Metalurgia_2017

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Unidad 2: Metalurgia
Metales
El 75 % de los elementos conocidos tienen propiedades metálicas, el otro grupo se 
llaman elementos no metálicos, y el pequeño grupo con propiedades intermedias 
son los semimetales.
Propiedades físicas
Densidad: sólidos cristalinos compactos (salvo Hg). Densidades altas (Os 22,6 g.mL-1), 
las más bajas los metales alcalinos (Li 0,53 g.mL-1).
Conductividad eléctrica y térmica: excelentes conductores de la electricidad y la 
conductividad térmica es paralelo a la conductividad eléctrica.
PF y PE: relativamente elevados, salvo Hg y Ga, (máximo para W: 3410 oC y 5930 oC).
Poder reflexivo: es elevado por empaquetamiento de la red cristalina.
Propiedades magnéticas: muchos elementos tienen propiedades magnéticas 
(elementos de transición y sus iones -> paramagnéticos).
Propiedades mecánicas: presentan maleabilidad (formar láminas), ductilidad (formar 
hilos) y tenacidad (resistente a la fatiga)
Metales
Propiedades químicas
Potenciales de ionización y electronegatividad: relativamente bajas (donan e-). Los 
cationes tienen más carácter ácido al aumentar la carga (nro. oxidación). 
Óxidos: en general tienen carácter básico, salvo óxidos de metales de transición con 
nros. de oxidación altos (V(+5), Cr(+6), Mn(+6), Mn(+7), Mo(+6), W(+6)). Hay algunos 
anfóteros Al, Sn, Pb, Cr, Mn, Sb, etc. (óxidos con propiedades ácidas que se disuelven 
en bases).
Reactividad al ion H3O
+: metales muy activos, reaccionan con agua pura (pH=7), 
alcalinos y algunos alcalinotérreos (Na, K, Ca), muy reductores.
Na(s) + H2O  NaOH(ac) + ½ H2(g)
Metales activos, reaccionan con al agua en soluciones ácidas (pH<7) como Mg, Zn, 
Al, Fe, Mn, Co, Ni, Sn, Pb.
Zn(s) + 2H3O
+
(ac)  Zn
+2
(ac) + H2(g) + 2H2O 
Metales no activos: no reaccionan con el agua ni en soluciones ácidas como Cu, Ag, 
Hg, Pd, Os, Pt, etc.
Metales
Metales en la naturaleza
Salvo excepciones (Au, Ag, Pt, en menor medida Hg y Cu) forman combinaciones
químicas llamados minerales (sólidos cristalinos de origen natural). Un mineral
queda definido por su composición y su estructura.
Una roca es un agregado de minerales. Para indicar la composición de una roca no se 
indican fórmulas químicas sino los minerales que la componen.
Mena: minerales que tienen una concentración de metal adecuada para su
extracción.
Ganga: resto de mineral que le acompaña.
Las menas más importantes de los metales en la corteza son:
Óxidos: Fe, Al, Mn, Sn
Sulfuros: Cu, Zn, Pb, Cd, Ag, Ni, Hg.
Carbonatos: Fe, Pb, Zn, Mg, Ca.
Silicatos: Be, Zn, Ni, Li.
Sulfatos: Mg, Ca, Pb.
Haluros: Na, K, Ca, Mg.
Metales
Metalurgia
Ciencia que estudia los metales, sus extracción a partir de los minerales, purificación y 
preparación para usos posteriores.
Extracción: proceso que se realiza en la mina con maquinaria pesada.
Concentración: el mineral se tritura y se muele, luego pasa a un proceso de separación 
(mena y ganga). En general son procesos físicos, los más usados:
-Precipitación (separación por gravedad en medio acuoso por diferencia de densidades. Una 
variación es usar un ciclón, medio aéreo).
-Flotación: se usa para concentrar menas de sulfuros, carbonatos y silicatos (tanque con 
agente colector, agente emulsionante e inyección de burbujas de aire, separan el 
concentrado espumoso de la mena separándolo de la ganga (más pesado).
-Separación electrostática: en especial para sulfuros. Partículas cargadas del mineral 
pulverizado son atraídas a un colector, la ganga (no conductora) se separan.
-Lixiviación: diferencia de solubilidad de la mena y la ganga en un disolvente (por lo general 
acuoso).
-Otros: descomposición (carbonatos), deshidratación(hidróxidos), cianuración (Au), 
amalgamación (Ag, Au).
Extracción Concentración Reducción Purificación Fabricación
Metalurgia
Reducción: directo o varios pasos
-Calcinación: calentamiento sin llegar a la fusión (hidratos, hidróxidos o carbonatos)
Al2O3.2H2O(s)  Al2O3(s) + 2H2O(g)
ZnCO3(s)  ZnO(s) + CO2(g)
-Tostación: calentamiento con oxidación, el metal forma el óxido (o el metal) y el S 
forma el SO2.
2 ZnS(s) + 3 O2(g)  2 ZnO(s) + 2 SO2(g)
HgS(s) + O2(g)  Hg(g) + SO2(g)
Metalurgia
-Reducción química: se usa un reductor químico. El más usado es el sistema C/CO. 
También a veces se usa el H2.
Fe2O3(s) + 3 CO(g)  2 Fe(s) + 3 CO2(g)
TiCl4(g) + 2 Mg(l)  Ti(s) + 2 MgCl2(s)
Cr2O3(s) + 2 Al(s)  2 Cr(s) + Al2O3(s)
V2O5(s) + 5 Ca(l) 2 V(l) + 5 Ca0(s)
WO3(s) + 3 H2(g) W(s) + 3 H2O(g)
-Reducción electrolítica: se emplea con elementos muy activos (potenciales de
reducción muy negativos). Algunos metales se usan sus halogenuros o sus óxidos
fundidos, el metal se deposita en el cátodo y el halogenuro o el oxígeno se
desprende en el ánodo.
Se usa para el Al. Para otros metales menos activos (Cr, Ni, Co, Zn) pueden obtenerse
de sus sales en disolución acuosa.
Este método se usa para obtener el metal con alto grado de pureza o recubrimientos
electrolíticos de hierro: cromado, niquelado, cincado.
Metalurgia
Refinado o Purificación: se hace para eliminar las impurezas. Utiliza propiedades 
físicas o químicas del metal.
-Destilación: metales volátiles (Zn, Hg)
-Formación de un compuesto volátil: grupo VIII, como el Ni donde se eliminan
impurezas de Co, Fe, etc.
Ni(s) + 4 CO(g)  Ni(CO)4(g) a T = 40-90
oC DHo = -160,8 kJ.mol-1
Ni(CO)4(g)  Ni(s) + 4 CO(g) a T = 200
oC
-Refinado electrolítico: muy usado. Es en fase acuosa. Para Cu, Al, Au, Ag, Zn, Cd, Pb, 
Sn, etc. Se usa una cuba electrolítica, el metal impuro hace de ánodo (se produce la 
oxidación) y en el cátodo (se produce la reducción) depositándose el metal puro. Las 
impurezas se depositan como “barros anódicos”.
-Fusión por zonas: se usa para el Si, Ga y Ge. Las impurezas son más solubles en el 
metal fundido que en el metal sólido. Al desplazar lentamente una barra de matel
impuro por una zona caliente, hay una zona de fusión donde se concentran las 
impurezas.
Minería
Los minerales son sustancias inorgánicas que están en la superficie o en la corteza y 
cuya explotación ofrece interés para la industrialización y/o comercialización. De los 
minerales se extraen los metales que se usan en la industria, construcciones u obras 
de ingeniería civil.
Clasificación
Metalíferos: luego de someterse a diferentes procesos (reducción de tamaño, 
clasificación, concentración, metalurgia, etc.) pueden obtenerse metales. Ej.: 
hematita, bauxita, galena, blenda, magnetita, calcopirita.
No Metalíferos: de los cuales no se extraen metales y que se usan en diversas 
industrias. Ej.: arcillas, sal (común), yeso, azufre, talco, fluorita, cuarzo.
Rocas de Aplicación: aquellas que se usan para la construcción y obras de ingeniería. 
Ej: canto rodado, arena, mármol, piedra caliza, dolomita, granito.
Ley del mineral=
𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑖𝑛𝑒𝑟𝑎𝑙
𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑒𝑛𝑎
∗ 100 Ley del metal=
𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙
𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑒𝑛𝑎
∗ 100
Ley del metal(%)=Ley del mineral(%)*
𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙
𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑖𝑛𝑒𝑟𝑎𝑙
Minería
Yacimientos o minas  nivel del suelo ( a cielo abierto), o 
bajo superficie (en galerías)
Minas: donde se extraen los minerales
Canteras: se extraen las rocas de aplicación.
Minería
Los yacimientos de mayor valor económico son los metalíferos, localizados en la zona
andina. Se explota un cuarto del total de áreas con potencial minero.
El 95% de la actividad se concentra en 12 provincias, solo 3 representan el 77% del
total del sector.
Catamarca: lidera en producción del oro, cobre y litio.
Buenos Aires: destaca en producción de rocas de aplicación (arenas, calizas) y
minerales no metalíferos (arcillas y yesos).
Santa Cruz: destaca la producción de oro y plata.
Legislación
Cambia a partir de 1993. El marco legal actual incluye:
El código de Minería
Ley e Inversiones Extranjeras, Nº 21.382
Leyes de inversiones mineras: Nº 24.196, 24.296, 24.224, 24.402, 24.498, 25.161,
25.429
Tratados de Integración minera con Chile y Bolivia.
Minería
Minería
Minería
Minería
Minería
MineríaMinería
Siderurgia
El hierro es el cuarto elemento en abundancia en la
corteza (6,2% p/p), el segundo metal después del
aluminio.
Las fuentes principales de hierro son los minerales:
hematita (Fe2O3), limonita (Fe2O3.nH2O), magnetita
(Fe2O4), siderita (FeCO3), pirita (FeS2).
La metalurgia del hierro se llama siderurgia.
La siderurgia es la reducción continua a alta
temperatura de los óxidos del hierro con carbón de
coque (el agente reductor es el CO), en un alto horno.
El mineral de partida se deberá transformar en sus
óxidos.
3 FeS2(s) + 8 O2(g)  FeO/Fe2O3(s) + 6 SO2(g)
Siderurgia
Ocurren otras reacciones además de las 
señaladas en el cuadro (reducción de la 
sílice, oxidación del manganeso a óxido 
manganoso y del P a fosfatos; se 
disuelven en el hierro y también 
cantidades de carbono. Son impurezas 
que aumentan la fragilidad del hierro y 
lo hacen casi inservible.
Se producen reacciones de reducción.
Arrabio: hierro impuro obtenido en un 
alto horno. El arrabio se usa para 
producir aceros y otra parte por fusión 
para hierro fundido (fundición), hierro 
colado y hierro dulce.
Reacciones químicas en el alto horno
Siderurgia
Hierro fundido: se funde arrabio y se vierte en moldes, es frágil y baja tenacidad y
ductilidad-> no puede mecanizarse. Se usa para piezas moldeadas: bloque, cárter,
cigüeñales de motores, tapas de alcantarillas, etc.
Hierro colado: arrabio con chatarra de hierro o acero. Mejores características que el
hierro fundido, mismas aplicaciones (pero mejor calidad).
Hierro dulce: arrabio que se elimina casi todo el carbón (<0,02%). Se agrega óxido de
hierro. Es más duro, dúctil y maleable y mayor resistencia a la corrosión que los
aceros ordinarios, se usa para electroimanes, núcleos de bobinas, etc.
Fe2O3(s) + 3 C(s)  2 Fe(l) + 3 CO(g)
Hierro forjado: es hierro dulce con escoria y la masa semifundida se moldea a
martillo. Es más blando, dúctil y maleable que el hierro dulce, muy resistente a la
tracción y corrosión. Para piezas que soportan esfuerzos bruscos (cadenas, cables,
anclas, martillos) y forjados artísticos (rejas).
Aceros
Es una aleación de hierro con carbono entre 0,5 y 1,5%, junto a otros elementos.
Se usa arrabio al que se elimina casi por completo las impurezas y se agregan en
proporciones adecuadas los diferentes elementos para obtener el acero de la
composición buscada. En esta etapa se producirá un proceso de oxidación.
Proceso Bessemer es un procedimiento rápido que hace que la homogeneización de
la mezcla no sea completa y resultan aceros de calidad mediana pero apto para
muchas aplicaciones.
Proceso Siemens-Martin es el más usado para fabricar aceros. El proceso dura cerca
de 8 h. El proceso es más caro que el anterior pero se logra un acero de mejor
calidad y composición más precisa, hoy en día se usan hornos eléctricos, permite
obtener aceros especiales de alta calidad.
Tratamientos térmicos:
Recocido: se calienta el acero al rojo y se lo enfría lentamente. Se obtiene un
material blando, dúctil y maleable.
Templado: Si se lo enfría rápidamente se tiene un material duro y tenaz pero frágil.
Revenido: luego de templarlo se calienta a 700oC y se enfría. Mantiene la dureza del
templado pero baja la fragilidad.
Aceros
El carbón en el acero después de los tratamientos
mencionados hace que pueda estar como carbón libre
(grafito) o formando un compuesto con el hierro
llamado cementita (Fe3C) que le da mucha dureza al
acero.
Clasificación de los aceros según el contenido de
carbono
Aceros suaves o blandos: menos de 0,3% de C.
Aceros medios o semiduros: de 0,3 a 0,6% de C.
Aceros duros: entre 0,6 a 1,5% de C.
Producción de acero por reducción indirecta
Metalurgia del Aluminio
El aluminio es el tercer elemento de mayor abundancia en la naturaleza. Y el primer
metal de mayor abundancia (8%p/p).
Hall propuso un proceso electrolítico en 1855 basado en la electrolisis de la bauxita
fundida. El proceso metalúrgico incluye otras etapas.
Purificación de la bauxita: este proceso se llama proceso Bayer, es la digestión de la
bauxita con NaOH, se solubiliza la alúmina y la sílice (aluminato y silicato solubles) y
las impurezas de hierro y titanio quedan como óxidos insolubles.
Al2O3 + 2 NaOH + 3H20  2 NaAl(OH)4
Precipitación de la alúmina: se precipita el “hidróxido de aluminio” que es
Al2O3.xH20, haciendo pasar una corriente de CO2, acidula la solución, el “hidróxido
de aluminio” se separa por filtración y el silicato queda en solución.
Deshidratación del hidróxido de aluminio: se calienta a 1000oC en un horno rotatorio
y se obtiene la alúmina seca (Al2O3).
2 Al(OH)3 Al2O3 + 3 H2O
Electrolisis del óxido: se realiza la electrolisis de la alúmina purificado con criolita
(Na2AlF6+CaF2).
Metalurgia del Aluminio
Cátodo (+) 2Al+3(l) + 6e
-
 2 Al(l)
Ánodo (-) 3O-2(l)  3/2 O2(g) + 6e
-
Al2O3(l)  2Al(l) + 3/2 O2(g)
El aluminio producido mediante el proceso
Hall tiene una pureza entre el 99 y 99,9%.
Para obtener aluminio de mayor pureza se puede someter a un proceso de refino
electrolítico.
Producción de Al en Argentina
Se realiza en la planta de Aluar situada en Puerto Madryn. Es la única empresa 
productora de aluminio primario en Argentina y una de las mayores en Sudamérica. 
La producción en el año 2008 fue de 312.000 toneladas de aluminio primario.
La energía eléctrica utilizada en Aluar proviene de distintas fuentes; una de ellas es 
la central hidroeléctrica propia, localizada en las cercanías de Trevelin, Provincia del 
Chubut, (Central Hidroeléctrica Futaleufú), con una capacidad instalada de 472 MW.
Metalurgia del Aluminio
Aluar está presente en los más exigentes mercados 
del mundo exportando desde Puerto Madryn cerca 
del 70% de su producción (alrededor de 250.000 tn 
anuales).
Casi todos los productos de aluminio pueden 
desde un punto de vista técnico (factibilidad) y 
económico (rentabilidad) ser reciclados 
repetidamente para producir nuevos productos, sin 
perder su calidad y propiedades. 
Futaleufú
Metalurgia del Cobre
El cobre es un metal color rojo muy dúctil y maleable con alta conductividad
eléctrica (superada por la Ag). Se lo usa para fabricar cables y material eléctrico,
también en la fabricación de aceros al cobre y aleaciones: latones 55-90% de Cu y
10-45% de Zn y bronces con 70-96% de Cu, 10-45% de Sn y 1-10% de Pb y para
acuñar monedas.
Se obtiene de la calcopirita (CuFeS2), cuprita (Cu2O) y la malaquita (Cu(OH)2.CuCO3).
Concentración: Generalmente se usa la flotación, se muele y trata con agua y
reactivos, La espuma retiene minerales de Cu.
Reducción: se hace con arena a 1100oC
2 CuFeS2 + 4 O2  Cu2S + 2 FeO + 3 SO2
FeO + SiO2  FeSiO3
El silicato ferroso flota y la mata (mas densa) contiene Cu como Cu2S con algo de FeS,
repitiendo el proceso, el Fe pasa a la escoria y queda Cu2S puro.
Oxidación: en un convertidor tipo Bessemer se oxida con una corriente de O2.
2 Cu2S + 3 O2  2 Cu2O + 2 SO2
2 Cu2O + Cu2S  6 Cu + SO2
Refinado electrolítico: finalmente el Cu se refina electrolíticamente.
Metalurgia del Cinc
El zinc es poco abundante (0,007%). El principal mineral es la blenda (ZnS), que
generalmente va asociada con la galena y la smithsonita (ZnCO3)
El Zn es duro y quebradizo, muy activo. Es uno de los metales de mayor aplicación
industrial.
Tostacion: de la blenda
2 ZnS(s) + 3 O2(g)  2 ZnO(s) + 2 SO2(g)
Reducción: del oxido con carbón finamente dividido
ZnO(s) + C(s)  Zn(l)+ 3 CO(g)
El cinc obtenido se lo destila, se condensa y vierte en moldes. Si es necesario, se 
purifica por redestilación.
Producción en Argentina:
El país esta provisto en cantidad y calidad. Desde 1936 se obtiene de yacimientos
jujeños (grupo minero Aguilar). Hoy en día, una pequeña cantidad viene del
yacimiento polimetálico de la mina Ángela (Chubut).
Como subproducto de la metalurgia del cinc se obtiene cadmio metálico.