mg l Ti s + 2 MgCl2 l
* reducción electrolítica: se usa para metales muy electropositivos, como sodio, magnesio
y aluminio (se usan óxidos o halogenuros fundidos)
• 2MO 2M (en el cátodo) + O2 (en el ánodo)
•
2MCl 2M (en el cátodo) + Cl2 (en el ánodo)
Afinado (purificación de metales)
Después de la obtención, se requiere un proceso de purificación para eliminar impurezas:
Destilación, electrólisis y refinación por zonas
El grado de purificación depende del uso final del metal.
*destilación: se pueden separar metales de punto de ebullición bajos (Hg,Mg,Zn),
*electrólisis: se separan metales por Eº red.
en el caso del Cu, que tiene impurezas (cinc, hierro, plata y oro), se disuelve el metal
impuro en el ánodo en solución de acido sulfúrico , y se deposita Cu puro en el cátodo.
*refinación por zonas: una varilla metálica que contiene impurezas se pasa a través de
una espiral eléctrica que por calentamiento funde el metal. ´Después de pasar por la
espiral, cristaliza metal puro y las impurezas permanecen en la zona en fundición
(análogo a un iceberg en el mar)
Metalurgia del cobre
Las principales menas son:Cu nativo, Cu2O(cuprita) Cu2S (calcopirita).
Cu nativopor pulverización del mineral
Óxidos y carbonatos se disuelve Cu con ácido sulfúrico y se deposita por electrólisis.
Menas sulfuradasse concentran por flotacion , tostación.
Afinado: electrolítico
ánodo
de Cu impuro
V
Cátodo
de Cu puro
Cu+2
Aleaciones :bronces y latones
clase de bronce
%Sn
%Zn
%Pb
%Al
usos
%Cu
laminado
94 6
Alambres,láminas.
fundido
86 14
Máquinas de trabajo
intenso
Fundicion roja
86
10
Armaduras, accesorios de
tuberías
De plomo
80
10
De aluminio
95
5
Órganos de máquinas
De aluminio
90
10
Revestimientos de
buques,baterías de
cocina.
4
cojinetes
10
Latón: Cobre con no más de 45% de Zn. Puede contener algo de Sn, Pb o Fe, según
las propiedades. Es inalterable en el aire, y fácil de recubrir con otros metales.
El latón maleable tiene hasta 37% de Zn, y el forjable más.
Metalurgia de la plata
Menas de plata nativa, sulfuro de plata o cloruro de plata. Se extrae por
cianuración: se pulveriza el mineral y se trata con cianuro de sodio y suficiente
aireación.
4 Ag + 8 CN- + 2 H2O + O2 4 [Ag(CN-)]+ 4 OHAgCl + 2 CN- [Ag(CN)2]- + ClY luego se obtiene Ag por reducción Zn + [Ag(CN)2]- 2 Ag + [Zn(CN)4]- 2
Metalurgia del oro
Se obtiene de sus menas (cuarzo aurífero) pulverizándolo y lavándolo sobre planchas de
cobre recubiertas de Cu-Hg. El oro forma la amalgama Hg-Au,se raspa de la superficie de
la chapa y se separa el Hg por destilación.
OBSERVE QUE TANTO EL MERCURIO COMO EL CIANURO SON SUSTANCIAS TÓXICAS.
Hierro(siderurgia)
200 ºC
3 Fe2O3 + CO2Fe3O4 +CO2
Fe3O4+ CO3 FeO+ CO2
CaCO3CaO +CO2
700ºC
C+CO22CO
FeO+ COFe +CO2
1200ºC el hierro se funde
Se forma la escoria fundida
1500ºC 2C + O22 CO
El hierro fundido puede contener hasta 5% de carbono, y trazas de silicio,
fósforo,manganeso y azufre.
Produccion de aceros: las impurezas indeseables se separan del hierro por oxidación con
oxígeno gaseoso. Luego esos òxidos reaccionan con los fundentes adecuados para formar
escoria.
Las propiedades del acero dependen no sólo de su composición química, sino también de
su tratamiento térmico( modifica el tamaño y la composición de los granos metálicos).
El templado consiste en calentar el acero hasta cierta temperatura y enfriarlo
bruscamente, y le proporciona ciertas propiedades mecánicas.
En el diagrama de fases Fe-C se representan las transformaciones que sufen las
aleaciones con la temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la
mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión
(homogeneización) tienen tiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene
experimentalmente identificando los puntos críticos —temperaturas a las que se
producen las sucesivas transformaciones— por métodos diversos.
Fuente: Cátedra de materiales de la UBA; wikipedia.
El hierro puro esta presente en tres estados alotrópicos a medida que se incrementa la temperatura desde la temperatura
ambiente:
Hasta los 911 °C (temperatura crítica AC3), el hierro ordinario, cristaliza en el sistema cúbico de cuerpo centrado y recibe la
denominación de hierro α o ferrita. Es un material dúctil y maleable responsable de la buena forjabilidad de la aleaciones con
bajo contenido en carbono y es ferromagnético hasta los 770 °C (temperatura de Curie a la que pierde dicha cualidad; se
suele llamar también AC2). La ferrita puede disolver pequeñas cantidades de carbono.
Entre 911 y 1400 °C cristaliza en el sistema cúbico de caras centradas y recibe la denominación de hierro γ o austenita.
Dada su mayor compacidad la austenita se deforma con mayor facilidad y es paramagnética.
Entre 1400 y 1538 °C cristaliza de nuevo en el sistem cúbico de cuerpo centrado y recibe la denominación de hierro δ que es
en esencia el mismo hierro alfa pero con parámetro de red mayor por efecto de la temperatura.
A mayor temperatura el hierro se encuentra en estado líquido.
Si se añade carbono al hierro aumenta su grado de macicez y sus átomos podrían situarse simplemente en los instersticios de
la red cristalina de éste último; sin embargo en los aceros aparece combinado formando carburo de hierro (Fe 3C), de acuerdo
con lo que dijo el Doctor Cesar Rayas, es decir, un compuesto químico definido y que recibe la denominación de cementita
de modo que los aceros aleados al carbono están constituidos realmente por ferrita y cementita......
Aceros hipoeutectoides (< 0.80% C). Al enfriarse por debajo de la temperatura crítica A 3 comienza a precipitar la ferrita entre
los granos de austenita y al alcanzar la temperatura crítica A1 la austenita restante se transforma en perlita. Se obtiene por
tanto a temperatura ambiente una estructura de cristales de perlita embebidos en una matriz de ferrita.
Aceros hipereutectoides (> 0.80% C). Al enfriarse por debajo de la temperatura crítica se precipita el carburo de hierro
resultando a temperatura ambiente cristales de perlita embebidos en una matriz de cementita.
Pues ya que este es un tratamiento termico y su temperatura se eleva hasta dicha termperatura.
Transformación de la austenita[
Zona de los aceros (hasta 2% de carbono) del diagrama de equilibrio metaestable hierro-carbono.
Dado que en los aceros el carbono se encuentra formando carburo de hierro se han incluido en
abcisas las escalas de los porcentajes en peso de carbono y de carburo de hierro (en azul).
El diagrama de fases Fe-C muestra dos composiciones singulares:
Un eutéctico (composición para la cual el punto de fusión es mínimo) que se denomina ledeburita y
contiene un 4,3% de carbono (64,5 % de cementita). La ledeburita aparece entre los constituyentes de
la aleación cuando el contenido en carbono supera el 2% (región del diagrama no mostrada) y es la
responsable de la mala forjabilidad de la aleación marcando la frontera entre los aceros con menos del
2% de C (forjables) y las fundiciones con porcentajes de carbono superiores (no forjables y fabricadas
por moldeo). De este modo se observa que por encima de la temperatura crítica A3 los aceros están
constituidos sólo por austenita, una solución sólida de carbono en hierro γ y su microestructura en
condiciones de enfriamiento lento dependerá por tanto de las transformaciones que sufra ésta.
Un eutectoide en la zona de los aceros, equivalente al eutéctico pero en el estado sólido, donde la
temperatura de transformación de la austenita es mínima. El eutectoide contiene un 0,80 %C (13,5%
de cementita) y se denomina perlita. Está constituido por capas alternas de ferrita y cementita, siendo
sus propiedades mecánicas intermedias entre las de la ferrita y la cementita.
La existencia del eutectoide permite distinguir dos tipos de aleaciones de acero:Aceros
hipoeutectoides (< 0.80% C). Al enfriarse por debajo de la temperatura crítica A3 comienza a precipitar
la ferrita entre los granos de austenita y al alcanzar la temperatura crítica A1 la austenita restante se
transforma en perlita. Se obtiene por tanto a temperatura ambiente una estructura de cristales de
perlita embebidos en una matriz de ferrita.
Aceros hipereutectoides (> 0.80% C). Al enfriarse por debajo de la temperatura crítica se precipita el
carburo de hierro resultando a temperatura ambiente cristales de perlita embebidos en una matriz de
cementita.
Pues ya que este es un tratamiento termico y su temperatura se eleva hasta dicha termperatura.
----------------------Fases de la aleación de hierro-carbono
Austenita (hierro-γ duro)
Ferrita (hierro-α. blando)
Cementita (carburo de hierro. Fe3C)
Perlita (88% ferrita, 12% cementita)
Ledeburita (ferrita - cementita eutectica, 4.3% carbón)
Bainita
Martensita
Tipos de acero
Acero al carbono (0,03-2.1% C)
Acero corten (para intemperie)
Acero inoxidable (aleado con cromo)
Acero microaleado («HSLA», baja aleación alta resistencia)
Acero rápido (muy duro, tratamiento térmico)
Otras aleaciones Fe-C
Hierro dulce (prácticamente sin carbón)
Fundición (>2.1% C)
Fundición dúctil (grafito esferoidal
aluminio
El proceso Bayer es el principal método industrial para producir alúmina a partir
de bauxita. Patentado por el austriaco Karl Bayer en 1889 y basado en la
disolución de la bauxita con hidróxido sódico, este proceso se fue imponiendo
hasta convertirse, a partir de los años 1960, en la única fuente industrial de
alúmina y por tanto de aluminio en el mundo
La bauxita es la mena de aluminio más importante pero sólo contiene entre un
30 y un 54% de aluminio (expresado como Al2O3), siendo el resto una mezcla
de sílice, óxidos de hierro y dióxido de titanio. El aluminio de la bauxita se
encuentra normalmente formando hidróxidos, Al(OH)3, o mezclas de hidróxidos
y óxidos, (AlO(OH)2).[
En el proceso Bayer, primero se tritura la bauxita y luego se lava con
una solución caliente de hidróxido sódico (sosa), NaOH.
La sosa disuelve los minerales de aluminio pero no los otros componentes de la
bauxita, que permanecen sólidos. Las reacciones químicas que ocurren en esta etapa,
llamada "digestión" son las siguientes:
Al(OH)3 + OH- + Na* → Al(OH)4- + Na*
AlO(OH)2 + OH- + H2O + Na* → Al(OH)4- + Na*
La temperatura de la digestión se escoge en función de la composición de la bauxita.
Para disolver el hidróxido de aluminio basta una temperatura de 140ºC
pero para la mezcla de hidróxido y óxido hace falta subir hasta unos 240ºC.
[
A continuación se retiran de la solución los sólidos no disueltos, principalmente en
un decantador seguido de unos filtros para eliminar los últimos restos. Los sólidos
recogidos en el decantador, llamados "lodo rojo", se tratan para recuperar la sosa
no reaccionada, que se recicla al proceso.
La solución de Al(OH)4-, ya libre de impurezas, se precipita de forma controlada
para formar hidróxido de aluminio puro. Para favorecer la cristalización se opera a
baja temperatura y se "siembra" la solución con partículas de hidróxido de
aluminio: [2]
Al(OH)4- + Na* → Al(OH)3 + OH- + Na*
La solución de sosa libre de aluminio se concentra en unos evaporadores
y se recicla al comienzo del proceso.
Por último, el hidróxido se calienta a unos 1050°C, en una operación llamada
"calcinación", para convertirlo en alúmina, liberando vapor de agua al mismo tiempo: [2]
2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O
La alúmina obtenida se utiliza principalmente para producir aluminio mediante electrólisis
El óxido de aluminio anhidro se reduce a Al mediante el proceso Hall
Una celda electrolítica Hall contiene una serie de ánodos de carbono. El cátodo también
es de carbono y constituye el revestimiento interno de la celda. Como electrolito se usa
sal fundida : criolita , Na3AlF6 (Pf 1000ºC), para disolver el óxido de aluminio (Pf
2045ºC) y durante la electrólisis:
Ánodo 3[O-2O2 + 4e-]
Cátodo 4[Al+3 +3e- Al]
Global:
2Al2O3 4 Al + 3 O2
El O2 reacciona con los ánodos de C dando CO gaseoso, y el Al metálico líquido cae al
fondo de donde se drena.
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