3.3 Métodos de elaboración

3.3.1. FusiónObjetivo:

El objetivo de la fusión es lograr el cambio de estado que permite que el concentrado pase de estado sólido ha estado líquido para que el cobre se separe de los otros elementos que componen el concentrado.

¿Qué ocurre en la fusión?

En la fusión el concentrado de aleación es sometido a altas temperaturas (1.200 ºC) para lograr el cambio de estado de sólido a líquido.

Al pasar al estado líquido, los elementos que componen los minerales presentes en el concentrado se separan según su peso, quedando los más livianos en la parte superior del fundido, mientras que el cobre, que es más pesado se concentra en la parte baja.

De esta forma es posible separar ambas partes vaciándolas por vías distintas. Lo más livianos se concentra en la parte superior del fundido, mientras que el cobre, que es más pesado se concentra en la parte baja. En las siguientes imágenes apreciamos como es retirada la escoria del recipiente que contiene arrabio.

oEtapas de un proceso de fundición. 1. Secuencialmente, al cambio de cada etapa hay un aumento paulatino de la temperatura del

sistema fundido. 2. Secuencia clásica de etapas piro-metalúrgicas, se muestra el rango aproximado de

temperaturas involucradas. 3. En su forma clásica, hay una secuencia alternada de etapas endo y exotérmicas, siendo las

más relevantes por su tamaño las correspondientes a la fusión y la conversión.

La tostación es una etapa previa a la fusión que permite la eliminación de elementos volátiles (azufre, arsénico, antimonio, selenio) al calentar los concentrados en presencia del oxígeno del aire a temperaturas que suelen llegar a los 800 C. La tostación consiste en la oxidación parcial de los sulfuros del concentrado y en la eliminación parcial del azufre de éste como SO2 y ocurre según reacciones sólido-gaseosas, a temperaturas de 500 a 800 C, dependiendo de los productos que se desea obtener.

La fase gaseosa contiene normalmente O2 y SO2 en la alimentación y productos y cantidades menores de gases SO3 y SO2, dependiendo de las reacciones de oxidación.

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3.3.2 Solidificación direccional.

El concepto de solidificación direccional se inició con los trabajos realizados, en 1960, por técnicos de la General Electric. Es una serie de medidas aplicadas para controlar la alimentación de bastidores.

La solidificación direccional se puede utilizar como proceso de la purificación. Puesto que la mayoría de las impurezas serán más solubles en el líquido que en la fase sólida durante la solidificación, las impurezas “serán empujadas” por el frente de la solidificación, para tener una concentración más baja de impurezas que el material de base, mientras que el metal solidificado pasado será enriquecido con las impurezas. En la solidificación direccional, la mayor parte del molde se precalienta a temperaturas próximas al punto de fusión del metal, la sección inferior del molde se rodea con una placa de cobre enfriada con agua: es la superficie fría. En realidad el molde es una "zona caliente" cubierta por una campana aislante térmica. El metal líquido se cuela en el molde y empieza a solidificar en el plato frío. En este plano refrigerante normalmente se nuclean y crecen muchos cristales. Luego, el molde se hace descender lentamente desde la campana aislante, sacándolo de la zona caliente. Así, los cristales formados en el fondo del molde crecen en largas columnas. El resultado final es un álabe de turbina constituido por varios cristales, largos y columnares, con parecida orientación y unidos entre sí a través de planos verticales. Todos los límites de grano están orientados aproximadamente en la dirección con que los álabes serán solicitados por la fuerza centrífuga.

La solidificación direccional, es muy útil para moldear álabes de turbinas de súper-aleaciones de níquel, se aplica, también, a otras aleaciones. En particular, se usa para fabricar súper-aleación eutéctica, que se forma añadiendo a la aleación líquida de níquel y aluminio cierta cantidad de molibdeno y solidificando direccionalmente la mezcla.

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3.3.3 Metalurgia de Polvos.

La metalurgia de Polvos es un proceso metalmecánico mediante el cual se transforman polvos metálicos en componentes técnicamente útiles. Esto se realiza partiendo de polvos finos y tras su compactación para darles una forma determinada (compactado), se calientan en una atmósfera controlada (sinterizado) para la obtención de la pieza.

El proceso de manera general consiste en:

1. Producción de polvo de los metales que serán utilizados en la pieza 2. Mezclado de los metales participantes 3. Conformado de las piezas por medio de prensas 4. Sinterizado de las piezas 5. Tratamientos térmicos

Estos polvos se compactan en moldes de precisión y se obtienen partes que posteriormente, se someten a la acción de la temperatura en hornos especiales con atmósferas controladas, donde las partículas de polvo se consolidan y generan las propiedades específicas de la pieza.

3.4 Comportamiento mecánico.

Las aleaciones ferrosas, incluso los aceros inoxidables y las fundiciones utilizan tratamientos térmicos similares para controlar las microestructuras y las propiedades. Sin embargo, la estructura y el comportamiento de las aleaciones no ferrosas tienen diferencias enormes. Las resistencias mecánicas varían desde los 1000 psi hasta más de los 200,000 psi.

Las superaleaciones son formadas por níquel, hierro-níquel y cobalto las cuales contienen grandes elementos de aleación, a fin de producir una alta resistencia mecánica a las temperaturas elevadas: a la termofluencia, incluso al llegar hasta los 1000° C y además resistencia a la corrosión.

Para obtener alta resistencia mecánica, los elementos de aleación deben producir una microestructura fuerte y estable a temperaturas elevadas.

3.5 Oxidación y corrosión. OxidaciónEs la reacción química a partir de la cual un átomo, ión o molécula cede electrones; entonces se dice que aumenta su estado de oxidación. Los tipos de oxidación son:

Oxidación lenta: La que ocurre casi siempre en los metales a causa del agua o aire, causando su corrosión y pérdida de brillo

Oxidación rápida: La que ocurre durante lo que ya sería la combustión, desprendiendo cantidades apreciables de calor, en forma de fuego.

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Corrosión: Es definida como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroquímico por su entorno que termina con la destrucción progresiva de un metal. Siempre que la corrosión esté originada por una reacción electroquímica (oxidación).

Tipos de corrosión. Muchos métodos se emplean industrialmente para evitar la corrosión, mediante la selección de la aleación y estructura propias o por medio de protección de la superficie de un material dado.

Utilización de metales de alto grado de pureza. Empleo de adiciones de aleación. Utilización de tratamientos térmicos especiales. Diseño adecuado. Protección catódica. Empleo de inhibidores. Revestimientos superficiales.

3.6 Cambios en la micro-estructura durante la exposición a temperaturas elevadas.

Los metales pueden ser frágiles o dúctiles, duros o blandos, de fácil fusión o capaces de soportar temperaturas extremadamente elevadas. Las propiedades de los metales se acrecientan con frecuencia exponiéndoles a diversos esfuerzos:

Un metal puede endurecerse por deformación o, por exposición a un grado de calor adecuado, puede hacerse más difícil la disminución de la resistencia mecánica a elevadas temperaturas.

La clave de estas propiedades radica en la estructura cristalina que configura a todos los metales.

Alotropía: En la propiedad que poseen determinados elementos químicos de presentarse bajo estructuras moleculares diferentes. El fenómeno de la alotropía, se debe a que los átomos que forman las moléculas, se agrupan de distintas maneras, provocando características físicas diferentes.

La alotropía se debe a algunas de las razones siguientes:

1. Un elemento tiene dos o más clases de moléculas, cada una de las cuales contiene distintos números de átomos que existen en la misma fase o estado físico.

2. Un elemento forma dos o más arreglos de átomos o moléculas en un cristal. 3. Esta propiedad suele ser más evidente en los no-metales y metaloides aunque también los

metales tienden a formar variedades alotrópicas.

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