Introducción a la metalurgia para los estudiantes de ingeniería con los temas que se desarrollan en clase.

1. INTRODUCCIÓN A LA
METALURGIA
Chaparro M Daniel
Castellanos B Esteban

2. Tabla de contenido
1. Introducción
2. Importancia y propiedades de los metales
3. Estado natural
1. Metales y sus menas
4. ¿Qué es la metalurgia?
1. Terminologías básicas
5. Procesos de enriquecimiento de minerales.
1. Procesos de concentración
2. Diagrama general de procesos
6. Reducción del metal
1. Pirometalurgia
1. Calcinación
2. Tostación
3. Fusión
4. Producción de hierro
2. Hidrometalurgia
1. Lixiviación
2. Hidrometalurgia del zinc
3. Electrometalurgia
1. Obtención del zinc
7. Bibliografía

3. 1. Introducción
La metalurgia ha sido fundamental para el desarrollo de la humanidad desde la antigüedad,
ya que ha permitido la producción de herramientas, armas, utensilios y maquinarias que han
mejorado la calidad de vida de las personas y ha impulsado el progreso en diversos campos
de la tecnología y la industria. La metalurgia trabaja con una amplia variedad de materias
primas, pero principalmente se enfoca en la producción y procesamiento de metales y
aleaciones. Estos metales se encuentran en la naturaleza en forma de minerales, y la
metalurgia se encarga de extraerlos, purificarlos y transformarlos en productos útiles. La
metalurgia e ingeniería tienen una relación estrecha y complementaria, ya que la producción
de metales y aleaciones implica el uso de conocimientos y técnicas especializadas en
diferentes áreas de la ingeniería

4. 2. Importancia y propiedades de los metales
• Las 3/4 partes de elementos del sistema periódico son metales.
• Fundamentales en el desarrollo de la humanidad
• Propiedades macroscópicas
• Son sólidos, excepto el Hg y el Ga
• Excelentes conductores del calor y la electricidad en estado sólido
• Alta resistencia mecánica
• Dúctiles y Maleables
• Facilidad para formar aleaciones
• Propiedades atómicas
• Número de electrones de valencia inferior al de orbitales de valencia.
• Energías de ionización pequeñas
• Baja electronegatividad

5. 3. Estado natural de los elementos metálicos
Solo la mayoría de los metales no reactivos se encuentran naturalmente en su forma
elemental.
Ejemplos:

6. 3.1 Metales y sus menas

7. 4. ¿Qué es la metalurgia?
La metalurgia es un dominio de la ciencia e
ingeniería de materiales que estudia el
comportamiento físico y químico de los elementos
metálicos, sus compuestos intermetálicos y sus
mezclas, que se denominan aleaciones.
La metalurgia consta de 3 pasos:
i. concentración de mineral
ii. Aislamiento de metal del mineral concentrado.
iii. Purificación del metal

8. 4.1 Terminologías básicas
Mineral: Sustancia inorgánica sólida, natural, formada por
procesos geológicos.
Mena: Un material sólido natural del que se puede extraer
un metal o un mineral valioso.
Flux: Es un agente de limpieza químico utilizado para la
purificación de los minerales.
Slug: Materia de desecho separada de los metales durante
la extracción de minerales.
Ganga: Es el material sin valor comercial que rodea o está
estrechamente mezclado con un mineral buscado en un
yacimiento.
La separación del mineral de la ganga se conoce como
procesamiento de minerales.

9. 5. Procesos de enriquecimiento de minerales
(técnicas de concentración)
Es el proceso de eliminar impurezas o
materiales no deseados del mineral
dejando solamente al metal de interés. Los
diferentes procesos son:
i. Lavado hidráulico
ii. Separación magnética
iii. flotación de espuma
IV. Lixiviación

10. 5.1 Proceso de concentración
En el tratamiento de todo mineral existen
diferentes etapas que se pueden apreciar en el
siguiente diagrama general.Un concentrado de
un mineral tiene que cumplir exigencias tales
como:
1 Ley del mineral.
2 Tamaño de partículas.
3 Contenido de humedad e impurezas;
especialmente los minerales no metálicos,
tales como: grafito, azufre, asbesto, sal, mica,
etc. Entre los metálicos, la molibdenita (MoS2)
debe ser de la ley más alta posibleal tiene que
cumplir exigencias tales como:

11. 5.2 Diagrama general
Mena
Trituración
Clasificación en harneros
Molienda
Clasificación en
hidrociclones
Concentración
Concentrado
Espesamiento
Filtración, secado
Concentrado final
middlings Relaves

12. 6. Reducción del metal
Para llevar a cabo existen tres métodos.
1. Reducción pirometalúrgica (pirometalurgia): fundición de metales a altas temperaturas.
2. Reducción hidrometalúrgica (hidrometalurgia): solubilización de metales en soluciones
acuosas.
3. Reducción electroquímica (electrometalurgia): Aplicación de energía eléctrica a soluciones
acuosas para obtener metales puros.

13. 6.1 Pirometalurgia
La pirometalurgia es una rama de la metalurgia extractiva. Consiste en el tratamiento térmico
de minerales, menas y concentrados para provocar transformaciones físicas y químicas en los
materiales que permitan la recuperación de metales valiosos. La pirometalurgia es adecuada
para materiales menos reactivos como hierro, cobre, zinc, cromo, estaño y manganeso.
Puede clasificarse en las siguientes categorías:
1. Calcinación
2. Tostación
3. Fundición
4. Refinación

14. 6.1.1 Calcinación
La calcinación es calentar a altas temperaturas en ausencia de aire
u oxígeno. El objetivo principal de la calcinación de minerales es
convertir carbonatos e hidróxidos en óxidos.
ZnCO3  ZnO + CO2
CaCO3  CaO + CO2
2Al(OH)3  Al2O3 + 3H2O
Propósito de la calcinación
i. Eliminar las impurezas volátiles
ii. Para eliminar la humedad
iii. Hacer la masa porosa
Un horno para la calcinación de piedra caliza

15. 6.1.2 Tostación
• El procesamiento de fuerte calentamiento del mineral
en presencia de exceso de aire por debajo de su punto de
fusión.
• Finalidad del tueste:
i. Para convertir el sulfuro en óxido y sulfato
ii. Para eliminar impurezas como S, As, Sb.
iii. Para eliminar la humedad
iv. Oxidar sustancias fácilmente oxidables
Se utiliza principalmente para minerales de sulfuro,
convierte los sulfuros en óxidos.
2ZnS+3O2 -> 2ZnO+SO2
4FeS2 + 11O2 -> 2Fe2O3 + 8SO2

16. 6.1.3 Fusión
• La fundición es una forma de metalurgia extractiva; su
uso principal es producir un metal base a partir de su
mineral.
• La fundición utiliza calor y un agente químico reductor
para descomponer el mineral, eliminando otros elementos
como gases o escoria y dejando atrás solo la base metálica.
El agente reductor suele ser una fuente de carbono, como
el coque o, en épocas anteriores, el carbón vegetal.
2C + O2  2CO (Quema de combustible a CO)
Fe2O3 + 3CO  2Fe + 3CO2 (CO reduce la hematita a
hierro)
CaCO3  CaO + CO2 (Descomposición)
CaO + SiO2  CaSiO3 (se eliminan las impurezas)
El metal fundido vierte de la
cuchara en el molde de arena.
Proceso de fundición de hierro en
fundición de metalurgia

17. Pirometalurgia (Producción de hierro)
El hierro se extrae en Perú principalmente de
los yacimientos de la región de Marcona, en
la costa sur del país.
Se utiliza el proceso de reducción directa para
producir hierro metálico.
coque + aire → calor + gas reductor (CO)
minerales + gas reductor + calor → hierro
(arrabio) + gases de salida
ganga + fundente + calor → escorias (silicatos)
La reacción global al final del proceso es la
siguiente:
Fe2O3(s) + 3 CO(s) → 3 CO2(g) + 2 Fe(s)
Obtención de hierro en alto
horno.

18. 6.2 Hidrometalurgia
La hidrometalurgia es un método para obtener metales a
partir de sus minerales. Es una técnica que implica el uso
de química acuosa para la recuperación de metales a
partir de minerales, concentrados y materiales
reciclados o residuales. La hidrometalurgia se divide
típicamente en tres áreas generales:
i. Lixiviación
ii. Concentración y purificación de soluciones.
iii. Recuperación de metales o compuestos metálicos
Proceso de lixiviación en pilas

19. 6.2.1 Lixiviación
Implica el uso de soluciones acuosas para extraer metal de materiales que contienen metal que se
pone en contacto con un material que contiene un metal valioso. Las condiciones de la solución
acuosa varían en términos de pH, potencial de oxidación-reducción, presencia de agentes
quelantes y temperatura.
Después de la lixiviación, el licor de lixiviación normalmente debe sufrir la concentración de los
iones metálicos que se van a recuperar. Además, a veces es necesario eliminar los iones metálicos
no deseados.
Dos tipos principales son:
i) Extracción por solventes
ii) Intercambio iónico

20. 6.2.2 Hidrometalurgia del zinc
Zinc: El zinc se extrae en Perú principalmente de la
mina de Antamina, en la región de Áncash. Se
utiliza el proceso de lixiviación y precipitación para
producir zinc metálico.

21. 6.3 Electrometalurgia
La electrometalurgia es la rama de la metalurgia que utiliza la electricidad para procesar y producir metales y
aleaciones. Se puede clasificar en diferentes categorías según el tipo de proceso y la naturaleza de los materiales
involucrados. La electrometalurgia es el campo relacionado con los procesos de electrodeposición de metales.
Entre las categorías más importantes están:
Electrorrefinación: (Purificación). Los metales se disuelven en un electrolito y se depositan en un cátodo, donde se
purifican y se recuperan. Importante en la producción de metales como el cobre, el níquel y el zinc.
Electroobtención: (Producción mediante deposición electroquímica a partir de un electrolito). Los iones metálicos
disueltos en el electrolito se reducen en un cátodo para formar el metal deseado. Se utiliza en la producción de
metales como el cobre, el zinc y el níquel.
Electrólisis: (Descomposición). Los iones del compuesto se mueven hacia el electrodo correspondiente, donde se
oxidan o reducen para formar productos distintos. Se utiliza en la producción de cloro, hidrógeno, aluminio y otros
productos químicos.
Electroquímica de superficies: (Reacción entre interfaz entre una solución y una superficie sólida). Se utiliza en la
fabricación de recubrimientos metálicos y en la modificación de superficies para mejorar sus propiedades físicas y
químicas. Un ejemplo de la electroquímica de superficies es el galvanizado, en el cual se recubre el acero con una
capa de zinc para protegerlo contra la corrosión.

22. 6.3.1 Electrometalurgia (Obtención del zinc)
En la industria, los procesos de electrorrefinación y electroobtención son particularmente
importantes en la producción de metales como el cobre, el níquel y el zinc. La mina de
Antamina,utiliza este proceso para producir zinc metálico.
Electrodeposición de zinc en una celda electrolitica

23. 7. Bibliografía
• Néstor Perez. Electrochemistry and Corrosion Science. Chapter 7. Kluwer Academic
Publishers
• Extraction and techniques and metallurgy. Koushik Kosanam
• Organic Additives in Zinc Electrowinning and Electrodeposition of Fe-Mo-P Alloys as
Cathodes for Chlorate Production. (2016) Nabil Sorour.
• Muñoz-Portero, M.J.: “Principios de Obtención de Materiales”, Editorial UPV, 2007.
• Groover, M.P.: “Fundamentos de manufactura moderna”, Prentice-Hall
• Hispanoamericana, 1997.
• Smith, W.F.: “Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales”, McGrawHill, 1999.
Shackelford, J.F.; Güemes, A.: “Introducción a la Ciencia de los Materiales para
• Askeland, D.R.: “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”, Paraninfo, 2001.
• William, D.; Callister, Jr.: “Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales”, Reverté,
2000.
• Ballester, A.; Verdeja, L.F.; Sancho, J.: “Metalurgia extractiva: Volumen I y II”, Síntesis, 2000.