Metal·lúrgia i siderúrgia/Obtenció de metalls

Enriquiment: Augmentar en una barreja la proporció d'un dels seus components. Per exemple: Urani enriquit.

Reducció: Un procés de reducció de metall permet millorar la producció eficient de metall dels compostos metàl.lics reduïbles mitjançant la reducció de metall. En termes generals, la invenció es refereix a la realització de la reacció entre un compost metàl.lic reductible i la reducció d'un metall en quantitats aproximadament estequiomètriques en un recipient de metall beneficiosos interior, separat de les parets del reactor exterior per un material aïllant.

Afinament: Es un procés en el que s'augmenta la puresa del metall ja tractat.

Ferro

Unes peces de ferro

El ferro és el metall de transició més abundant en l'escorça terrestre, i quart de tots els elements. També abunda en tot en l'Univers, havent-se trobat meteorits que el contenen. Es troba formant part de nombrosos minerals, entre els quals destaquen la hematites (Fe2O3), la magnetita (Fe3O4), la limonita (FeO (OH)), la siderita (FeCO3), la pirita (FeS2), la ilmenita (FeTiO3), etc. Es pot obtenir ferro a partir dels òxids amb més o menys impureses. Molts dels minerals de ferro són òxids, i els que no es poden oxidar per a obtenir els corresponents òxids. La reducció dels òxids per a obtenir ferro es du a terme en un forn denominat comunament alt forn (també, forn alt). S'hi afegeixen els minerals de ferro en presència de coc i carbonat de calci, CaCO3, que actua com escorificants.

En la indústria, el procediment més normal d'obtenció del ferro, partint dels minerals, és la reducció d'aquests per carbó. El procés simplificat consisteix en tractar l'òxid de ferro amb el carbonat, formant-se òxid de carbonat i ferro lliure. Si es tracta l'òxid de carboni amb més òxid de ferro, es forma diòxid de carboni i més ferro lliure. En el procés indirecte es comença per reduir l'òxid de ferro parell obtenir colat o fosa.

Afinament de l'acer

Pont fabricat amb acer

El primer mètode d'obtenció de l'acer fou la reducció del mineral de ferro per mitjà del carbó vegetal per procediment de la farga catalana, en fargues de petites dimensions. Les dimensions de l'aparell han anat augmentant de mica en mica i s'ha acabat per obtenir només la fosa (alt forn), la qual s'ha de descarburar en un altre aparell (fogar baix, convertidor). El procediment actual és l'afinament líquid, que proporciona la quasi totalitat de l'acer usat.

Amb aire

Els procediments Bessemer i Thomas, actualment en via de desaparició, han tingut un considerable paper històric. La fosa líquida que arriba del mesclador s'aboca en el convertidor, al fons del qual bufa un corrent d'aire intens que crema les impureses del metall. Aquesta combustió allibera, alhora, la calor necessària per elevar la temperatura de la fosa líquida des de 1.200 ºC (fusió de la fosa) fins a 1.600 ºC (fusió de l'acer). En el procediment Thomas, destinat a les foses riques en fòsfor i pobres en silici, es carrega, al mateix temps que la fosa, la calç que serveix per eliminar el fòsfor. El silici, el carboni i després el fòsfor són successivament oxidats. El procediment àcid, o Bessemer, permet de tractar les foses no fosforoses riques en silici.

Amb oxigen

El bufament amb aire enriquit amb oxigen és avui universalment utilitzat. Permet el tractament de considerables quantitats de fosa i l'elaboració d'acer de gran puresa. El procediment austríac LD (Linz Donawitz) utilitza oxigen pur, bufat en una retorta a una pressió de 10 bars. La turbulència creada en la superfície del líquid de fosa en permet la descarbonització i la transformació en acer. El procediment LD Pompey utilitza, d'una banda, el bufament amb oxigen pur i, d'una altra, una escòria enriquida amb calç que facilita la desfosforació.

Concebut pel professor Kalling per tractar les foses fosforoses i acceptar les addicions de ferralla, el procediment Kaldo utilitza una retorta inclinada, oscil·lant i rotativa amb bufament d'oxigen pur a la superfície a una pressió de 4 bars. La progressió d'aquest procediment, igual que la del procediment Rotor, ha estat aturada a causa de l'important consum de recobriments refractaris.

En aquest últim procediment, la llança d'oxigen prové de dues toveres: l'una bufa oxigen pur dins de la fosa líquida; l'altra, amb un 75 % d'oxigen, oxida el carboni en la superfície. El procediment OLP (oxigen-llança-pols) consisteix a injectar les pólvores de calç dins d'un raig d'oxigen; s'adapta bé a les foses fosforoses.

En forn elèctric

Procés de fundició del ferro.

L'augment de la temperatura és assegurat per una arc elèctric que salta entre dos elèctrodes de carboni i les matèries col·locades en el forn. L'afinament es realitza després de la fusió, mitjançant escòries oxidants (eliminació del silici i del carboni) i, tot seguit, ultrabàsiques (desfosforació).

Els grans tipus d'aplicació dels acers són: els acers de construcció (acers ordinaris o, més freqüentment, aliats amb crom, níquel, molibdè); els acers per a la fabricació d'eines; els acers inoxidables, classificats, segons la seva estructura, en acers martensítics (0,4 % de carboni i entre 12 i 16 % de crom), acers ferrítics (0,3 % de sofre, 16 % de carboni i 30 % de crom) i acers austenítics (18 % de crom 8 % de níquel i de sofre i un 0,10 % de carboni); els acers refractaris, que presenten una gran resistència a l'oxidació, a la corrosió i al rectificat, i finalment, per a aplicacions particulars els acers de rodament (2 % de crom) i els acers imantats permanents (fins a un 30 % de cobalt amb addicions de tungstè i de crom).

Coure

Coberta del Palau dels Esports de México D. F. construïda en 1968 amb cobre exposat a la intempèrie

El coure (del llatí cuprum), de símbol Cu, és un element químic de nombre atòmic 29, i és un dels metalls més importants. Es tracta d'un metall de transició de coloració rogenca i brillantor metàl·lica que, juntament amb la plata i l'or, forma part de l'anomenat grup 11 de la taula periòdica, caracteritzat perquè són els millors conductors d'electricitat. Gràcies a la seva alta conductivitat elèctrica, ductilitat i mal·leabilitat, s'ha convertit en el material més utilitzat per a fabricar cables elèctrics i altres components elèctrics i electrònics.

El coure és el tercer metall més utilitzat al món, per darrere de l'acer i l'alumini. La producció mundial de coure refinat es va estimar en 15,8 Mt el 2006, amb un dèficit de 10,7% davant la demanda mundial projectada de 17,7 Mt.

El coure generalment forma dos aliatges principals que són el llautó i el bronze, però també pot formar altres aliatges com:

• Coure-crom: Entre 0,5% i 1% aconsegueixin una millora resistent a altes temperatures i en conseqüència es milloren, tant la conductivitat elèctrica com tèrmica. El seu ús es destina a electròdes de soldadura per resistència, barres de col·lectors, comptadors de potència, equips siderúrgics i ressorts conductors. Encara s’optimitza aquesta millora incloent-hi circoni.

• Coure-circoni: S’aplica amb un 0,1%-0,2% i aconseguim unes característiques mecàniques similars a les aconseguides amb crom.

• Coure-ferro-fòsfor i coure-cobalt-fòsfor: Aquestes aleacions s’utilitzen, bàsicament, en circuits integrats. Tenen una bona conductivitat elèctrica juntament amb bones propietats mecàniques i resistència a la temperatura.

• Coure-cadmi: Aconsegueixin major capacitat resistent. El seu ús es destina a cables i catenàries.

• Coure-argent i coure-estany: Eleven la temperatura de recristalització del material.

• Coure-sofre coure-plom: Milloren les seves aptituds pel mecanitzat.

• Coure-silici.

Coure.

El coure dóna lloc a nombrosos aliatges que principalment tenen com a objectiu millorar les propietats mecàniques d'aquest element químic. El coure és un metall de transició de color rogenc, presenta una conductivitat elèctrica i tèrmica molt alta, només superada per la de la plata. Es creu que possiblement va ser el metall més antic en haver-se emprat, degut a l'aparició de peces d'aquest material l'any 8700 a.C. El coure generalment té estats d'oxidació baixos quan forma composts

Existeixen dos mètodes d'obtenció del Coure.

Via seca

S'utilitza quan el contingut de coure supera el 10%. En cas contrari, serà necessari un enriquiment o concentració. És el procés que més s'utilitza i és anàleg a l'usat per l'estany.

• El mineral de coure s'introdueix a la trituradora o picats. Després es passa per un molí de boles a fi de polvoritzar. Aquest molí consta de un cilindre amb forats molt fins, per on sortirà el mineral polvoritzat, i unes boles d'acer que giren lliurement quan ho fa el cilindre.

• Per separar la mena de la ganga, s'introdueix el mineral en pols en un dipòsit ple d'aigua i s'agita. El mineral, més pesat, s'anirà al fons, mentre que la ganga surarà i es traurà per dalt.

• El mineral concentrat es durà a un forn, on s'oxidarà parcialment. L'objectiu és oxidar el ferro present, però no el coure. Actualment se sol posar en una cinta transportadora metàl.lica que es mou lentament al mateix temps que s'escalfa la mena. D'aquesta manera s'aconsegueix separar el ferro del coure.

• A continuació s'introdueix tot en un forn de reverber, on es fon. S'afegeix fundent (sílice i calç) perquè reaccioni amb el sofre i l'òxid de ferro i formi l'escòria. El coure aquí obtingut té una puresa aproximada del 40% i rep el nom de coure brut o coure blíster. Si es vol obtenir un coure de puresa superior al 99,9%, és necessari un refinat electrolític a la cuba.

Via humida

S'empra quan el contingut en coure del mineral és inferior al 10%. El procediment consisteix a triturar tot el mineral i afegir àcid sulfúric. Després, mitjançant un procés d'electròlisi, s'obté el coure.

Electròlisi

Procés d'electròlisi

L’electròlisi és la producció d’una reacció redox no espontània, mitjançant el pas de corrent elèctric. És, per tant, el procés invers al que succeeix en una pila elèctrica i es porta a terme en un contenidor anomenat cuba electrolítica. Un exemple senzill és el de l’electròlisi de l’aigua, en la qual el pas de corrent descompon aquest líquid en els seus elements constituents, hidrogen i oxigen. El principal avantatge del mètode electrolític és que no és necessari augmentar la temperatura perquè la reacció tingui lloc, evitant-ne pèrdues energètiques i reaccions secundàries. Industrialment és un dels processos més emprats en diferents àrees, com l’obtenció d’elements a partir de compostos (clor, hidrogen, oxigen), la purificació de metalls (el mineral metàl·lic es dissol en àcid, obtenint-ne per electròlisi el metall pur) o la realització de recobriments metàl·lics protectors (niquelat, cromat, etc.).

Or

Un exemple de or

Com que és relativament inert, es sol trobar com a metall, de vegades com llavors grans, però generalment es troba en petites inclusions en alguns minerals, vetes de quars, pissarra, roques metamòrfiques i dipòsits luvials originats d'aquestes fonts. L'or està àmpliament distribuït i sovint es troba associat als minerals quars i pirita, i es combina amb tel · lur en els minerals calaverita, silvanita i altres. Sud-àfrica és el principal productor d'or cobrint aproximadament dos terços de la demanda global. Els romans extreien molt or de les mines espanyoles, però avui en dia moltes de les mines d'aquest país estan esgotades. L'or s'extreu per lixiviació amb cianur. L'ús del cianur facilita l'oxidació de l'or formant-se Au (CN) 22 - en la dissolució. Per separar l'or es torna a reduir emprant, per exemple, zinc. S'ha intentat reemplaçar el cianur per algun altre lligant a causa dels problemes mediambientals que genera, però o no són rendibles o també són tòxics. En l'actualitat hi ha milers de comunitats a tot el món en lluita contra companyies mineres per la defensa de les seves formes de vida tradicionals i contra els impactes socials, econòmics i mediambientals que l'activitat minera d'extracció d'or per lixiviació amb cianur genera en el seu entorn . Hi ha una gran quantitat d'or en els mars i oceans, sent la seva concentració d'entre 0,1 μg / kg i 2 μg / kg, però en aquest cas no hi ha cap mètode rendible per a obtenir-lo.

Enllaços externs

• Definició de Enriquiment (castellà)
• Informació sobre la reducció en metalls (català)
• Informació sobre l'acer i la seua obtenció (català)
• Informació de l'obtenció del coure (castellà)
• Informació del ferro (castellà)
• Informació de l'acer (castellà)
• Informació del coure (castellà)
• Informació del ferro (castellà)
• Informació del or (castellà)
• Informació sobre l'electrolisi (castellà)