El documento describe el proceso de fundición, que implica calentar y reducir minerales para extraer metales puros. Explica que se usa carbón como agente reductor para sacar oxígeno u otros elementos de los minerales. También habla brevemente sobre la historia de la fundición de metales como estaño, cobre y bronce.
Flujo potencial, conceptos básicos y ejemplos resueltos.
Fundición
1. Fundición(metalurgia)
Horno de fundición artesano.
La fundición es una forma de metalurgia extractiva. El proceso de fundición implica calentar
y reducir la mena mineral para obtener un metal puro, y separarlo de la ganga y otros posibles
elementos. Generalmente se usa como agente reductor una fuente de carbono, como
el coque, el carbón o el carbón vegetal en el pasado. El carbono (o el monóxido de
carbono generado a partir de él) saca el oxígeno de la mena de los óxidos (o
el azufre, carbonato, etc... en los demás minerales), dejando el metal en su forma elemental.
Para ello el carbono se oxida en dos etapas, primero produciéndose monóxido de carbono y
después dióxido de carbono. Como la mayoría de las menas tienen impurezas, con frecuencia
es necesario el uso de un fundente o castina, como la caliza, para ayudar a eliminar
la gangaacompañante en forma de escoria.
También se denomina fundición al proceso de fabricar objetos con metales fundidos mediante
moldes, que suele ser la etapa siguiente a la fundición extractiva, que es de la que trata este
artículo. Las plantas para la reducción electrolítica del aluminio generalmente también se
denominan fundiciones, aunque se basan en un proceso físico completamente diferente. En
ellas no se funde el óxido de aluminio, sino que se disuelve en fluoruro de aluminio para
producir la electrólisis de la mena. Normalmente se utilizan electrodos de carbono, pero en las
plantas de diseño más moderno se usan electrodos que no se consuman. El producto final es
aluminio fundido.
Índice
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1Proceso
o 1.1Calcinación
o 1.2Reducción
o 1.3Fundentes
2Historia
o 2.1Estaño y plomo
o 2.2Cobre y bronce
o 2.3Plata
o 2.4Inicios de la fundición del hierro
o 2.5Fundición del hierro posterior
o 2.6Cinc
3Metales comunes
4Referencias
5Bibliografía
2. Proceso[editar]
Proceso de fundición realizado en altos hornos.
Esquema de un horno de fundición de cañones de hierro. Se añade alternativamente capas de carbón y
mineral de hierro (A). En la parte inferior del horno existían unas toberaspor donde se forzaba la entrada
de aire mediante unos grandes fuelles (B). En el crisol del horno se encontraba un orificio por el que
fluía el arrabio y se dirigía al molde del cañón (C). Encima de esta abertura, pero debajo de las toberas,
había otra boca por donde se sacaba la escoria (D).
La fundición es un proceso que implica más que la simple fusión del metal para extraerlo de la
mena. La mayoría de las menas minerales son compuestos en los que el metal está
combinado con el oxígeno (en los óxidos), el azufre (en los sulfuros) o el carbono y el oxígeno
(en los carbonatos), entre otros. Para obtener el metal en su forma elemental se debe producir
una reacción química de reducción que descomponga estos compuestos. Por ello en la
fundición se requiere el uso de sustancias reductoras que al reaccionar con los elementos
metálicos oxidados los transformen en sus formas metálicas.
Calcinación[editar]
La calcinación es el proceso de calentar el mineral hasta altas temperaturas para disipar su
materia volátil. En el caso de los carbonatos y sulfatos este proceso sirve para eliminar el
azufre y el carbono no deseados, transformándolos en óxidos que pueden reducirse
directamente. Por ello la calcinación en estos casos se hace en ambientes oxidantes. Algunos
ejemplos prácticos son:
la malaquita, una mena corriente del cobre, es principalmente carbonato de cobre
(CuCO3). Este mineral se descompone térmicamente a CuO y CO2 en varias etapas entre
3. los 250°C y 350°C. El dióxido de carbono se libera en la atmósfera dejando el óxido de
cobre que se puede reducir como se describe en la siguiente sección.
la galena, el mineral más común del plomo, se compone principalmente de sulfuro de
plomo (PbS). El sulfuro se oxida a sulfito (PbSO3) en su primera etapa de descomposición
térmica que origina óxido de plomo y anhídrido sulfuroso gas (PbO y SO2). El dióxido de
azufre (como el dióxido de carbono en el ejemplo anterior) se disipa en la atmósfera y el
óxido de plomo se reduce incluso en una combustión abierta al aire.
Reducción[editar]
La reducción es la etapa final a altas temperaturas de la fundición. Aquí es cuando el óxido se
convierte en metal elemental. El ambiente reductor (generalmente proporcionado por el
monóxido de carbono que se produce por la combustión incompleta del carbono en el interior
del horno poco ventilado) saca a los átomos de oxígeno del mineral puro. Las temperaturas
necesarias varían en un amplio rango, tanto en la comparación entre los distintos metales
como en la relación con el punto de fusión del propio metal. Por ejemplo:
el óxido de hierro se convierte en hierro metálico alrededor de los 1250°C, casi 300 grados
por debajo del punto de fusión del hierro que es de 1538°C;
el óxido de mercurio se convierte en vapor de mercurio cerca de los 550°C, casi 600
grados por encima de su punto de fusión de -38°C.
En el caso de la fundición del hierro el coque quemado como combustible para calentar el
horno además al arder libera monóxido de carbono, que se combina con los óxidos de hierro
del mineral y los reduce a hierro metálico, según la ecuación:
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 ↑
En el caso de la fundición del cobre el producto intermedio producido en la calcinación se
reduce según la reacción:
CuO + CO → Cu + CO2 ↑
En ambos casos el gas de dióxido de carbono se disipa en la atmósfera dejando el metal libre.
Fundentes[editar]
En el proceso de fundición se usan los fundentes con varios propósitos, los principales
son catalizar las reacciones deseadas o que se unan químicamente a las impurezas o
productos de reacción no deseados para facilitar su eliminación. El óxido de calcio, en forma
de caliza, se usa a menudo con este propósito, ya que puede reaccionar con el dióxido de
carbono y el dióxido de azufre producidos durante la calcinación y la reducción
manteniéndolos fuera del ambiente de reacción.
Los fundentes y la escoria pueden proporcionar un servicio secundario adicional después de
que se haya completado la etapa de reducción, recubrir con una capa fundida el metal
purificado para evitar que entre en contacto con el oxígeno, que al estar todavía tan caliente
se oxidaría rápidamente.
En la fundición del hierro se emplea la caliza al cargar el horno como fuente adicional
de monóxido de carbono y como sustancia fundente. Este material se combina con
la sílicepresente en el mineral (que no se funde a las temperaturas del horno) para formar
silicato de calcio, de mayor punto de fusión. Sin la caliza se formaría silicato de hierro, con lo
que se perdería hierro metálico. El silicato de calcio y otras impurezas forman una escoria que
flota sobre el metal fundido en la parte inferior del horno.
Historia[editar]
4. De los siete metales conocidos en la antigüedad
(oro, plata, cobre, estaño, plomo, mercurio y hierro) solo el oro se encuentra regularmente
en forma nativa en la naturaleza. Los demás se encuentran principalmente formando parte
de minerales, aunque todos ellos pueden aparecer en pequeñas cantidades en forma nativa
(comercialmente insignificantes). Estos minerales son principalmente óxidos, sulfuros y
carbonatos del metal mezclados con otros componentes como sílice y alúmina. Al calcinar los
carbonatos y sulfuros en contacto con el aire se convierten en óxidos. Los óxidos no necesitan
transformación previa en el proceso de fundición. El monóxido de carbono (CO) era (y es) el
principal agente reductor elegido para la fundición. Se produce fácilmente durante el proceso
de combustión usado para calentar los minerales en el horno y como es un gas entra en
contacto con la mena mineral directamente.
En el Viejo Mundo los hombres aprendieron a obtener metales mediante fundición en
la prehistoria, alrededor del VII milenio a. C. El descubrimiento y uso de los metales útiles para
la fabricación de herramientas, el cobre y el bronce primeramente, y posteriormente el hierro,
causaron un gran impacto en las sociedades humanas de la época. El efecto fue tan
generalizado que los historiadores han dividido la historia de la antigüedad en Edad de
Piedra, Edad del Bronce y Edad del Hierro.
En América, las sociedades preincaicas de los Andes centrales del actual Perú consiguieron la
fundición del cobre y la plata independientemente al menos seis siglos antes de que empezara
la colonización europea del siglo XVI.1
Estaño y plomo[editar]
Los primeros metales obtenidos por fundición en la prehistoria fueron el estaño y el plomo. Los
vestigios de plomo más antiguos conocidos son abalorios encontrados en el yacimiento
de Çatalhöyük en Anatolia (Turquía), que están datados alrededor del 6400 a. C.,2 aunque es
probable que la fundición de este metal sea más antigua. Como el descubrimiento de la
fundición de ambos metales se produjo varios milenios antes de la invención de la escritura,
no existen registros de cómo se produjo; pero como la fundición tanto del plomo como del
estaño se puede producir simplemente poniendo alguna roca de sus menas sobre una pira de
madera, posiblemente su descubrimiento fuera accidental.
Aunque el plomo es un metal común su descubrimiento tuvo relativamente poco impacto en el
mundo antiguo. Es demasiado blando para ser el componente estructural de herramientas o
armas, salvo para la fabricación de proyectiles para las hondas que se hacían de plomo por su
característica de ser excepcionalmente pesado, y que es otro impedimento para los demás
usos de este metal. Posteriormente como era fácil de obtener y de dar forma, en antigüedad
clásica de Grecia y Roma se utilizó para fabricar tuberías y recipientes para el agua (se
desconocía que este uso era tóxico). También se usó el plomo como juntura en los edificios de
piedra y en las vidrieras.
El estaño es mucho menos abundante que el plomo y solo un poco más duro que él, por lo
que las consecuencias que produjo por sí mismo fueron incluso menores, hasta el
descubrimiento del bronce.
5. Reconstrucción en miniatura de un horno de fundición de la Edad del Bronce.
Cobre y bronce[editar]
Artículos principales: Edad del Bronce y Bronce.
Tras el estaño y el plomo el siguiente metal que se consiguió obtener por fundición fue
el cobre. Cómo pudo descubrirse es objeto de debate. Las hogueras se quedan 200 °C por
debajo de la temperatura necesaria, así que se especula que la primera fundición de cobre
pudo haberse logrado en el interior de un horno de cerámica. El posterior descubrimiento de la
fundición del cobre en los Andes podría haber sucedido del mismo modo aunque se desarrolló
de forma independiente a la del Viejo Mundo.1 Los primeros vestigios de fundición de cobre,
datados entre el 5500 a. C. y 5000 a. C., se han encontrado en Pločnik y Belovode,
Serbia.3 4 Se ha encontrado una cabeza de mazo en Can Hasan, Turquía, datada en el
5000 a. C., esta herramienta es la más antigua de cobre encontrada, aunque se cree que
podría haberse forjado con cobre nativo.5
Al mezclarse el cobre con estaño o arsénico en las proporciones adecuadas se consigue
el bronce, una aleación que es más dura que el cobre. Los primeros bronces
arsenicales datan del V milenio a. C. de Asia Menor. Las bronces incas también son de este
tipo. El arsénico es una impureza que se encuentra con frecuencia en las menas del cobre,
por lo que su descubrimiento podría haber sido accidental, pero posteriormente se añadieron
minerales que contenían arsénico intencionadamente en el proceso de fundición. Los bronces
de cobre y estaño son todavía más duros y resistentes y se desarrollaron alrededor del
3200 a. C. también en Asia Menor. De nuevo el modo en que los forjadores aprendieron a
producir bronces de estaño es un misterio. El primero de estos bronces podría haber sido un
afortunado accidente de contaminación con estaño de las menas de cobre, pero se sabe que
ya en 2000 a. C. se explotaban minas de estaño con objeto de producir bronce. Hay que
destacar que el estaño es un metal escaso e incluso en su mena más rica, la casiterita, el
estaño representa solo el 5%. Además se necesitan habilidades especiales (o instrumentos
especiales) para encontrarla y localizar las vetas más ricas. Pero fueran los que fueran los
pasos necesarios para dominar las dificultades del estaño eran conocidos alrededor del
2000 a. C.
El descubrimiento de la manufactura del cobre y el bronce tuvo un impacto significativo en la
historia de la antigüedad. Los metales eran lo suficientemente duros como para fabricar armas
más fuertes, pesadas y resistentes con ellos y que producían mayores daños que las similares
de piedra, madera o hueso. Durante varios milenios el bronce fue el material elegido para
fabricar espadas, puñales, hachas de batalla, puntas de lanza y flecha, además del equipo de
protección como escudos, cascos y diversos elementos de armadura. Pero el bronce también
sustituyó a los demás materiales en la fabricación de herramientas como azadas, azuelas,
sierras, cinceles, clavos, cuchillos, tijeras, agujas y alfileres, jarras, ollas, calderos, espejos
y arneses de caballería, entre otros. El estaño y el cobre contribuyeron a que se establecieran
redes comerciales que unían alejadas regiones de Europa y Asia, e influyeron de forma
importante en la distribución de la riqueza entre los individuos y los pueblos.
6. Plata[editar]
Los objetos de plata empezaron a fabricarse por primera vez en cantidades significativas
alrededor del 4000 a. C.,6 y la escasez de plata nativa obligaba a obtenerla a partir de la
fundición de sus menas principales, la argentita (Ag2S) y la clorargirita (AgCl).6 La plata
también aparece como impureza en las menas del plomo, y cuando las poco abundantes
menas de la plata se fueron agotando la plata pasó a obtenerse principalmente por la
purificación del plomo durante su fundición, por un proceso conocido como copelado, ya
descrito por las fuentes de la Antigüedad como Plinio el Viejo.6 7 En cambio en América
cuando se desarrollaron independientemente los métodos de fundición de metales en los
inicios de la Edad Media,1 la plata no se obtuvo por fundición directa de sus propias menas,
sino por la purificación del oro y el cobre que contenían impurezas de plata.
La plata era un metal demasiado blando para destinarse a la fabricación de herramientas
resistentes, pero desde sus orígenes fue usado con fines ornamentales y suntuarios.
Inicios de la fundición del hierro[editar]
Artículos principales: Edad del Hierro e Historia de la siderurgia.
Ilustración de De re metallica(1556).
Dónde y cómo se produjo el descubrimiento de la fundición del hierro es objeto de un gran
debate, y permanece incierto debido a la escasez de restos arqueológicos. Las tecnologías del
hierro podrían haberse originado en oriente próximo, quizás en Anatolia oriental. Existen
restos arqueológicos con herramientas fabricadas con hierro sin níquel (prueba de que no es
de origen meteórico)8 en Anatoliaalrededor del 1800 a. C.,9 10 pero también se han encontrado
herramientas del periodo comprendido entre el 1800 a. C. y 1200 a. C. en el valle
del Ganges en la India,11
En el Antiguo Egipto existen indicios de que había trabajos metalísticos con hierro en algún
momento entre el tercer periodo intermedio de Egipto y la dinastía XXIII (entre el 1100 y el
750 a. C.), aunque sorprendentemente no se han encontrado pruebas de fundición de hierro a
partir de sus menas en el Egipto faraónico en ningún periodo.12 Existen indicios de la fundición
7. de hierro y trabajos siderurgicos en África Occidental alrededor de 1200 a. C.13 14 Además se
han encontrado vestigios antiguos de acero al carbono de hace 2000 años en el noroeste
de Tanzania, basados en complejas técnicas previas al calentamiento. Estos descubrimientos
podrían indicar que se desarrollaron las técnicas siderúrgicas en varios lugares
independientemente.15 Las tecnologías siderúrgicas se extendieron desde
el Mediterráneo hacia el norte a partir del 1200 a. C., llegando al norte de Europa alrededor del
600 a. C., más o menos en las mismas fechas en las que llegaron a China.16
Antiguo horno de fundición en Osrblie, Eslovaquia.
Los primero procesos siderúrgicos realizados en Eurasia y África realizaban la fundición en
pequeños hornos tronco cónicos, donde la temperatura no era lo suficientemente alta para que
el hierro se fundiera. Así se producía una masa blanda de hierro incandescente que podía
darse forma forjándolo a martillazos. Las primeros hallazgos arqueológicos de esta técnica se
han encontrado en Tell Hammeh, Jordania, datadas con carbono 14 alrededor del 930 a. C.17
Fundición del hierro posterior[editar]
Artículo principal: Alto horno
A partir de la Edad Media la reducción directa en pequeños hornos empieza a ser sustituida
por un proceso indirecto. Así se usa un alto horno para producir arrabio a partir de las menas
minerales, que tenía que someterse a otro proceso posterior para producir barras de hierro
forjables. Los procesos de esta segunda fase eran el afino en una ferrería, y a partir de
la Revolución Industrial, la pudelación. Su resultado era el hierro forjado, aunque ambos
procesos han quedado obsoletos ya que actualmente casi no se fabrica. En su lugar se
produce acero mediante el convertidor Thomas-Bessemer o por medio de otros procesos de
fundición reductivos como el proceso Corex.
Cinc[editar]
El cinc fue descubierto en la Edad Media, y como en la Antigüedad se conocían siete metales
se le denomina el octavo metal. Existe una disputa sobre si las técnicas de fundición del cinc
puro se desarrollaron en la India o en China alrededor del siglo XIV.18 En cambio
las aleaciones de cinc se usaron desde antiguo. Existen piezas de latón datadas en 1000-
1500 a. C. se han encontrado en Canaán y otros objetos con contenidos de hasta el 87% de
cinc han aparecido en la antigua región de Transilvania— sin embargo, por su bajo punto de
fusión y reactividad química el metal tiende a evaporarse por lo que la verdadera naturaleza
del metal no fue comprendida por los antiguos. Se sabe que la fabricación de latón era
conocida por los romanos hacia 30 a. C. Plinio y Dioscórides describen la obtención
de aurichalcum (latón) por el procedimiento de calentar en un crisol una mezcla
de cadmia (calamina) con cobre; el latón obtenido posteriormente era fundido o forjado para
fabricar objetos. En occidente, hacia 1248, Alberto Magno describe la fabricación de latón
en Europa.
8. La fundición y extracción de cinc impuro se llevó a cabo hacia el año 1000 en India —en la
obra Rasarnava (c. 1200) de autor desconocido se describe el procedimiento, y los indios
conocían ya la existencia del cinc como metal distinto desde la Antigüedad. En 1597 Andreas
Libavius describe una «peculiar clase de estaño» que se producía en la India y llegó a sus
manos en pequeña cantidad a través de un amigo; de sus descripciones se deduce que se
trataba del cinc aunque no llegó a reconocerlo como el metal procedente de la
calamina. Georgius Agricola (1490-1555) observó en 1546 que podía rascarse un metal
blanco condensado de las paredes de los hornos en los que se fundían minerales de cinc;
añadiendo en sus notas que un metal similar denominado zincum se producía en Silesia.19 Por
lo que hasta el siglo XVI no se generalizó su conocimiento en Europa.
Metales comunes[editar]
Las menas de los metales comunes suelen ser sulfuros. Para su obtención en los últimos
siglos se ha usado el horno de reverbero. Estos mantienen el combustible y los minerales de
fundición separados. Tradicionalmente se usaban para realizar la primera etapa: la formación
de dos líquidos, una escoria oxidada que contenga la mayor parte de las impurezas y
una mata de sulfuro que contiene el sulfuro del metal deseado y algunas impurezas. Estos
hornos de fundición actualmente miden unos 40 m de largo, 3 m de alto y 10 m de ancho. El
combustible que se quema en un extremo y su calor funde los sulfuros concentrados
(generalmente tras una calcinación parcial), que se alimenta a través de la apertura del techo
del horno. La escoria flota sobre la mata que es más pesada, y es eliminada para su desecho
o reciclado. Entonces la mata de sulfuro es enviada a un convertidor metalúrgico. Los detalles
de este proceso varían entre hornos dependiendo de las propiedades de los minerales que
componen la mena y de su concentración.
Aunque los hornos de reverbero tienen un rendimiento muy bueno porque producen escorias
que contienen muy poco cobre, son relativamente ineficientes energéticamente y producen
una concentración baja de dióxido de azufre en los gases que emiten, lo que hace difícil su
captura, y por consiguiente están siendo sustituidos por una nueva generación de tecnologías
de fundición del cobre.20 Los hornos de fundición más recientes se basan en las tecnologías
de fusión en baño, de inyectado por lanza de oxígeno, fusión autógena o los altos hornos.
Algunos ejemplos de la fundición por baño son el horno Noranda, el horno Isasmelt, el reactor
Teniente, el horno Vunyukov y la tecnología SKS, entre otros. El inyectado por la lanza de
oxígeno está representado por el reactor de fundición Mitsubishi. La fundición autógena
supone el 50% de la fundición de cobre del mundo. Hay muchas más variedades de procesos
de fundición como el Kivset, Ausmelt, Tamano, EAF y BF.