Metalurgia

1. Metalurgia Industrias y Procesos Químicas I.S.F.D. N° 117 - I.S.F.D. Nº 174 San Fernando - Villa Ballester Prof. Pedro Quiroga

2. HIERRO MOLIBDENO CINC ESTAÑO PLOMO MERCURIO PLATA ANTIMONIO PLATINO ALUMINIO ORO COBALTO NIQUEL TUNGSTENO COBRE MAGNESIO CROMO MANGANESO VANADIO BISMUTO METALES DE IMPORTANCIA ECONÓMICA

3. Propiedades Físicas y Químicas Metales

4. PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS METALES 4.Maleables 1. Brillo metálico 5. Dúctiles 2. Alta conductividad calorífica 3. Alta conductividad eléctrica 6. Empaquetamiento compacto

5. PROPIEDADES QUÍMICAS DE LOS METALES • En general tienen entre 1 y 3 electrones externos. • Ceden sus electrones externos para formar cationes. • Están unidos mediante el enlace metálico • Cuando se ponen en contacto dos metales se forma una aleación. • Reaccionan con oxígeno formando óxidos básicos

6. Reacciones de desplazamiento en los metales • Los metales pueden sufrir una reacción de desplazamiento, es decir un metal de un compuesto puede ser desplazado por otro metal en estado libre. • M1A + M2 M2A + M1 . • Ecuación que indica que el metal libre M2, desplaza al metal M1 de su compuesto y lo deja en libertad. • Una forma sencilla de predecir si va a ocurrir una reacción de desplazamiento es utilizar la llamada serie electroquímica. • La Serie electroquímica o serie de actividad es en realidad un resumen de las reacciones de desplazamiento que pueden llevarse a cabo.

7. Reacciones de desplazamiento en los metales • En la mencionada serie electroquímica aparece el Hidrógeno que no es un metal,sin embargo lo que se puede desprender de su posición es que los metales que se encuentran arriba de él lo desplazan de sus compuestos, es decir reaccionan con agua y con ácidos. • Este desplazamiento se da también entre metales, por ejemplo el Mg se encuentra arriba del Co, por lo tanto lo desplaza de sus compuestos como se ve en la siguiente ecuación: • CoCl2 + Mg MgCl2 + Co • Este tipo de reacciones se utiliza para la industria metalúrgica, ya que se utiliza un metal barato para obtener uno con mayor precio.

8. ORDEN DE ACTIVIDAD DE LOS METALES LITIO POTASIO BARIO CALCIO SODIO MAGNESIO ALUMINIO CINC CROMO HIERRO CADMIO COBALTO NÍQUEL ESTAÑO PLOMO HIDRÓGENO COBRE MERCURIO PLATA PLATINO ORO EL MÁS ACTIVO LITIO A C T I V I D A D LOS METALES QUE ESTÁN EN LA PARTE SUPERIOR DESPLAZAN DE SUS COMPUESTOS A LOS QUE SE ENCUENTRAN ABAJO EL MENOS ACTIVO ORO

9. ESTADO NATURAL DE LOS METALES (1) • LOS METALES QUE SE ENCUENTRAN EN ESTADO NATIVO SON LOS QUE SE LOCALIZAN ABAJO DEL HIDRÓGENO EN LA SERIE DE ACTIVIDAD DE LOS METALES. • LOS METALES QUE ESTAN ARRIBA DEL HIDRÓGENO, DADA SU POSICIÓN EN LA SERIE ELECTROMOTRÍZ, FORMARAN ÓXIDOS O HIDRÓXIDOS.

10. ESTADO NATURAL DE LOS METALES (2) • EN LA CORTEZA TERRESTRE (PARTE SÓLIDA), SÓLO SE ENCUENTRAN COMPUESTOS DE METALES NO SOLUBLES EN AGUA. • LOS COMPUESTOS SOLUBLES SE ENCUENTRAN EN EL MAR Y EN DEPÓSITOS SUBTERRÁNEOS. • LOS METALES IMPORTANTES SE ENCUENTRAN COMO ÓXIDOS, HIDRÓXIDOS, SULFUROS Y SILICATOS INSOLUBLES.

11. Obtención de metales Pirometalurgia Hidrometalurgia Electrometalurgia

12. ¿Qué es la METALÚRGIA? CIENCIA DE EXTRAER LOS METALES A PARTIR DE SUS MINERALES.

13. PROCESO GENERAL DE OBTENCIÓN DE METALES LOCALIZACIÓN DE MINERALES EXTRACCIÓN CONCENTRACIÓN PIROMETALURGIA HIDROMETALURGIA ELECTROMETALURGIA TOSTACIÓN REDUCCIÓN REFINACIÓN TRATAMIENTO, ALEACIÓN

14. Tipos de Procesos Metalúrgicos METALURGIA EXTRACTIVA PROCESOS FÍSICOS PROCESOS QUÍMICOS

15. CONCENTRACIÓN DEL MINERAL (1) ES UN PROCESO FÍSICO, ES LA PARTE INICIAL DE LA OBTENCIÓN DEL METAL Y CONSISTE EN LA SEPARACIÓN DEL MINERAL DE OTROS MATERIALES QUE LO ACOMPAÑAN Y QUE DEBEN DE SER DESECHADOS. EN LENGUAJE TÉCNICO: MINERAL = MENA DESECHO = GANGA (ARENA, ROCAS, ARCILLAS, ETC).

16. CONCENTRACIÓN DEL MINERAL (2) • LA CONCENTRACIÓN DEL MINERAL SE PUEDE HACER DE LAS FORMAS SIGUIENTES: • Separación a mano • Separación magnética (Fe3O4) • Separación por medio de diferencias de densidad • Flotación con aceite (concentración del mineral mayor a 90 %).

17. PRINCIPALES PROCESOS FÍSICOS DE CONCENTRACIÓN DE MINERALES LOS MÉTODOS DE CONCENTRACIÓN DE MINERALES MÁS EMPLEADOS EN LA INDUSTRIA MINERO METALÚRGICA SON: 1. SEPARACIÓN MAGNÉTICA 2. FLOTACIÓN

18. MÉTODO DE SEPARACIÓN DE MINERALES POR FLOTACIÓN Aire comprimido Mineral concentrado En la espuma Ganga

19. PRINCIPIOS DEL MÉTODO DE FLOTACIÓN • PARA QUE EL MÉTODO DE FLOTACIÓN FUNCIONE LAS PARTÍCULAS DEL MINERAL, DEBEN DE SER HIDROFÓBICAS. 2. LOS AGENTES DE FLOTACIÓN SE ADSORBEN EN LA SUPERFICIE DEL MINERAL, EVITANDO QUE SE HUMEDEZCA

20. O CH2 CH3 S = C S - K+ PRINCIPIOS DEL MÉTODO DE FLOTACIÓN (2) 3. LAS MOLÉCULAS DEL AGENTE DE FLOTACIÓN TIENEN UN EXTREMO NO POLAR QUE SE UNE A LA SUPERFICIE DEL MINERAL Y EL EXTREMO POLAR ES EL QUE INTERACTÚA CON EL AGUA. Etil Xantato de potasio

21. METALURGIA ELECTROMETALURGIA PIROMETALURGIA TOSTACIÓN HIDROMETALURGIA REDUCCIÓN DEFINICIÓN DE LOS PROCESOS METALÚRGICOS

22. PROCESOS METALÚRGICOS PIROMETALURGIA: UTILIZACIÓN DEL CALOR PARA CONVERTIR EL MINERAL PRIMERAMENTE A UN ÓXIDO (TOSTACIÓN) Y POSTERIORMENTE AL METAL DESEADO (REDUCCIÓN TOSTACIÓN: CALENTAMIENTO DEL MINERAL EN PRESENCIA DE AIRE, PARA PRODUCIR EL ÓXIDO DEL METAL CORRESPONDIENTE. REDUCCIÓN: REACCIÓN EL ÓXIDO DEL METAL CON UN AGENTE REDUCTOR QUÍMICO COMO CO o H2, PARA OBTENER EL METAL

23. PROCESO DE TOSTACIÓN Proceso que consiste en calentar el mineral finamente dividido en una corriente de aire o en gases de horno enriquecidos con aire. Por ejemplo: 2CuS(s) + 3O2(g) 2 CuO(s) + 2 SO2(g) pirita 2NiS (s) + 3O2(g) 2NiO(s) + 2SO2(g) millerita ZnCO3(s) ZnO(s) + CO2(g) smithsonita FeCO3 (s) FeO(s) + CO2(g) siderita

24. PROCESO DE REDUCCIÓN • Proceso que consiste en hacer reaccionar el óxido metálico con un agente reductor como CO, H2 o un metal activo: Fe2O3(s) + 3CO (g) 2Fe(s) + 3CO2(g) CuO(s) + H2(g) Cu(s) + H2O(g) TiCl4(s) + 2Mg(s) Ti(s) + 2 MgCl2(g)

25. PROCESOS METALÚRGICOS(2) HIDROMETALURGIA: SEPARACIÓN SELECTIVA DE UN MINERAL O GRUPO DE MINERALES MEDIANTE UN PROCESO QUÍMICO ACUOSO.

26. PROCESOS METALÚRGICOS(3) • ELECTROMETALURGIA: EMPLEO DE LOS MÉTODOS DE ELECTRÓLISIS PARA OBTENER EL METAL PURO A PARTIR DE CUALQUIERA DE SUS COMPUESTOS O BIEN LA PURIFICACIÓN DE UNA FORMA IMPURA DEL METAL

27. Pirometalurgia del Hierro Obtención del hierro de sus minerales utilizando calor

28. Esquema General de la Pirometalurgia del Hierro Aire Concentración del mineral - Quebrado - Lavado -Cribado - Concentrado Escoria Extracción del mineral de hierro Transporte del mineral de hierro Alto horno Arrabio • Preparación del mineral de Hulla - • Refinado • Calentado Transporte del mineral de Hulla Extracción de Hulla • Preparación del mineral de coque - • Lavado • Quebrado • Cribado Extracción de piedra caliza Transporte de piedra caliza

29. PIROMETALURGIA DEL FeDiagrama de Flujo del proceso CO, CO2 NO2 Escoria Óxido de Fe Impurezas Mineral Reducción en Alto horno Concentración Coque (C) CaCO3 Ganga Aire O2 y N2 Fe Impuro Recortes de Fe CaO Fe, C Ni, P Si, etc Fe y C ACERO Al carbón CO2 SO2 Refinación en Convertidor Ni2SiO4 Mn2SiO4 Ca3(PO4)2 O2 o O2 y Ar

30. Principales menas de Hierro

31. PIROMETALURGIA DEL HIERRO (1) Proceso de concentración Principales minerales: Hematita Fe2O3 y Magnetita Fe3O4 Concentración de minerales: Se muele en forma de polvos finos y se separa el mineral de la ganga mediante imanes • El contenido de hierro sube de 30-40 % a 60 o 65 %. • Se forman lingotes pequeños de 6 a 25 mm de diámetro • para meter el mineral al Alto horno. Tostación: Este proceso no se lleva a cabo debido a que el mineral ya es un óxido.

32. PIROMETALURGIA DEL HIERRO (2)Proceso de reducción Reducción del mineral: se lleva a cabo en un alto horno, reactor químico continuo, de 60 m de altura 16 m de ancho, capaz de producir 10, 000 Toneladas diarias. • Los altos hornos se cargan con una mezcla de coque, • mineral de hierro y piedra caliza.

34. PIROMETALURGIA DEL HIERRO (3)Funciones del coque y CaCO3 El coque tiene dos funciones principales: como combustible para calentar el horno y producir gases reductores como el CO y H2. El CaCO3 sirve para formar las escorias.

35. PIROMETALURGIA DEL HIERRO (4)Operación del alto horno El aire precalentado se introduce al alto horno por la parte inferior, y su función es permitir la combustión del coque. Para producir 1kg de hierro, se requiere de 2 kg de mineral, 0.3 kg de piedra caliza, 1 kg de coque y 1.5 kg de aire.

36. PIROMETALURGIA DEL HIERRO (5)Formación de CO y H2 en el Alto Horno El coque se quema en la parte baja del horno, a esta temperatura el CO2 no es estable y reacciona con el coque como se muestra en las siguientes ecuaciones: C(s) + O2(g) CO2(g) C(s) + CO2(g) 2 CO(g) , sumándolas 2C(s) + O2(g) 2CO (g) El vapor de agua presente en el aire también reacciona con el coque: C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g)

37. PIROMETALURGIA DEL HIERRO (6) Reacciones de obtención de Fe por reducción con CO e H2. Los óxidos metálicos son reducidos y para el caso del Fe3O4, las reacciones químicas son: Fe3O4(s) + 4CO(g) 3Fe(s) + 4 CO2(g) Fe3O4(s) + 4H2(g) 3 Fe(s) + 4 H2O(g)

38. PIROMETALURGIA DEL HIERRO (7) Reducción de Impurezas Los otros elementos presentes también se reducen: MnO(s) + CO(g) Mn(l) + CO2(g) SiO2(l) + 2CO(s) Si(l) + 2CO2(g) P2O5 (l) + 5 CO(s) 2 P(l) + 5 CO2 (g) La escoria formada se queda encima del hierro fundido y lo protege. El hierro fundido se moldea en lingotes que se utilizan para la fabricación de acero.

40. Alto Horno Mineral, piedra caliza y coque CO, CO2, NO2 250°C Tobera para suministro de aire caliente 600°C 1000°C Boquilla de soplado de aire caliente 1600°C Escoria Salida de hierro fundido Hierro fundido Hombre

41. Reducción directa del mineral REDUCCIÓN DIRECTA DEL MINERAL DE HIERRO  También se puede utilizar el método de reducción directa, el cual emplea agentes reductores como gas natural, coque, aceite combustible, monóxido de carbono, hidrógeno o grafito. El procedimiento consiste en triturar la mena de hierro y pasarla por un reactor con los agentes reductores, El producto del sistema de reducción directa es el hierro esponja que consiste en unos pellets de mineral de hierro los que pueden ser utilizados directamente para la producción de acero.

42. Obtención de Fe esponja

43. METANO Producción de Hierro esponja Agua Caliente Fe2O3 + 3CO  2Fe + 3CO2 Fe2O3 + 3H2  2Fe + 3H2O Mineral de hierro H2O(v) Agua H2 (g) + CO (g) Reactor 1 Energía Reactor 2 CH4 + H2O  CO + 3H2 Agua fría CH4 Hierro Esponja

44. REFINACIÓN DEL HIERRO Y FORMACIÓN DEL ACERO(1) La refinación se lleva a cabo en un recipiente llamado Convertidor con capacidad aproximada de 300 Ton, Inicialmente se carga con recortes de hierro y CaO (75 Ton), posteriormente se llena con hierro fundido proveniente del alto horno.

46. REFINACIÓN DEL HIERRO Y FORMACIÓN DEL ACERO(2) El hierro tiene como impurezas: 0.6 a 1.2% de Si, 0.2% de P, 0.4 a 2% de Mn y 0.3 % de S y gran cantidad de C. Se utiliza como agente oxidante O2 puro u O2 con Ar.

47. REFINACIÓN DEL HIERRO Y FORMACIÓN DEL ACERO(3) El O2 reacciona con las impurezas y permite su disminución: C y S se eliminan como CO2 y SO2. El Si forma SiO2, que se adhiere a la escoria, los óxidos metálicos forman silicatos con el SiO2 La presencia de CaO ayuda a la eliminación del P, formándose el Ca3(PO4)2.

49. REFINACIÓN DEL HIERRO Y FORMACIÓN DEL ACERO (4) En resumen, las impurezas del hierro reaccionan con O2 2 Mn(l) + O2(g) 2 MnO(l) 2 Ni (l) + O2(g) 2NiO (l) Si(g) + O2(g) SiO2(l)

50. REFINACIÓN DEL HIERRO Y FORMACIÓN DEL ACERO (5) Los óxidos metálicos reaccionan con el SiO2 formando silicatos que se integran a la escoria: 2 MnO (l) + SiO2(l) Mn2SiO4 2 NiO (l) + SiO2(l) Ni2SiO4 Y el P reacciona con el CaO formando fosfato: 3 CaO(l) + P2O5(l) Ca3(PO4)2(l) que también se integra a la escoria.