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Metalurgia

El documento trata sobre la metalurgia extractiva. Explica los procesos mecánicos y químicos para extraer y procesar los metales de los minerales. Describe los tipos de menas metálicas, incluyendo sulfuros, óxidos y carbonatos. También cubre procesos como la flotación, lixiviación y electrolisis para separar y refinar los metales. La metalurgia extractiva incluye tanto procesos pirometalúrgicos como hidrometalúrgicos para lograr metales puros de manera económ

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1
Es la ciencia y tecnología de extracción de los metales de sus fuentes
naturales o de los materiales de reciclado y su preparación para usos
prácticos
Es una sustancia natural, inorgánica y homogénea de composición
química determinada.
Mineral
Se llama MENA a una asociación de minerales a partir de la cual se
obtienen uno o más metales de forma económicamente favorable y
GANGA al resto del mineral constituido por las impurezas
METALURGIA EXTRACTIVA
El tanto por ciento del contenido en mena de un mineral se
conoce como LEY DEL MINERAL
2
Tipos de
combinación
Ejemplos Observaciones
Metales nativos Au, Grupo Pt También Ag, Bi, Hg y Cu aunque de
importancia secundaria
Sulfuros Calcopirita CuFeS2
Calcosina Cu2S
Esfalerita ZnS
Galena PbS
Pirita de hierro FeS2
Cinabrio HgS
Molibdenita MoS2
Estibina Sb2S3
Óxidos Magnetita Fe3O4
Hematites Fe2O3
Ilmenita FeTiO3
Bauxita Al2O3
Casiterita SnO2
Periclasa MgO
Cuarzo SiO2
Menas típicas de Fe, Al, Ti, Cr, Mn, Sn, W,
Si, Nb, Ta, U, Th, Lántanidos
CLASIFICACIÓN DE LAS MENAS METÁLICAS
3
Haluros Alcalinos y alcalinoterreos de depósitos
salinos y aguas marinas
Sal gema NaCl; silvinita KCl
carnalita KCl.MgCl2
fluorita CaF2; Criolita AlF3.3NaF
Importancia en la
metalurgia del
magnesio
Oxisales Silicatos
Berilio Be3Al2Si6O18; Zircón ZrSiO4
Caolinita Al2(Si2O8)(OH)4
espodumen LiAl(SiO2)2
Fosfatos
Monacita CePO4
Autunita Ca(UO2)2(PO4)2
Carbonatos
Siderita FeCO3; Cerusita PbCO3
Smithsonita ZnCO3;Malaquita
Cu2(CO3)(OH)2
dolomita MgCO3.CaCO3;Caliza CaCO3
Magnesita MgCO3
Sulfatos
Yeso CaSO4.2H2O;Epsomita MgSO4.7H2O
Barita BaSO4; Anglesita PbSO4
Metalurgias del Be, Li,
Zr y Lantánidos
Metalurgias del U y
lantánidos
CLASIFICACIÓN DE LAS MENAS METÁLICAS
4
5
Propiedades físicas de los Minerales
Dureza
Peso Especifico
Fusibilidad
Fractura
Exfoliación
Tenacidad
Color
Brillo
Transparencia
Escala Mohs
1.Talco
2.Yeso
3.Calcita
4.Fluorita
5.Apatita
6.Feldespato
7.Cuarzo
8.Topacio
9.Corindón
10.Diamante
Exfoliable
Quebradizo
Dúctil
Maleable
Flexible e inelástico
Flexible y elástico
6
OPERACIONES INDUSTRIALES:
Mecánicas
Químicas
Electrometalúrgicas
TRATAMIENTO MECÁNICO
1.-Selección
2.-Trituración
3.-Tamizado
4.Tratamiento de finos
5.-Concentración
2. Trituración: 2.1.Quebrantamiento
Quebrantadora de
Mandíbulas
Quebrantadora de
Rodillos
7
2.2.- Trituración
2.3.- Molienda
Por compresión
Por abrasión y desgaste
Por impacto
Trituradora de
Mandíbulas
Molino Giratorio
Molino de Rodillos Molino de Barras Molinos Autógenos
8
3. Tamizado:
4.Tratamiento de finos:
Briqueteado
Sinterización
Nodulización
En la siguiente tabla se dan especificaciones de luz de malla de distintos tamices
Especificaciones DIN Luz de malla en mm Diametro del alambre mm
0,04 DIN 4183 0,04 0,025
0,05 DIN 4188 0,05 0,032
0,08 DIN 4188 0,08 0,05
0,1 DIN 4188 0,1 0,063
0,5 DIN 4188 0,5 0,315
1,0 DIN 4188 1,0 0,63
2,0 DIN 4188 2,0 1,0
Especificaciones DIN Ancho de la
perforación R10
Superficie abierta
del tamiz en mm
Espesor de la
chapa
Qd 2 DIN 4187 2 39 1
Qd 4 DIN 4187 4 51 1,5
Qd 5 DIN 4187 5 51 1,5
Qd 8 DIN 4187 8 64 1,5
Qd 10 DIN 4187 10 64 2
9
Clasificador de Arrastre
Gruesos Finos
Pulpa
Agua
Lamas
Clasificador de Caja
5.Concentración:
5.1.Clasificación:La base de la separación es el tamaño de
las partículas
-A igual densidad de las partículas, las más gruesas tienen mayor velocidades de sedimentación
que las más finas.
-A igual tamaño, las partículas con mayor densidad tienen mayor velocidad de sedimentación.
-Las partículas porosas, o con formas irregulares tienen una velocidad de sedimentación menor
que las partículas esféricas o compactas con el mismo tamaño y densidad.
-La velocidad de sedimentación de las partículas sólidas disminuye progresivamente al aumentar
la densidad o la viscosidad del fluido.
10
5.2.Concentración por gravedad: Basada en las densidades de
las especies
5.2.1.Separación por medios densos
Densidades de distintas especies minerales
Generales Densidad Kg/m3
Hidrocarburos/Carbón ≈ 1000
Silicatos 2000-4500
Carbonatos, Fosfatos, Haluros 3000-3500
Sulfuros 4000-8000
Óxidos 2500-7000
Líquidos más utilizados
Componente Fórmula Densidad Kg/m3
Pentacloroetano CCl3-CHCl2 1500
Bromoformo CHBr3 2960
Ioduro de metileno CH2I2 3330
Solución de Clerici TlCOO/COOH-CH2-COOTl 5200
Magnetita Fe3O4 1250-2200
Ferrosilicio 2900-3400
5.2.2.Levigación en Jigs y mesas de Sacudida
Sistema tipo Jigs
11
5.3.Separación magnética
Electroimán
5.4.Separación Electrostática
12
5.5.Separación por Flotación
Pulpa
+ aceite
Espuma
AireColectores:
a) Aceites y derivados del Petróleo
b) Ácidos y base orgánicas. Sales.
S C
S
OR
S P
S
OR
OR
Ej.. Xantatos y Ditiofosfatos
O R
13
14
División de la metalurgia extrativa
Via Seca o Pirometalurgia Via húmeda o hidrometalurgia
-Calcinación
-Tostación
Oxidante
Sulfatante
Clorurante
Aglomerante
Otras
-Fusión
Reductora
Ultrareductora
Neutra
Oxidante
-Volatilización
Reductora
Oxidante
De haluros
De carbonilos
-Electrólisis ignea
-Metalotermia
-Lixiviación
Ácida
Básica
Neutra
-Purificación y/o concentración
Métodos químicos convencionales
Cementación
Resinas de intercambio de ión
Extracción con disolventes
-Precipitación
Electrólisis
Cementación
Métodos Químicos
TRATAMIENTO QUÍMICO
15
Pirometalurgia: Ventajas y Desventajas
Ventajas Desventajas
• Velocidades de reacción muy grandes
• Altas producciones en reactores
relativamente pequeños
• Apto para recibir alimentaciones de
minerales complejos.
• Idónea para alimentaciones
heterogeneas formadas por minerales
de diversas procedencias.
• No apta para el tratamiento de
minerales pobres
• Relativamente mala selectividad y poca
eficacia en reacciones químicas de
separación.
• Procesos que transcurren, a menudo, en
varias etapas.
• Problemas medioambientales con los
residuos gaseosos y el ruido.
Hidrometalurgia: Ventajas y desventajas
Ventajas Desventajas
• Posibilidad de tratar minerales pobres e
incluso marginales.
• Alta selectividad y alto grado de
separación en las reacciones químicas.
• Alta pureza de los productos.
• Fácil control y optimización
• Ausencia de polución por gases.
• Velocidades de reacción lentas
• Poca producción por reactor
• Sensible a variaciones en la
composición de la alimentación.
• Problemas en la eliminación y
almacenamiento de los residuos sólidos
generados.
• Problemas con las aguas residuales.
16
PROCESOS HIDROMETALÚRGICOS
Metalurgia de la plata
1) Tostación clorurante 2)Cianuración y 3) Precipitación
Ag + O2 + 4NaCN ⇒ 2 Na[Ag(CN)2] + 2NaOH
AgCl + 2NaCN ⇒ Na[Ag(CN)2] + NaCl
Reducción 2Na[Ag(CN)2] + Zn ⇒ Zn(CN)2 + 2Ag + 2NaCN
Metalurgia del oro
Amalgamación.
Cianuración:
2Au + 4NaCN + H2O + O2 ⇒ 2 Na[Au(CN)2] + 2NaOH
El oro se precipita por adición de Zn
Reducción 2Na[Au(CN)2] + Zn ⇒ Zn(CN)2 + 2Au + 2NaCN
17
Producción de Bauxita
Producción de Aluminio
Proceso: Hall-Herault
Metalurgia del aluminio
18
Método Bayer , purificación de bauxitas
Entre las bauxitas destacan: hidrargilita γ-Al2O3.3H2O
bohemita γ-Al2O3 .H2O y el diasporo α- Al2O3.H2O.
En el proceso (vía húmeda) de tratamiento con NaOH
(NaOH(ac) 50%, 6-8horas, 160-170ºC, 6-7 atm )
En presencia de sílice: SiO6Al2Na2.2H2O insoluble
Al2O3 + 2NaOH ⇒ 2AlO2
- (ac)+ 2Na+(ac) + H2O
Fe2O3 + 3NaOH ⇒ Fe(OH)3(s) + H2O
Minerales que acompañan a las bauxitas:
Silicatos: Cuarzo SiO2 y caolinita Al4Si4O10(OH)8;
óxidos de hierro Fe3O4, sulfuros de hierro FeS
Al2O3 + 2NaOH + 3H2O ⇒ 2Na+(ac) + 2[Al(OH)4]-(ac)
Fe2O3 + 3NaOH ⇒ Fe(OH)3(s) + H2O
19
1º parte en vía SECA
Al2O3 + Na2CO3 ⇒ 2NaAlO2 + CO2
Fe2O3 + Na2CO3 ⇒ 2NaFeO2 + CO2
SiO2 + CaO ⇒ CaSiO3
AlO2
- + 2H2O ⇔ Al(OH)3 + OH-
FeO2
- + 2H2O ⇔ Fe(OH)3 + OH-
Calcinación: 2Al(OH)3⇒ Al2O3 + 3H2O
Cristalización
2AlO2
-(ac) + CO2 (g)+ 2H2O ⇒ 2Al(OH)3 + CO3
2-(ac)
Índice de alcalinidad adecuado NaOH/NaAlO2=Na2O/Al2O3
2Na[Al(OH)4](ac) + CO2(g) ⇒ 2Al(OH)3 + Na2CO3 + H2O
20
Reducción del metal en PROCESOS HIDROMETALURGICOS
ELECTRÓLISIS
Electrolisis de NaCl fundido
(-) Cátodo: Na+ + e- ⇒ Na Eºred=-2,71V
(+) Ánodo: 2Cl- ⇒ Cl2 + 2e- Eºred=1,36V
Electrolisis de una disolución acuosa de NaCl
(-)Cátodo: Na+ + e- ⇒ Na Eºred=-2,71V
2H2O + e- ⇒ H2 + 2OH- Eºred=-0,83V
Ánodo: 2Cl- ⇒ Cl2 + 2e- Eºred=1,36V
2H2O ⇒ 4H+ + 4e- + O2 Eºred=1,36V
2H2O + 4Cl- ⇒ H2 + 4OH- + 4H+ + Cl2 Eºcelda=-0,83-(1,36)=-2,19V
2Na+ + 2Cl- ⇒ 2Na + Cl2 Eºcelda=-2,71-(1,36)=-4,07V
Sobrevoltaje: factor cinético, no termodinámico
21
Reducción de óxidos metálicos:
Ej: Obtención de aluminio: (criolita Na3AlF6)
Al 3+ + 3e- → Al(l).
C + 2O2- → CO2(g) + 4e-
y en alguna medida la reducción
directa del óxido 2O2- → O2(g) + 4e-
ELECTRÓLISIS
Electrolito
Debe ser conductor
Con un punto de fusión bajo
Resistente y duradero a la tpa
de trabajo
22
Reducción electrolítica de alúmina
Cátodo: Al(III) + 3e- ⇒ Al(l).
La reacción en el ánodo es la oxidación del ánodo de carbono
C + 2O2- ⇒ CO2(g) + 4e-
Y en alguna medida la reducción directa del óxido
2O2- ⇒ O2(g) + 4e-.
23
24
Productos Secundarios: Obtención de Aluminio
1.-Lodo rojo altamente básico en la purificación de bauxita (Tanques de sedimentación)
(relleno de tierras, reutilización en altos hornos)
2.-Fluoruro de hidrógeno gaseoso, cuando la criolita reacciona con rastros
de humedad del óxido de aluminio. (las emisiones se absorben en un lecho de filtración)
Al2O3(s) + 6HF(g) → 2AlF3(s) + 3H2O(g)
3.-Óxidos de carbono producidos en el ánodo. (CO y CO2)
4.-Fluorocarbonos, producidos por reacción del flúor con el ánodo de carbono.(CFC’s)
AplicacionesAplicaciones
Al3+ + 3e- ⇒ Al Eº= -1,66V
Fe2+ + 2e- ⇒ Fe Eº= -0,44V
25
CEMENTACIÓN
Consiste en introducir en la disolución que contiene el ion metálico
que se quiere reducir un metal menos noble que el, lo que da lugar
a la descarga de los iones y separación del metal.
Por ejemplo la lixiviación (extracción mediante un líquido de los
iones del metal) de minerales oxidados de cobre con disoluciones
ácidas produce disoluciones de Cu2+ de la que puede cementarse
el cobre empleando chatarra de hierro.
Cu2+ + Fe ⇒ Cu + Fe2+
O bien de las disoluciones alcalinas obtenidas al tratar con cianuros
alcálinos los minerales de oro y plata, pueden separarse los metales
por el tratamiento con cinc.
2[Ag(CN)2]Na + Zn ⇒ Zn(CN)2 + 2Ag + 2NaCN
Reducción del metal en PROCESOS HIDROMETALURGICOS
26
PROCESOS PIROMETALÚRGICOS
Tostación Oxidante
2MS + 3O2 ⇒ 2SO2 + 2MO
MAs2 + 2O2 ⇒ As2O3 + MO
Tostación clorurante:
MS + 2NaCl(l) + 2O2(g)
⇒ Na2SO4(s) + MCl2
TOSTACIÓN
REDUCCIÓN DE CARBONATOS Y SILICATOS METÁLICOS
MCO3 ⇒ CO2 + MO
CaCO3 + MSiO3 ⇒ CaSiO3 + CO2 + MO
Como resultado de la tostación se obtiene
a) MO = Fe2O3, ZnO, CuO; ZnSO4; Fe2ZnO4; MX.
b) SO2
27
PROCESOS PIROMETALÚRGICOS
REDUCCIÓN DE ÓXIDOS METÁLICOS
MO + R ⇒ M + RO
∆G = ∆H - T∆S
Reacción ∆Ho Kcal/mol ∆Ho Kcal/mol.equivO
Ca + 1/2O2⇒ CaO -151,80 -75,925
Be(c) + 1/2O2⇒ BeO -144,220 -72,110
Mg + 1/2O2⇒ MgO -144,090 -72,045
2Al + 3/2O2⇒ Al2O3 corindón -404,08 -67,346
Ba + 1/2O2⇒ BaO -134,590 -67,295
Zr + 1/2O2⇒ ZrO2 -262,980 -65,745
Ti(α) + 1/2O2⇒ TiO2 rutilo -228,360 -57,090
Si + O2⇒ SiO2 cristobalita -228,360 -57,090
Mn + 2O2⇒ Mn3O4 corindón -332,400 -41,550
2Cr + 3/2O2⇒ Cr2O3 -274,670 -45,778
3Fe(α)+ 2O2⇒ Fe3O4 magnetita -268,310 -33,539
Fe(α)+ 3O2⇒ Fe2O3 hematites -200,000 -33,330
Fe(α)+1/2O2⇒ FeO magnetita -65,320 -32,660
C(gráfito)+O2⇒ CO2 (g) -93,690 -23,442
C(gráfito)+1/2O2⇒ CO (g) -25,400 -12,700
28
DIAGRAMA DE ELLINGHAM
Ecuación de una recta
∆Gº = A + BT
∆Gº = ∆Hº -T∆Sº
29
La pendiente de cada línea es igual al cambio de entropía de la reacción cambiada de signo
Cuando se produce un cambio de fase se modifica la pendiente de la línea puesto que el
cambio de fase supone una variación en la entropía del sistema.
Las líneas poseen pendientes similares, prácticamente son paralelas porque el cambio de
entropía al pasar el oxígeno gas a óxido sólido es similar en todos los casos
La reacción de un metal con oxígeno para formar un óxido sólido produce una disminución
de la entropía porque la estructura del óxido sólido es más ordenada que un metal y un gas.
Como consecuencia ∆G aumenta al aumentar la temperatura
Los cambios de pendiente durante la fusión son mucho menores que durante la sublimación
porque van acompañados de menores cambios de entropía
Cuando una línea alcanza la región de variación de energía libre positiva, el óxido descompone
sucede así con Fe2O3 a 1500oC o con Ag2O, HgO a temperaturas inferiores
Cualquier óxido puede ser reducido a una determinada temperatura por todos los elementos
que se encuentran por debajo en la gráfica.
La línea que nos indica la formación de CO2 es casi horizontal puesto que el cambio de
entropía es prácticamente nulo al transformar un mol de O2 en un mol de CO2.
La línea para la formación de CO tiene pendiente negativa pues en este caso la transformación
de un mol de oxígeno en 2 moles de CO supone un aumento de la entropía y por tanto una
disminución de la energía libre. Este hecho es de gran interés, ya que todas las demás líneas
son interceptadas y por tanto todos los óxidos pueden ser reducidos con carbón a temperaturas
más o menos elevadas..
CO actúa también como especie reductora transformandose en CO2 , es capaz de reducir a
todos los óxidos de los metales que se encuentra por encima en la gráfica, a las temperaturas
adecuadas en cada caso
30
31
Óxidos de carbono
2CO(g) CO2(g)+C(s)[4]
∆Hº = -172,Kj/mol
∆Sº= -176,5 J.K-1mol-1
Equilibrio de Boudouard
CO2 CO
-86-5652CO(g) + O2(g) 2CO2 (g)[3]
+3-393,5C(s) + O2(g) → CO2 (g) [2]
+178-221,02C(s) + O2(g) → 2CO(g) [1]
∆Sº
J.K-1mol-1
∆Hº
KJ.mol-1
32
2CO CO2 + C [4]=[2]-[1]
∆Sº= (δ∆Hº/δT)
∆Gº= ∆Hº-T∆Sº
∆Gº= -RTlnK
2131972046SºJ.K.mol-1
CO2COO2C
[3] ∆Sº= -172
[2] ∆Sº= +3
[1] ∆Sº= +178
Temperatura K978
∆Gº(KJ.mol-1)
2
∆Gº<0 K>0
33
DIAGRAMA DE ELLINGHAM
En condiciones no estándar
2CO + O2 ⇒ 2CO2 ∆G =∆Gº -RTlnPCO2/PCO
∆G =∆Gº -RTlnPO2
2MO + 2CO ⇒ 2M + 2CO2
Influencia de la presión
34
∆Gº = A + BT
∆Gº = ∆Hº -T∆Sº
DIAGRAMA DE ELLINGHAM
2Al + 3/2SiO2⇒ Al2O3 + 3/2Si ∆Go <0
∆Go (SiO2) > ∆Go (Al2O3)
∆Go = ∆Go (Al2O3) - ∆Go (SiO2)
Al + Cr2O3⇒ Al2O3 + Cr ∆Go <0
∆Go (Cr2O3) > ∆Go (Al2O3)
∆Go = ∆Go (Al2O3) - ∆Go (Cr2O3)
35
Fe2O3 hematites, Fe3O4 magnetita,2Fe2O3.2H2O limonita,
FeCO3 siderosita y FeS2 pirita
Principales minerales de hierro
METALURGIA DEL HIERRO. Ejemplo de reducción carbotérmica
Altos hornos
35-40m
1000m3
Cuba
Tragante
Crisol
Etalaje
Base o Solera
Vientre
Vida media = 1,5-2años
Tragante
36
Principales reacciones de los altos hornos
1).Formación de los agentes reductores gaseosos CO, H2
C(s) + H2O ⇒ CO + H2 (>600ºC) ∆H=+131KJ
2C(s) + O2 ⇒ 2CO (1700ºC) ∆H=-221KJ
C(s) + CO2 ⇔ 2CO ∆H=+41Kcal
C(s) + O2(g) ⇔ 2CO2 ∆H=-94Kcal
3).Formación de la escoria destinada
a eliminar impurezas
CaCO3 ⇒ CaO + CO2 (800-900ºC)
CaO + SiO2 ⇒ CaSiO3(l) (1200ºC)
6CO + P4O10 ⇒ 2Ca3(PO4)2 (1200ºC)
4)Formación de impurezas en el hierro
MnO + C ⇒ Mn + CO (1400oC)
SiO2 + 2C ⇒ Si + 2CO (1400oC)
P4O10 + 10C ⇒ 4P + 10C (1400oC)
2) Reducción de los óxidos de hierro
CO + Fe2O3 ⇒ 2FeO + CO2 (900ºC)
CO + Fe3O4 ⇒ 3FeO + CO2 (900ºC)
FeO + CO ⇒ Fe + CO2 (900ºC)
3H2 + Fe2O3 ⇒ 2Fe + 3H2O (900ºC)
FeO + C ⇒ Fe + CO a nivel del vientre: 1500ºC 3Fe + C ⇔ Fe3C
Esponja de hierro
Fe2O3,
Coque
Aire Aire
Lodos
200ºC
1000ºC
2000ºC
Fe
37
ACERO : Producción de acero en Convertidores
El arrabio contiene por lo general las siguientes impurezas:
Carbono: disuelto en el fundido en forma de cementita Fe3C alcanza
alrededor del 4%.
Fósforo: los fosfatos son más fáciles de reducir que los óxidos de
hierro y el P se disuelve en el hierro como ferrofosfóro.
Azufre: es otro componente indeseable, se reduce repartiéndose entre
el arrabio y la escoria.
Manganeso: Todos los minerales de hierro contienen manganeso,
algunos en proporción del 2-3%. A diferencia de los anteriores el
manganeso es un elemento deseable.
Niquel-cobre, pasan al arrabio en su mayor parte.
Plomo, funde a 600oC y tiene un peso especifico superior al del Fe.
Arsénico. Se encuentra en forma de arseniuro en el mineral, pasa por
completo al arrabio, es una impureza indeseada
38
ACERO : Producción de acero en Convertidores
Convertidor Bessemer
Convertidor Thomas
Convertidor L.D
El método del bajo hogar o Siemens Martins.
39
Convertidor Bessemer
Óxidos Ácidos SiO2
Convertidor Thomas
Óxidos Básicos CaO, MgO
Convertidor L.D
(Linz Dusenverfahren, lanza de linz)
(acero al oxígeno)
BOF (basic oxygen furnace)
1)Combustión del S y Si.
Si + O2 ⇒ SiO2
S + O2 ⇒ SO2
2)Combustión del C
C + 1/2O2 ⇒ CO
3)Combustión de P.
2P + 5/2O2 ⇒ P2O5
4)Combustión de Fe
Fe + O2 ⇒Fe2O3
5)RECARBURACIÓN
Adición de ferromanganeso con %C
5m
8-10m
40
41
42
Dureza a alta temperatura tungsteno, molibdeno, cobalto, vanadio, cromo, manganeso.
Resistencia al desgaste por fricción vanadio, tungsteno, molibdeno, cromo, manganeso.
Endurecimiento profundo manganeso, molibdeno, cromo, silicio, níquel, vanadio.
Distorsión mínima en el temple molibdeno, Cromo, manganeso.
Resistencia al impacto vanadio, tungsteno, molibdeno, manganeso, cromo
Inercia Química . Titanio
Efecto de los elementos aleantes en las características de los aceros para herramientas
Características Elemento
Aleaciones
Elemento % Propiedades Aplicaciones
Ni 25 Tenacidad
Ni 36 No se dilata acero invar
Cr -- Dureza placa de blindaje
Cr y N i 20-8% Resistencia Química Nirosta, acero inoxidable
W 15-18% No se destempla acero de giro rápido
Co-W 40-2,5%Magnético Imanes permanentes
Si 10-13% Resistencia a los ácidos Aparatos Químicos
Ti Inercia química
43
Reducción Metalotérmica de Óxidos
Diagrama de Ellingham,
se suele utilizar Si, Ca y sobre todo Al
2Cr2O3 + 3Si ⇒ 4Cr + 3SiO2
Mg, Ca, Sr, Ba, V, Cr etc.
HIDROGENOTERMIAS
W, Mo, Ti, V, Co, Ni, Re
ALUMINOTERMIAS
44
METODO KROLL: Reducción de haluros
ZIRCONIO ZrO2 + 2Cl2 + 2C (900°C) ZrCl4 + 2CO
ZrCl4 + 2Mg (1100°C) 2MgCl2 + Zr
Cloración directa:
TiO2 + Cl2 + C ⇒ TiCl4 + CO + (COCl2 ,CO2)
En el caso de sulfuros
MS + Cl2 ⇒ MCln + S
Se obtienen: Si, Ti, Zr, Hf, Sc, La, V, Nb, Be, K, Rb, Cs etc.
Esto sucede con Ag, Hg, Pb, Cd, Cu, Mn, Ni, Zn, Sn, Fe
2FeTiO3 + 6C + 7Cl2 (900ºC)⇒ 2TiCl4(g) + 2FeCl3 + 6CO(g)
TiCl4 + 2Mg (900ºC)⇒ Ti + 2MgCl2
TiO2 + C + Cl2 ⇒ TiCl4 + 2CO
TITANIO
RUTILO
TiO2
45
•Cementación, Au y Ag
•Electrólisis, Cu y metales nobles
REFINO DE METALES
CuFeS2, Calcopirita
Cu2+Al6(PO4)4(OH)8· 4H2O
Azul turquesa
Ejemplo EXTRACCIÓN DE COBRE
PIROMETALURGÍA
4CuFeS2(s) + 9O2(g) ⇒ 2Cu2S(l) + Fe2O3(s) + 6SO2(g)
Fe2O3(s) + 3SiO2(s) ⇒ Fe2(SiO3)3(l)
Cu2S(s) + 3O2(g) ⇒ 2Cu2O(s) + 2SO2(g)
Cu2S(l) + 2Cu2O(s) ⇒ 6Cu(l) + SO2(g)
Obtención de la mata de cobre
46
47
48
HIDROMETALURGÍA
4CuFeS2(s) + H2SO4(ac) + 4O2(g) ⇒
2CuSO4(ac) + Fe2O3(s) + 3S(s) + H2O(l)
2H2O(l) ⇒ O2(g) + 4H+(ac) + 4e-
Cu2+(ac) + 2e- ⇒ Cu(s)
REFINO ELECTROLÍTICO
Cu2+(ac) + 2e- ⇒ Cu(s)
Cu(s) ⇒Cu2+(ac) + 2e-
49
•Descomposición térmica Ej haluros y carbonilos
Método Mond: Obtención de níquel
Ni(s) + (CO)(g) ⇒ Ni(CO)4(g)
Ni(CO)4(g) ⇒ Ni(s) + 4(CO)(g)
•A nivel de laboratorio. Método Van Arkel-de Boer o método de los
yoduros
REFINO DE METALES
TiO2 + I2 ⇒ TiI4(g) + 1/2O2(g)
TiI4(g) ⇒ Ti(s) + 2I2(g)
Método de fusión
por zonas
50

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Metalurgia

  • 1. 1 Es la ciencia y tecnología de extracción de los metales de sus fuentes naturales o de los materiales de reciclado y su preparación para usos prácticos Es una sustancia natural, inorgánica y homogénea de composición química determinada. Mineral Se llama MENA a una asociación de minerales a partir de la cual se obtienen uno o más metales de forma económicamente favorable y GANGA al resto del mineral constituido por las impurezas METALURGIA EXTRACTIVA El tanto por ciento del contenido en mena de un mineral se conoce como LEY DEL MINERAL
  • 2. 2 Tipos de combinación Ejemplos Observaciones Metales nativos Au, Grupo Pt También Ag, Bi, Hg y Cu aunque de importancia secundaria Sulfuros Calcopirita CuFeS2 Calcosina Cu2S Esfalerita ZnS Galena PbS Pirita de hierro FeS2 Cinabrio HgS Molibdenita MoS2 Estibina Sb2S3 Óxidos Magnetita Fe3O4 Hematites Fe2O3 Ilmenita FeTiO3 Bauxita Al2O3 Casiterita SnO2 Periclasa MgO Cuarzo SiO2 Menas típicas de Fe, Al, Ti, Cr, Mn, Sn, W, Si, Nb, Ta, U, Th, Lántanidos CLASIFICACIÓN DE LAS MENAS METÁLICAS
  • 3. 3 Haluros Alcalinos y alcalinoterreos de depósitos salinos y aguas marinas Sal gema NaCl; silvinita KCl carnalita KCl.MgCl2 fluorita CaF2; Criolita AlF3.3NaF Importancia en la metalurgia del magnesio Oxisales Silicatos Berilio Be3Al2Si6O18; Zircón ZrSiO4 Caolinita Al2(Si2O8)(OH)4 espodumen LiAl(SiO2)2 Fosfatos Monacita CePO4 Autunita Ca(UO2)2(PO4)2 Carbonatos Siderita FeCO3; Cerusita PbCO3 Smithsonita ZnCO3;Malaquita Cu2(CO3)(OH)2 dolomita MgCO3.CaCO3;Caliza CaCO3 Magnesita MgCO3 Sulfatos Yeso CaSO4.2H2O;Epsomita MgSO4.7H2O Barita BaSO4; Anglesita PbSO4 Metalurgias del Be, Li, Zr y Lantánidos Metalurgias del U y lantánidos CLASIFICACIÓN DE LAS MENAS METÁLICAS
  • 4. 4
  • 5. 5 Propiedades físicas de los Minerales Dureza Peso Especifico Fusibilidad Fractura Exfoliación Tenacidad Color Brillo Transparencia Escala Mohs 1.Talco 2.Yeso 3.Calcita 4.Fluorita 5.Apatita 6.Feldespato 7.Cuarzo 8.Topacio 9.Corindón 10.Diamante Exfoliable Quebradizo Dúctil Maleable Flexible e inelástico Flexible y elástico
  • 6. 6 OPERACIONES INDUSTRIALES: Mecánicas Químicas Electrometalúrgicas TRATAMIENTO MECÁNICO 1.-Selección 2.-Trituración 3.-Tamizado 4.Tratamiento de finos 5.-Concentración 2. Trituración: 2.1.Quebrantamiento Quebrantadora de Mandíbulas Quebrantadora de Rodillos
  • 7. 7 2.2.- Trituración 2.3.- Molienda Por compresión Por abrasión y desgaste Por impacto Trituradora de Mandíbulas Molino Giratorio Molino de Rodillos Molino de Barras Molinos Autógenos
  • 8. 8 3. Tamizado: 4.Tratamiento de finos: Briqueteado Sinterización Nodulización En la siguiente tabla se dan especificaciones de luz de malla de distintos tamices Especificaciones DIN Luz de malla en mm Diametro del alambre mm 0,04 DIN 4183 0,04 0,025 0,05 DIN 4188 0,05 0,032 0,08 DIN 4188 0,08 0,05 0,1 DIN 4188 0,1 0,063 0,5 DIN 4188 0,5 0,315 1,0 DIN 4188 1,0 0,63 2,0 DIN 4188 2,0 1,0 Especificaciones DIN Ancho de la perforación R10 Superficie abierta del tamiz en mm Espesor de la chapa Qd 2 DIN 4187 2 39 1 Qd 4 DIN 4187 4 51 1,5 Qd 5 DIN 4187 5 51 1,5 Qd 8 DIN 4187 8 64 1,5 Qd 10 DIN 4187 10 64 2
  • 9. 9 Clasificador de Arrastre Gruesos Finos Pulpa Agua Lamas Clasificador de Caja 5.Concentración: 5.1.Clasificación:La base de la separación es el tamaño de las partículas -A igual densidad de las partículas, las más gruesas tienen mayor velocidades de sedimentación que las más finas. -A igual tamaño, las partículas con mayor densidad tienen mayor velocidad de sedimentación. -Las partículas porosas, o con formas irregulares tienen una velocidad de sedimentación menor que las partículas esféricas o compactas con el mismo tamaño y densidad. -La velocidad de sedimentación de las partículas sólidas disminuye progresivamente al aumentar la densidad o la viscosidad del fluido.
  • 10. 10 5.2.Concentración por gravedad: Basada en las densidades de las especies 5.2.1.Separación por medios densos Densidades de distintas especies minerales Generales Densidad Kg/m3 Hidrocarburos/Carbón ≈ 1000 Silicatos 2000-4500 Carbonatos, Fosfatos, Haluros 3000-3500 Sulfuros 4000-8000 Óxidos 2500-7000 Líquidos más utilizados Componente Fórmula Densidad Kg/m3 Pentacloroetano CCl3-CHCl2 1500 Bromoformo CHBr3 2960 Ioduro de metileno CH2I2 3330 Solución de Clerici TlCOO/COOH-CH2-COOTl 5200 Magnetita Fe3O4 1250-2200 Ferrosilicio 2900-3400 5.2.2.Levigación en Jigs y mesas de Sacudida Sistema tipo Jigs
  • 12. 12 5.5.Separación por Flotación Pulpa + aceite Espuma AireColectores: a) Aceites y derivados del Petróleo b) Ácidos y base orgánicas. Sales. S C S OR S P S OR OR Ej.. Xantatos y Ditiofosfatos O R
  • 13. 13
  • 14. 14 División de la metalurgia extrativa Via Seca o Pirometalurgia Via húmeda o hidrometalurgia -Calcinación -Tostación Oxidante Sulfatante Clorurante Aglomerante Otras -Fusión Reductora Ultrareductora Neutra Oxidante -Volatilización Reductora Oxidante De haluros De carbonilos -Electrólisis ignea -Metalotermia -Lixiviación Ácida Básica Neutra -Purificación y/o concentración Métodos químicos convencionales Cementación Resinas de intercambio de ión Extracción con disolventes -Precipitación Electrólisis Cementación Métodos Químicos TRATAMIENTO QUÍMICO
  • 15. 15 Pirometalurgia: Ventajas y Desventajas Ventajas Desventajas • Velocidades de reacción muy grandes • Altas producciones en reactores relativamente pequeños • Apto para recibir alimentaciones de minerales complejos. • Idónea para alimentaciones heterogeneas formadas por minerales de diversas procedencias. • No apta para el tratamiento de minerales pobres • Relativamente mala selectividad y poca eficacia en reacciones químicas de separación. • Procesos que transcurren, a menudo, en varias etapas. • Problemas medioambientales con los residuos gaseosos y el ruido. Hidrometalurgia: Ventajas y desventajas Ventajas Desventajas • Posibilidad de tratar minerales pobres e incluso marginales. • Alta selectividad y alto grado de separación en las reacciones químicas. • Alta pureza de los productos. • Fácil control y optimización • Ausencia de polución por gases. • Velocidades de reacción lentas • Poca producción por reactor • Sensible a variaciones en la composición de la alimentación. • Problemas en la eliminación y almacenamiento de los residuos sólidos generados. • Problemas con las aguas residuales.
  • 16. 16 PROCESOS HIDROMETALÚRGICOS Metalurgia de la plata 1) Tostación clorurante 2)Cianuración y 3) Precipitación Ag + O2 + 4NaCN ⇒ 2 Na[Ag(CN)2] + 2NaOH AgCl + 2NaCN ⇒ Na[Ag(CN)2] + NaCl Reducción 2Na[Ag(CN)2] + Zn ⇒ Zn(CN)2 + 2Ag + 2NaCN Metalurgia del oro Amalgamación. Cianuración: 2Au + 4NaCN + H2O + O2 ⇒ 2 Na[Au(CN)2] + 2NaOH El oro se precipita por adición de Zn Reducción 2Na[Au(CN)2] + Zn ⇒ Zn(CN)2 + 2Au + 2NaCN
  • 17. 17 Producción de Bauxita Producción de Aluminio Proceso: Hall-Herault Metalurgia del aluminio
  • 18. 18 Método Bayer , purificación de bauxitas Entre las bauxitas destacan: hidrargilita γ-Al2O3.3H2O bohemita γ-Al2O3 .H2O y el diasporo α- Al2O3.H2O. En el proceso (vía húmeda) de tratamiento con NaOH (NaOH(ac) 50%, 6-8horas, 160-170ºC, 6-7 atm ) En presencia de sílice: SiO6Al2Na2.2H2O insoluble Al2O3 + 2NaOH ⇒ 2AlO2 - (ac)+ 2Na+(ac) + H2O Fe2O3 + 3NaOH ⇒ Fe(OH)3(s) + H2O Minerales que acompañan a las bauxitas: Silicatos: Cuarzo SiO2 y caolinita Al4Si4O10(OH)8; óxidos de hierro Fe3O4, sulfuros de hierro FeS Al2O3 + 2NaOH + 3H2O ⇒ 2Na+(ac) + 2[Al(OH)4]-(ac) Fe2O3 + 3NaOH ⇒ Fe(OH)3(s) + H2O
  • 19. 19 1º parte en vía SECA Al2O3 + Na2CO3 ⇒ 2NaAlO2 + CO2 Fe2O3 + Na2CO3 ⇒ 2NaFeO2 + CO2 SiO2 + CaO ⇒ CaSiO3 AlO2 - + 2H2O ⇔ Al(OH)3 + OH- FeO2 - + 2H2O ⇔ Fe(OH)3 + OH- Calcinación: 2Al(OH)3⇒ Al2O3 + 3H2O Cristalización 2AlO2 -(ac) + CO2 (g)+ 2H2O ⇒ 2Al(OH)3 + CO3 2-(ac) Índice de alcalinidad adecuado NaOH/NaAlO2=Na2O/Al2O3 2Na[Al(OH)4](ac) + CO2(g) ⇒ 2Al(OH)3 + Na2CO3 + H2O
  • 20. 20 Reducción del metal en PROCESOS HIDROMETALURGICOS ELECTRÓLISIS Electrolisis de NaCl fundido (-) Cátodo: Na+ + e- ⇒ Na Eºred=-2,71V (+) Ánodo: 2Cl- ⇒ Cl2 + 2e- Eºred=1,36V Electrolisis de una disolución acuosa de NaCl (-)Cátodo: Na+ + e- ⇒ Na Eºred=-2,71V 2H2O + e- ⇒ H2 + 2OH- Eºred=-0,83V Ánodo: 2Cl- ⇒ Cl2 + 2e- Eºred=1,36V 2H2O ⇒ 4H+ + 4e- + O2 Eºred=1,36V 2H2O + 4Cl- ⇒ H2 + 4OH- + 4H+ + Cl2 Eºcelda=-0,83-(1,36)=-2,19V 2Na+ + 2Cl- ⇒ 2Na + Cl2 Eºcelda=-2,71-(1,36)=-4,07V Sobrevoltaje: factor cinético, no termodinámico
  • 21. 21 Reducción de óxidos metálicos: Ej: Obtención de aluminio: (criolita Na3AlF6) Al 3+ + 3e- → Al(l). C + 2O2- → CO2(g) + 4e- y en alguna medida la reducción directa del óxido 2O2- → O2(g) + 4e- ELECTRÓLISIS Electrolito Debe ser conductor Con un punto de fusión bajo Resistente y duradero a la tpa de trabajo
  • 22. 22 Reducción electrolítica de alúmina Cátodo: Al(III) + 3e- ⇒ Al(l). La reacción en el ánodo es la oxidación del ánodo de carbono C + 2O2- ⇒ CO2(g) + 4e- Y en alguna medida la reducción directa del óxido 2O2- ⇒ O2(g) + 4e-.
  • 23. 23
  • 24. 24 Productos Secundarios: Obtención de Aluminio 1.-Lodo rojo altamente básico en la purificación de bauxita (Tanques de sedimentación) (relleno de tierras, reutilización en altos hornos) 2.-Fluoruro de hidrógeno gaseoso, cuando la criolita reacciona con rastros de humedad del óxido de aluminio. (las emisiones se absorben en un lecho de filtración) Al2O3(s) + 6HF(g) → 2AlF3(s) + 3H2O(g) 3.-Óxidos de carbono producidos en el ánodo. (CO y CO2) 4.-Fluorocarbonos, producidos por reacción del flúor con el ánodo de carbono.(CFC’s) AplicacionesAplicaciones Al3+ + 3e- ⇒ Al Eº= -1,66V Fe2+ + 2e- ⇒ Fe Eº= -0,44V
  • 25. 25 CEMENTACIÓN Consiste en introducir en la disolución que contiene el ion metálico que se quiere reducir un metal menos noble que el, lo que da lugar a la descarga de los iones y separación del metal. Por ejemplo la lixiviación (extracción mediante un líquido de los iones del metal) de minerales oxidados de cobre con disoluciones ácidas produce disoluciones de Cu2+ de la que puede cementarse el cobre empleando chatarra de hierro. Cu2+ + Fe ⇒ Cu + Fe2+ O bien de las disoluciones alcalinas obtenidas al tratar con cianuros alcálinos los minerales de oro y plata, pueden separarse los metales por el tratamiento con cinc. 2[Ag(CN)2]Na + Zn ⇒ Zn(CN)2 + 2Ag + 2NaCN Reducción del metal en PROCESOS HIDROMETALURGICOS
  • 26. 26 PROCESOS PIROMETALÚRGICOS Tostación Oxidante 2MS + 3O2 ⇒ 2SO2 + 2MO MAs2 + 2O2 ⇒ As2O3 + MO Tostación clorurante: MS + 2NaCl(l) + 2O2(g) ⇒ Na2SO4(s) + MCl2 TOSTACIÓN REDUCCIÓN DE CARBONATOS Y SILICATOS METÁLICOS MCO3 ⇒ CO2 + MO CaCO3 + MSiO3 ⇒ CaSiO3 + CO2 + MO Como resultado de la tostación se obtiene a) MO = Fe2O3, ZnO, CuO; ZnSO4; Fe2ZnO4; MX. b) SO2
  • 27. 27 PROCESOS PIROMETALÚRGICOS REDUCCIÓN DE ÓXIDOS METÁLICOS MO + R ⇒ M + RO ∆G = ∆H - T∆S Reacción ∆Ho Kcal/mol ∆Ho Kcal/mol.equivO Ca + 1/2O2⇒ CaO -151,80 -75,925 Be(c) + 1/2O2⇒ BeO -144,220 -72,110 Mg + 1/2O2⇒ MgO -144,090 -72,045 2Al + 3/2O2⇒ Al2O3 corindón -404,08 -67,346 Ba + 1/2O2⇒ BaO -134,590 -67,295 Zr + 1/2O2⇒ ZrO2 -262,980 -65,745 Ti(α) + 1/2O2⇒ TiO2 rutilo -228,360 -57,090 Si + O2⇒ SiO2 cristobalita -228,360 -57,090 Mn + 2O2⇒ Mn3O4 corindón -332,400 -41,550 2Cr + 3/2O2⇒ Cr2O3 -274,670 -45,778 3Fe(α)+ 2O2⇒ Fe3O4 magnetita -268,310 -33,539 Fe(α)+ 3O2⇒ Fe2O3 hematites -200,000 -33,330 Fe(α)+1/2O2⇒ FeO magnetita -65,320 -32,660 C(gráfito)+O2⇒ CO2 (g) -93,690 -23,442 C(gráfito)+1/2O2⇒ CO (g) -25,400 -12,700
  • 28. 28 DIAGRAMA DE ELLINGHAM Ecuación de una recta ∆Gº = A + BT ∆Gº = ∆Hº -T∆Sº
  • 29. 29 La pendiente de cada línea es igual al cambio de entropía de la reacción cambiada de signo Cuando se produce un cambio de fase se modifica la pendiente de la línea puesto que el cambio de fase supone una variación en la entropía del sistema. Las líneas poseen pendientes similares, prácticamente son paralelas porque el cambio de entropía al pasar el oxígeno gas a óxido sólido es similar en todos los casos La reacción de un metal con oxígeno para formar un óxido sólido produce una disminución de la entropía porque la estructura del óxido sólido es más ordenada que un metal y un gas. Como consecuencia ∆G aumenta al aumentar la temperatura Los cambios de pendiente durante la fusión son mucho menores que durante la sublimación porque van acompañados de menores cambios de entropía Cuando una línea alcanza la región de variación de energía libre positiva, el óxido descompone sucede así con Fe2O3 a 1500oC o con Ag2O, HgO a temperaturas inferiores Cualquier óxido puede ser reducido a una determinada temperatura por todos los elementos que se encuentran por debajo en la gráfica. La línea que nos indica la formación de CO2 es casi horizontal puesto que el cambio de entropía es prácticamente nulo al transformar un mol de O2 en un mol de CO2. La línea para la formación de CO tiene pendiente negativa pues en este caso la transformación de un mol de oxígeno en 2 moles de CO supone un aumento de la entropía y por tanto una disminución de la energía libre. Este hecho es de gran interés, ya que todas las demás líneas son interceptadas y por tanto todos los óxidos pueden ser reducidos con carbón a temperaturas más o menos elevadas.. CO actúa también como especie reductora transformandose en CO2 , es capaz de reducir a todos los óxidos de los metales que se encuentra por encima en la gráfica, a las temperaturas adecuadas en cada caso
  • 30. 30
  • 31. 31 Óxidos de carbono 2CO(g) CO2(g)+C(s)[4] ∆Hº = -172,Kj/mol ∆Sº= -176,5 J.K-1mol-1 Equilibrio de Boudouard CO2 CO -86-5652CO(g) + O2(g) 2CO2 (g)[3] +3-393,5C(s) + O2(g) → CO2 (g) [2] +178-221,02C(s) + O2(g) → 2CO(g) [1] ∆Sº J.K-1mol-1 ∆Hº KJ.mol-1
  • 32. 32 2CO CO2 + C [4]=[2]-[1] ∆Sº= (δ∆Hº/δT) ∆Gº= ∆Hº-T∆Sº ∆Gº= -RTlnK 2131972046SºJ.K.mol-1 CO2COO2C [3] ∆Sº= -172 [2] ∆Sº= +3 [1] ∆Sº= +178 Temperatura K978 ∆Gº(KJ.mol-1) 2 ∆Gº<0 K>0
  • 33. 33 DIAGRAMA DE ELLINGHAM En condiciones no estándar 2CO + O2 ⇒ 2CO2 ∆G =∆Gº -RTlnPCO2/PCO ∆G =∆Gº -RTlnPO2 2MO + 2CO ⇒ 2M + 2CO2 Influencia de la presión
  • 34. 34 ∆Gº = A + BT ∆Gº = ∆Hº -T∆Sº DIAGRAMA DE ELLINGHAM 2Al + 3/2SiO2⇒ Al2O3 + 3/2Si ∆Go <0 ∆Go (SiO2) > ∆Go (Al2O3) ∆Go = ∆Go (Al2O3) - ∆Go (SiO2) Al + Cr2O3⇒ Al2O3 + Cr ∆Go <0 ∆Go (Cr2O3) > ∆Go (Al2O3) ∆Go = ∆Go (Al2O3) - ∆Go (Cr2O3)
  • 35. 35 Fe2O3 hematites, Fe3O4 magnetita,2Fe2O3.2H2O limonita, FeCO3 siderosita y FeS2 pirita Principales minerales de hierro METALURGIA DEL HIERRO. Ejemplo de reducción carbotérmica Altos hornos 35-40m 1000m3 Cuba Tragante Crisol Etalaje Base o Solera Vientre Vida media = 1,5-2años Tragante
  • 36. 36 Principales reacciones de los altos hornos 1).Formación de los agentes reductores gaseosos CO, H2 C(s) + H2O ⇒ CO + H2 (>600ºC) ∆H=+131KJ 2C(s) + O2 ⇒ 2CO (1700ºC) ∆H=-221KJ C(s) + CO2 ⇔ 2CO ∆H=+41Kcal C(s) + O2(g) ⇔ 2CO2 ∆H=-94Kcal 3).Formación de la escoria destinada a eliminar impurezas CaCO3 ⇒ CaO + CO2 (800-900ºC) CaO + SiO2 ⇒ CaSiO3(l) (1200ºC) 6CO + P4O10 ⇒ 2Ca3(PO4)2 (1200ºC) 4)Formación de impurezas en el hierro MnO + C ⇒ Mn + CO (1400oC) SiO2 + 2C ⇒ Si + 2CO (1400oC) P4O10 + 10C ⇒ 4P + 10C (1400oC) 2) Reducción de los óxidos de hierro CO + Fe2O3 ⇒ 2FeO + CO2 (900ºC) CO + Fe3O4 ⇒ 3FeO + CO2 (900ºC) FeO + CO ⇒ Fe + CO2 (900ºC) 3H2 + Fe2O3 ⇒ 2Fe + 3H2O (900ºC) FeO + C ⇒ Fe + CO a nivel del vientre: 1500ºC 3Fe + C ⇔ Fe3C Esponja de hierro Fe2O3, Coque Aire Aire Lodos 200ºC 1000ºC 2000ºC Fe
  • 37. 37 ACERO : Producción de acero en Convertidores El arrabio contiene por lo general las siguientes impurezas: Carbono: disuelto en el fundido en forma de cementita Fe3C alcanza alrededor del 4%. Fósforo: los fosfatos son más fáciles de reducir que los óxidos de hierro y el P se disuelve en el hierro como ferrofosfóro. Azufre: es otro componente indeseable, se reduce repartiéndose entre el arrabio y la escoria. Manganeso: Todos los minerales de hierro contienen manganeso, algunos en proporción del 2-3%. A diferencia de los anteriores el manganeso es un elemento deseable. Niquel-cobre, pasan al arrabio en su mayor parte. Plomo, funde a 600oC y tiene un peso especifico superior al del Fe. Arsénico. Se encuentra en forma de arseniuro en el mineral, pasa por completo al arrabio, es una impureza indeseada
  • 38. 38 ACERO : Producción de acero en Convertidores Convertidor Bessemer Convertidor Thomas Convertidor L.D El método del bajo hogar o Siemens Martins.
  • 39. 39 Convertidor Bessemer Óxidos Ácidos SiO2 Convertidor Thomas Óxidos Básicos CaO, MgO Convertidor L.D (Linz Dusenverfahren, lanza de linz) (acero al oxígeno) BOF (basic oxygen furnace) 1)Combustión del S y Si. Si + O2 ⇒ SiO2 S + O2 ⇒ SO2 2)Combustión del C C + 1/2O2 ⇒ CO 3)Combustión de P. 2P + 5/2O2 ⇒ P2O5 4)Combustión de Fe Fe + O2 ⇒Fe2O3 5)RECARBURACIÓN Adición de ferromanganeso con %C 5m 8-10m
  • 40. 40
  • 41. 41
  • 42. 42 Dureza a alta temperatura tungsteno, molibdeno, cobalto, vanadio, cromo, manganeso. Resistencia al desgaste por fricción vanadio, tungsteno, molibdeno, cromo, manganeso. Endurecimiento profundo manganeso, molibdeno, cromo, silicio, níquel, vanadio. Distorsión mínima en el temple molibdeno, Cromo, manganeso. Resistencia al impacto vanadio, tungsteno, molibdeno, manganeso, cromo Inercia Química . Titanio Efecto de los elementos aleantes en las características de los aceros para herramientas Características Elemento Aleaciones Elemento % Propiedades Aplicaciones Ni 25 Tenacidad Ni 36 No se dilata acero invar Cr -- Dureza placa de blindaje Cr y N i 20-8% Resistencia Química Nirosta, acero inoxidable W 15-18% No se destempla acero de giro rápido Co-W 40-2,5%Magnético Imanes permanentes Si 10-13% Resistencia a los ácidos Aparatos Químicos Ti Inercia química
  • 43. 43 Reducción Metalotérmica de Óxidos Diagrama de Ellingham, se suele utilizar Si, Ca y sobre todo Al 2Cr2O3 + 3Si ⇒ 4Cr + 3SiO2 Mg, Ca, Sr, Ba, V, Cr etc. HIDROGENOTERMIAS W, Mo, Ti, V, Co, Ni, Re ALUMINOTERMIAS
  • 44. 44 METODO KROLL: Reducción de haluros ZIRCONIO ZrO2 + 2Cl2 + 2C (900°C) ZrCl4 + 2CO ZrCl4 + 2Mg (1100°C) 2MgCl2 + Zr Cloración directa: TiO2 + Cl2 + C ⇒ TiCl4 + CO + (COCl2 ,CO2) En el caso de sulfuros MS + Cl2 ⇒ MCln + S Se obtienen: Si, Ti, Zr, Hf, Sc, La, V, Nb, Be, K, Rb, Cs etc. Esto sucede con Ag, Hg, Pb, Cd, Cu, Mn, Ni, Zn, Sn, Fe 2FeTiO3 + 6C + 7Cl2 (900ºC)⇒ 2TiCl4(g) + 2FeCl3 + 6CO(g) TiCl4 + 2Mg (900ºC)⇒ Ti + 2MgCl2 TiO2 + C + Cl2 ⇒ TiCl4 + 2CO TITANIO RUTILO TiO2
  • 45. 45 •Cementación, Au y Ag •Electrólisis, Cu y metales nobles REFINO DE METALES CuFeS2, Calcopirita Cu2+Al6(PO4)4(OH)8· 4H2O Azul turquesa Ejemplo EXTRACCIÓN DE COBRE PIROMETALURGÍA 4CuFeS2(s) + 9O2(g) ⇒ 2Cu2S(l) + Fe2O3(s) + 6SO2(g) Fe2O3(s) + 3SiO2(s) ⇒ Fe2(SiO3)3(l) Cu2S(s) + 3O2(g) ⇒ 2Cu2O(s) + 2SO2(g) Cu2S(l) + 2Cu2O(s) ⇒ 6Cu(l) + SO2(g) Obtención de la mata de cobre
  • 46. 46
  • 47. 47
  • 48. 48 HIDROMETALURGÍA 4CuFeS2(s) + H2SO4(ac) + 4O2(g) ⇒ 2CuSO4(ac) + Fe2O3(s) + 3S(s) + H2O(l) 2H2O(l) ⇒ O2(g) + 4H+(ac) + 4e- Cu2+(ac) + 2e- ⇒ Cu(s) REFINO ELECTROLÍTICO Cu2+(ac) + 2e- ⇒ Cu(s) Cu(s) ⇒Cu2+(ac) + 2e-
  • 49. 49 •Descomposición térmica Ej haluros y carbonilos Método Mond: Obtención de níquel Ni(s) + (CO)(g) ⇒ Ni(CO)4(g) Ni(CO)4(g) ⇒ Ni(s) + 4(CO)(g) •A nivel de laboratorio. Método Van Arkel-de Boer o método de los yoduros REFINO DE METALES TiO2 + I2 ⇒ TiI4(g) + 1/2O2(g) TiI4(g) ⇒ Ti(s) + 2I2(g) Método de fusión por zonas
  • 50. 50