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CIDEAD. Tecnología Industrial I. Tercera Evaluación. Tema 18 .- Los materiales metálicos . Metales no ferrosos 1. La metalurgia. Procesos metalúrgicos 2. El aluminio y el cobre. 3. El plomo, estaño y otros metales. 1 ##

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CIDEAD. Tecnología Industrial I. Tercera Evaluación.Tema 18 .- Los materiales metálicos . Metales no ferrosos

1. La metalurgia. Procesos metalúrgicos

2. El aluminio y el cobre.

3. El plomo, estaño y otros metales.

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1. La metalurgia. Procesos metalúrgicos

La metalurgia es el proceso de extracción y la elaboración de los metales. Esta operación selleva a cabo para obtener los metales a partir de sus minerales. Estos minerales se presentan encombinaciones químicas determinadas, constituyendo la mena y al mismo tiempo se acompaña deotras sustancias estériles, que recibe el nombre de ganga. Las operaciones metalúrgicas consiste enprimer término de la separación de la mena y la ganga por trituración, molienda o sintetización yclasificación, la concentración, el secado y otras operaciones como el transporte, elalmacenamiento, mezcla, etc.

El esquema general metalúrgico es el siguiente:

1.Separación de la mena y la ganga, mediante:a. La trituración y molienda , utilizándose trituradoras rotativas o de mandíbulas. Se sueleutilizar material seco o disuelto en agua con el fin de reducir el tamaño del mineral. En unasegunda fase, se somete el mineral resultante a nuevas trituradoras cilíndricas o de cono .Posteriormente se recurre a la molienda para obtener el mineral en forma de grano o polvo.Los molinos utilizados son el de Raymond o los rotativos.b. La clasificación se realiza usando tamices específicos. Estos tamices son de vibración ode vaivén y permite homogeneizar el tamaño. Se suele utilizar, también un método declasificación hidrodinámica consiguiendo la estratificación por el tamaño.c. La separación de la mena y la ganga. Se consigue mediante la flotación, usando materialesespesantes o floculantes y por separación magnética ya que la mena ferromagnética oparamagnética es atraída por el campo magnético, en tanto que la ganga, diamagnética esrepelida por éste.

2. Obtención del metal de la mena.Este procedimiento consiste en reducir el metal, que se encuentra oxidado, formando óxidoso sulfuros, hasta el estado metálico.

Para la obtención del cobre, se recurre primeramente a la tostación de la pirita:Cu S + 3/2 O2 Cu O + S O2

2Cu O + C 2 Cu + C O2

En ocasiones, en lugar de una reducción química, se recurre a una reducción eléctrolítica,como es el caso de la obtención del aluminio, en donde a partir del óxido de aluminio Al2 O3 ocriolita, conseguimos en el cátodo la reducción del aluminio.

Otros procesos químicos utilizados ara la obtención de los metales, es la utilización delaluminio como reactivo inicial, en las reacciones, fuertemente exotérmicas y que reciben el nombrede aluminotérmia:

Cr2 O3 + 2 Al 2 Cr + Al2 O3

3. Conformado del metal. Una vez obtenido de una forma fundida el metal, se solidifica

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en lingotes y se somete a las siguientes operaciones:a. La forja.- Es el trabajo con el metal mediante el golpeo, se puede realizar en caliente o enfrío.b. La laminación.- Consiste en hacer pasar una pieza entre una serie de cilindros giratoriospara obtener láminas de diferente espesor. El conjunto de elementos recibe el nombre de trende laminación. Hay trenes para realizar perfiles, tubos, etc. c. Trefilado .- permite la fabricación de filamentos de diferente diámetro d. El moldeado por fundición.- Se funde el lingote del metal y se rellena un molde dondedespués se solidifica obteniéndose la forma deseada. Los moldes pueden ser de arcilla, dearena, de cera, de metal.d. El mecanizado.- Los tamaños finales de las piezas metálicas se obtienen mediante elmecanizado posterior que consiste en el corte, la unión de las piezas, su desbastado, etc.Todas estas operaciones se realizan gracias a la utilización de las diferentes máquinasherramientas, como son la taladradora, el torno, la fresadora, la limadora, la rectificadora,etc.

7. El aluminio y el cobre.

El aluminio es uno de los elementos más abundantes de la naturaleza, en concreto, eltercero en abundancia, detrás del oxígeno y del silicio. Los silicatos de aluminio están muypresentes en la naturaleza, combinados con óxidos alcalinos o con calizas como feldespatos,mica, arcillas o zeolitas. Representa el 8.5 % en peso de la corteza terrestre . Tiene unadensidad de 2.7 gr /cm3 y es un metal blanco brillante con un PF. Relativamente bajo(660ºC) y un punto de ebullición alto(2400ºC). La conductividad eléctrica es el 60 % la delcobre y la conductividad térmica la tiene elevada.

Es un metal ligero, dúctil y maleable, que se puede moldear fácilmente por fusión. Sepuede forjar, batir o prensar entro los 100 y 150ºC. Resiste muy bien la corrosión, ya que serecubre de una fina capa de óxido muy compacta y adherente.

De todos los minerales de aluminio, el único que se emplea para su obtención es labauxita. El proceso metálurgico que tiene lugar, recibe el nombre de método Bayer. Estemétodo consiste en dos fases:Fase 1.- Separación de la alúmina.

En esta fase se hace reaccionar el hidróxido de aluminio con sosa concentrada y aelevadas temperaturas para que el equilibrio de la reacción (que es endotérmica) sedesplace hacia la derecha:

Al ( O H )3 + Na OH Na Al O2 + 2 H2 O

El aluminato sódico es soluble en agua, en tanto que las impurezas queacompañan a la bauxita no lo son. En este momento se produce la filtración y una vez puroel aluminato sódico, se diluye la solución y disminuimos la temperatura, desplazándose lareacción anterior a la izquierda(flecha con trazos).

El hidróxido de aluminio lo sometemos a calcinación para obtener la alúmina: 2 Al (O H)3 Al2 O3 + 3 H2 O

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Fase 2.- Obtención del aluminio mediante reducción electrolítica. Para ello se añade, ademásde la alúmina, criolita (Na3 Al F6 ) y Al F3 utilizados como fundentes. El procesoelectrolítico se realiza en una cuba de acero cuyos electrodos (Ánodos) son de carbono C.El proceso electrolítico es el siguiente :

2 Al2 O3 + 3 C 4 Al + 3 C O2

El aluminio se deposita en el fondo de la cuba. El esquema del proceso es elsiguiente:

El aluminio puede formar diferentes aleaciones con el Cd, Cu, Zn, Mg, Mn, Ni, Fe, Ti o Crque mejoran sensiblemente sus propiedades mecánicas, su resistencia a la corrosión, a lafatiga y a la ductibilidad. El aluminio por su baja densidad se utiliza en la industriaaeronáutica, por su buena conductividad eléctrica, como conductores en las líneas de altatensión; por su resistencia a la corrosión, se utilizan como envases de latas de refrescos ycerveza; se utiliza en la industria metalúrgica para la obtención de otros metales, mediante laaluminotermia.

El Cobre es uno de los metales no ferrosos de mayor utilidad. En la naturaleza seencuentra formando diferentes minerales unido al azufre o formando óxidos . Así seencuentra la calcosina que es un sulfuro de cobre o la calcopirita, sulfuro de cobre y hierro.

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El cobre es un metal de color rojo terroso, con una densidad de 8.9 gr/cm3 . Su PF es de1083 ºC y es muy dúctil y maleable; posee una gran conductividad térmica y eléctrica , utilizándosepara la fabricación de hilos conductores y en calderas o intercambiadores de calor. Es resistente a lacorrosión atmosférica formando una sal de carbonáto básico de cobre, de color verdeazulado que loprotege. No se deben utilizar recipientes de cobre para conservar los alimentos, ya que los ácidosorgánicos lo atacan formando sales venenosas para el organismo. Es un metal que se recupera muybien de la chatarra o de sus aleaciones.

Para obtener el cobre, se utilizan dos procedimientos:a. Por via seca.- Se utilizan en aquellos minerales que la riqueza de cobre se superior

al 15 %. es la más utilizada.b. Por vía húmeda, cuando el contenido de cobre en los minerales de partida es del

3%.

La obtención del cobre por vía seca consta de los siguientes pasos:1. Trituración del mineral mediante trituradoras especiales. Posteriormente se somete a un

cribado para que los trozos más grandes se vuelven a someter a trituración.2. Pulverización del mineral, utilizando molinos de bolas de aceros.3. Eliminación de la ganga por precipitación en un recipiente con agua y sustancias espesantes

para flotar la mena de cobre.4. Tostación parcial para la eliminación del hierro que acompaña a la mena por oxidación. La

mezcla obtenida está formada por óxidos de hierro, sulfuros de cobre y hierro, algo de óxidode cobre y resto de ganga.

5. Formación de la mata.- La masa anterior se funde a 1100ºC para que los óxidos de hiero secombine con la sílice y la cal de la ganga separándolo en la escoria formando silicatoscomplejos de hierro y calcio. El residuo inferior formado por sulfuro de cobre(I) y sulfurode hierro(II), recibe el nombre de mata . El contenido de cobre es de 25 al 45% de cobre.

6. Oxidación de la mata. La mata fundida se vierte , junto con la sílice, en un cnvertidor y seinsufla una corriente de aire que oxida al azufre y al hierro. El óxido de hierro se une a lasílice formando la escoria, que se elimina inclinando el convertidor. También los óxidosvolátiles se eliminan junto con el aire.El proceso termina cuando comienza a oxidarse el cobre, momento que se extrae delconvertidor y se deja solidificar (cobre blister) . Las reacciones químicas son:

2 Cu2 S + 3 O2 2 Cu2 O + 2 S O2

2 Cu2 O + Cu2 S S O2 + 6 CuSe llama cobre blister por las burbujas de dióxido de azufre que lleva ocluido.

7. Refino del cobre.- Se eleva la riqueza del cobre hasta el 99.5 % . Puede hacerse en horno dereverbero o electrolíticamente.

El horno de reverbero permite fundir el cobre a 1150 º C en atmósfera oxidante para eliminarlas impurezas en forma de óxidos y a continuación se introduce troncos de madera verde para quecon dicho calor eliminase los hidrocarburos e hidrógeno que al introducirse por la masa fundida,reducen el óxido de cobre al cobre.

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El refino electrolítico, los lingotes de cobre se colocan como ánodos de una cubaelectrolítica que contiene una disolución de sulfato de cobre, acidulada con ácido sulfúrico. Loscátodos de barra de cobre recubiertas de carbono grafito, intercalándose con el ánodo . Con unatensión apropiada, el cobre del ánodo y se precipitaba en el cátodo; las impurezas metálicas queacompañan al cobre pueden actuar en dos casos: 1º los metales menos nobles se disuelven y quedanen disolución(Fe, Zn, etc) ; 2º los metales más nobles (Ag, Au, Pt) se depositan en el fondo de lacuba formando barros anódicos, de las que se pueden recuperar dichos metales.

b. El procedimiento por vía húmeda, consiste en disolver el mineral triturado en ácidosulfúrico y sulfato de hierro(III). Éste reactivo oxida el sulfuro de cobre(I) a sulfato de cobre (II) .El hierro del mineral, reduce el Cu2+ a Cu. La reacción es la siguiente:

Cu S O4 + Fe Fe S O4 + Cu

La riqueza de cobre es del 80 %.El procedimiento de obtención de cobre por vía seca se resume en el siguiente cuadro:

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El cobre forma aleaciones como el latón (70% Cu y 30 % Zn) o el bronce (80 Cu y 20 % Sn). Debronce se fabrican campanas, esculturas, engranajes, hélices de barco, etc; de latón se fabricanpomos, bisagras, instrumentos musicales, casquillos de lámparas, grifos, etc.

De cobre se fabrica hilos conductores de corriente eléctrica, tuberías de agua, de gas, enmotores, transformadores, fabricación de serpentines en las calderas de calefacción , en losradiadores de los coches, puntas de soldadores, etc.

8. El plomo, estaño y otros metales.

El plomo (Pb) es un metal gris azulado, blando, maleable, poco tenaz. Es el más pesado delos metales utilizables, con densidad de 11.35 gr/cm3. Su temperatura de fusión es de 327.5 º C . Elplomo se utiliza actualmente para la elaboración de una pintura protectora de las construccionesmetálicas “minio” y elemento protector contra los rayos X y las radiaciones nucleares.

Conduce muy bien el calor y la electricidad. Como metal básico lo encontramos en lasbaterías de los coches y como aleación con estaño formando el hilo de estañar en la soldadurablanda.

Para obtener el plomo, utilizaremos la tostación del sulfuro del plomo (galena). A 800º Ctiene lugar las siguientes reacciones:

2 Pb S + 3 O2 2 Pb O + 2 S O2

2 C + O2 2 C O Pb O + C O Pb + C O2

El estaño (Sn) es un metal de color blanco azulado y brillante, muy parecido al plomo, algomás brillante; es inoxidable, muy maleable y blando. Su densidad es de 7.29 gr/cm3 y punto defusión de 232 ºC. Se obtiene de la casiterita (Sn O2 ).

Se utilza en las soldaduras blandas a causa de su bajo punto de fusión, se usa en la soldadurade componentes eléctricos y electrónicos aleado con el plomo o en conducciones de agua ycalefacción. Es inalterable al aire y a los ácidos orgánicos. Se suele recubrir el acero blando con unacapa de de estaño fino por las dos caras, constituyendo la hojalata, usada en las diferentes latas deconserva. También se utiliza para fabricar papel de estaño. Para obtener el estaño se recurre a lareducción pirometalúrgica de la casiterita, en un horno de reverbero, a la temperatura de 1200 –1300ºC , reduciéndose mediante carbón de coque:

Sn O2 + 2 C Sn + 2 C O

También se puede utilizar la hojalata para la recuperación electrolítica del estaño. Para ellose introduce la hojalata en una disolución de sosa, que disuelve al estaño. Posteriormente se obtieneel estaño por electrolisis.

Otros metales usados son el niquel, cobalto, wolframio, etc. Los metales nobles se caracterizan porque se encuentran en la naturaleza en estado natural ,

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así como por su elevado precio. Los metales se denominan preciosos y se utiliza en joyería . Losmetales más utilizados son el oro, plata o platino.

El oro (Au) es un metal de color amarillo brillante muy dúctil y maleable. Su densidad es de19.3 gr /cm3 y su punto de fusión 1964ºC . Es un buen conductor del calor y la electricidad . No sealteran por la acción de los agentes atmosféricos . En la naturaleza se encuentra en estado metálicoy en pequeñas cantidades entre rocas de cuarzo, en los filones y en las arenas de ciertos ríos. Comoes antialérgico, se utiliza en medicina. En joyería, el oro se alea con el cobre, que aumenta su durezaLa proporción oro/cobre se expresa en quilates , hasta 24 quilates es oro puro. Un oro de 20 quilatesposee 20 partes de oro y 4 de cobre.

La plata (Ag) es un metal de color blanco brillante. Su densidad es de 10.6 gr/cm3 con puntode fusión de 954ºC. Se obtiene de las galenas argentíferas. Al contacto con el aire permaneceinalterable; conserva el brillo metálico, es maleable y dúctil. Para aumentar la dureza y disminuir eldesgaste, se suele alear con el cobre al 10%.

Es el metal que conduce el calor y la temperatura, se usa para fabricar conductores pequeñosy contactos de electrónica y electrotecnia. No se utiliza ya que es muy caro. Se utiliza en el campode la joyería y para elaborar películas, clichés, radiografías, etc. En las soldaduras de tuberías de gasse combina con estaño para mejorar su unión. Para abaratar los costes de los objetos plateados, seconstruyen en bronce y se cubren de una fina capa de plata electrolíticamente; es lo que se conocecomo alpaca o plata alemana.

El platino (Pt), es un color blanco azulado. Su densidad es muy alta : 19.3 gr/cm3, parecida ala del oro. Su punto de fusión es de 1770ºC . Se encuentra en estado metálico y en forma desulfuros.

Se utiliza para fabricar objetos de laboratorio debido a su estabilidad química. Se utilizatambién como catalizador de reacciones químicas de reducción orgánica. También se utiliza comocatalizador en la combustión de las gasolinas y para recubrir los contactos eléctricos de granfiabilidad como es el caso de los interruptores y contadores eléctricos, aunque se suele sustituir porel níquel. En medicina se usa para la fabricación de instrumentos y mecanismos relacionados con lacirugía.

Por su importancia actual se va a citar como último metal el titanio.

El titanio (Ti) Es un metal de color blanco plateado. Su densidad es de 4.5 gr/cm3 , con PF yPE de 1660ºC y 3287ºC respectivamente. Posee una alta resistencia mecánica y a la corrosión.

Se obtiene industrialmente de la ilmenita y del rutilo, por el proceso de Kroll. Se calienta lamena al rojo, añadiendo carbón como reductor y haciendo pasar cloro, formándose tetracloruro detitanio, reduciéndose, posteriormente con magnesio:

Ti O2 + 2 Cl2 + C Ti Cl4 + C O2

Ti Cl4 + 2 Mg Ti + 2 Mg Cl2 El titanio obtenido se calienta a 1000º C para eliminar el exceso de Mg y luego se purifica.

Cuando se reduce la ilmenita con carbón en horno eléctrico se obtiene ferrotitanio unaaleación que se emplea en soldadura y para obtener aceros especiales. El titanio se alea con el Al,

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Sn,. V o Mo .Debido a su resistencia mecánica y a su baja densidad, se emplea como sustituto del

aluminio y aleado con él y con el vanadio se utiliza en la fabricación de aviones y en las cápsulasaerospaciales y para la construcción de depósitos de agua salada.

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