La metalurgia es la ciencia y la tecnología de los metales, incluye su extracción a partir de los minerales metálicos, su preparación y el estudio de las relaciones entre sus estructuras y propiedades. Desde tiempos muy remotos, el uso de ciertos metales conocidos, como el cobre, hierro, plata, plomo, mercurio, anti- nomio y estaño, se convirtió en indispensable para la evolución de las distintas civilizaciones. Por ello, la metalurgia es una actividad a la que el ser humano ha dedicado grandes esfuerzos. Desde la antigüedad ya se aplicaban algunas téc- nicas metalúrgicas, como el moldeo a la cera perdida utilizado por los chinos, egipcios y griegos; la soldadura inventada por Glauco en el siglo vii a.n.e., y
el tratamiento térmico para el temple con acero utilizado por los griegos. No fue hasta la edad media cuando aparecieron otras técnicas metalúrgicas de importancia, y así, durante el siglo xiii aparecieron los primeros altos hornos
y la fundición.
Los procesos metalúrgicos constan de dos operaciones: la concentración, es decir, la separación del metal o compuesto metálico del material residual que lo acompaña en el mineral, y el refinado, en el que se trata de producir el metal en un estado puro o casi puro, adecuado para su empleo. Tanto para la concen- tración como para el refinado se emplean tres tipos de procesos: mecánicos, químicos y eléctricos. En la mayoría de los casos se usa una combinación de los tres.
Uno de los métodos de concentración mecánica más sencillo es la separación por gravedad. Este sistema se basa en la diferencia de densidad entre los me- tales nativos y compuestos metálicos y los demás materiales con los que están mezclados en la roca. Cuando se tritura el mineral o el concentrado de mineral y se suspende en agua o en un chorro de aire, las partículas de metal o del com- puesto metálico, más pesadas, caen al fondo de la cámara de procesado y el agua o el aire se llevan la ganga (material residual), más ligera. La técnica de los busca- dores de oro para separar el metal de las arenas auríferas mediante cribado,
Procesos de manufactura y su clasificación 3 por ejemplo, es un proceso de separación por gravedad a pequeña escala. Del mismo modo, la mayor densidad relativa de la magnetita, un mineral de hierro, permite separarla de la ganga con la que se encuentra mezclada.
La flotación es hoy el método más importante de concentración mecánica. En su forma más simple, es un proceso de gravedad modificado en el que el mi- neral metálico finamente triturado se mezcla con un líquido. El metal o com- puesto metálico suele flotar, mientras que la ganga se va al fondo. En algunos casos ocurre lo contrario.
En la mayoría de los procesos de flotación modernos se emplean aceites u otros agentes tensioactivos para ayudar a flotar al metal o a la ganga. Esto per- mite que floten en agua sustancias de cierto peso. En uno de los procesos que utilizan este método se mezcla con agua un mineral finamente triturado que contiene sulfuro de cobre, al que se le añaden pequeñas cantidades de aceite, ácido y otros reactivos de flotación. Cuando se insufla aire en esta mezcla se forma una espuma en la superficie, que se une con el sulfuro pero no con la ganga. Esta última se va al fondo, y el sulfuro se recoge de la espuma. El pro- ceso de flotación ha permitido explotar muchos depósitos minerales de baja concentración, e incluso residuos de plantas de procesado que utilizan técnicas menos eficientes. En algunos casos, la llamada flotación diferencial permite concentrar mediante un único proceso diversos compuestos metálicos a partir de un mineral complejo.
Los minerales con propiedades magnéticas muy marcadas, como la magnetita, se concentran por medio de electroimanes que atraen el metal pero no la ganga. La concentración electrostática utiliza un campo eléctrico para separar com- puestos de propiedades eléctricas diferentes, aprovechando la atracción entre cargas opuestas y la repulsión entre cargas iguales.
Los métodos de separación o concentración química son en general los más importantes desde el punto de vista económico. Hoy, esta separación se utiliza con frecuencia como segunda etapa del proceso, después de la concentración
mecánica. La fundición proporciona un tonelaje mayor de metal refinado que cualquier otro proceso. Aquí, el mineral metálico, o el concentrado de un pro- ceso de separación mecánica, se calientan a elevadas temperaturas junto con un agente reductor y un fundente.
El agente reductor se combina con el oxígeno del óxido metálico dejando el metal puro, mientras que el fundente se combina con la ganga para formar una escoria líquida a la temperatura de fundición, por lo que puede retirarse de la superficie del metal. La producción de hierro en los altos hornos es un ejemplo de fundición; este mismo proceso se emplea para extraer de sus minerales el cobre, el plomo, el níquel y muchos otros metales.
La amalgamación es un proceso metalúrgico que utiliza mercurio para di- solver plata u oro formando una amalgama. Este sistema ha sido sustituido en gran medida por el proceso con cianuro, en el que se disuelve oro o plata en disoluciones de cianuro de sodio o potasio. En los diversos procesos de lixiviación o percolación se emplean diferentes disoluciones acuosas para disolver los metales contenidos en los minerales. Los carbonatos y sulfuros metálicos se tratan mediante calcinación, calentándolos hasta una tempera- tura por debajo del punto de fusión del metal. En el caso de los carbonatos, en el proceso se desprende dióxido de carbono, y queda un óxido metálico. Cuando se calcinan sulfuros, el azufre se combina con el oxígeno del aire para formar dióxido de azufre gaseoso, y también resulta un óxido metálico. Los óxidos se reducen después por fundición.
La sinterización y la nodulación aglomeran partículas finas de mineral. En la primera se utiliza un combustible, agua, aire y calor para fundir las partículas finas de mineral y convertirlas en una masa porosa. En la nodulación, las par- tículas se humedecen, se convierten en pequeños nódulos en presencia de un fundente de piedra caliza y a continuación se cuecen.
Otros procesos, entre los que destacan la pirometalurgia (metalurgia de altas temperaturas) y la destilación, se emplean en etapas posteriores de refinado en diversos metales. En el proceso de electrólisis, el metal se deposita en un cátodo,
Procesos de manufactura y su clasificación 3 bien a partir de disoluciones acuosas o en un horno electrolítico. El cobre, el níquel, el cinc, la plata y el oro son varios ejemplos de metales refinados por deposición a partir de disoluciones acuosas. El aluminio, el bario, el calcio, el magnesio, el berilio, el potasio y el sodio se procesan en hornos electrolíticos. Algunos metales y determinadas aleaciones eran ya conocidos y empleados desde la más remota antigüedad. El cobre, el oro y el hierro fueron empleados en épocas prehistóricas para la confección de armas, herramientas y adornos. La plata, el plomo, el mercurio, el antimonio y luego el estaño eran ya conocidos 5 000 años antes de la era cristiana por los caldeos, los asirios y los egipcios. En la antigüedad griega y romana, el bronce y luego el latón se usaban con mu- cha frecuencia. Cabe recordar a los galos, célebres por sus trabajos de oro, y a los germanos, hábiles en la confección de armas de hierro y acero. En la Edad Media los procedimientos metalúrgicos evolucionaron muy poco. Durante el siglo xiii aparecieron los primeros altos hornos y la fundición. Durante los si-
glos xvi y xvii y parte del xviii, se hizo célebre la primera industria siderúrgica
española, con las famosas fargues (forjas) catalanas, situadas en los Pirineos y las
ferrerías vascas. Fueron centros metalúrgicos de fama mundial. Actualmente todo esto ha evolucionado mucho, y ahora se hace de una manera más rápida y más eficaz. Aún así, este sector está en plena decadencia ya que estos metales se están sustituyendo por otros como el plástico.
LOS MINERALES EN LA METALURGIA
La mineralogía es el estudio de las propiedades, identificación, origen y clasi- ficación de los minerales. Las propiedades de los minerales se estudian bajo las correspondientes subdivisiones: mineralogía química, mineralogía física y cristalografía. Las propiedades y clasificación de los minerales individuales, su localización, sus formas de aparición y sus usos corresponden a la mineralogía descriptiva. La identificación en función de sus propiedades químicas, físicas y cristalográficas recibe el nombre de mineralogía determinativa.
La composición química es la propiedad más importante para identificar los minerales y para distinguirlos entre sí. El análisis de los minerales se realiza con arreglo a métodos normalizados de análisis químico cuantitativo y cualitativo. Los minerales se clasifican sobre la base de su composición química y la sime- tría de sus cristales. Sus componentes químicos pueden determinarse también por medio de análisis realizados con haces de electrones.
Aunque la clasificación química no es rígida, las diversas clases de compuestos químicos que incluyen a la mayoría de los minerales son las siguientes:
Elementos, como el oro, el grafito, el diamante y el azufre, que se dan en estado puro o nativo, es decir, sin formar compuestos químicos. Sulfuros, que son minerales compuestos de diversos metales combi- nados con el azufre. Muchas menas minerales importantes, como la galena o la esfalerita, pertenecen a esta clase.
Sulfosales, minerales compuestos de plomo, cobre o plata combinados con azufre y uno o más de los siguientes elementos: antimonio, arséni- co y bismuto. La pirargirita, Ag3SbS3, pertenecen a esta clase.
Óxidos, minerales compuestos por un metal combinado con oxígeno, como la hematites u oligisto, Fe2O3. Los óxidos minerales que contie- nen también agua, como el diásporo, Al2O3,H2O, o el grupo hidróxilo (OH), como la goethita FeO (OH), pertenecen también a este grupo. Haluros, compuestos de metales combinados con cloro, flúor, bromo o yodo; la halita o sal gema, NaCl, es el mineral más común de esta clase.
Carbonatos, minerales como la calcita, CaCO3, que contienen un grupo carbonato.
Los fosfatos, minerales como el apatito, Ca5(F,Cl)(PO4)3, que contienen un grupo fosfato.
Sulfatos, como la barita, BaSO4, que contienen un grupo sulfato. Silicatos, la clase más abundante de minerales, formada por varios ele- mentos en combinación con silicio y oxígeno, que a menudo tienen una estructura química compleja, y minerales compuestos exclusivamente de silicio y oxígeno (sílice). Los silicatos incluyen minerales que comprenden 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Procesos de manufactura y su clasificación 41 las familias del feldespato, la mica, el piroxeno, el cuarzo, la zeolita y el anfíbol.
Las propiedades físicas de los minerales constituyen una importante ayuda a la hora de identificarlos y caracterizarlos. La mayor parte de las propiedades físicas pueden reconocerse a simple vista o determinarse por medio de prue- bas sencillas. Las propiedades más importantes incluyen el rayado, el color, la fractura, el clivaje, la dureza, el lustre, la densidad relativa y la fluorescencia o fosforescencia.
La mayoría de los minerales adoptan formas cristalinas cuando las condiciones de formación son favorables. La cristalografía es el estudio del crecimiento, la forma y el carácter geométrico de los cristales. La disposición de los átomos en el seno de un cristal puede determinarse por medio del análisis por difracción de los rayos X. La química cristalográfica estudia la relación entre la composi- ción química, la disposición de los átomos y las fuerzas de enlace entre éstos. Esta relación determina las propiedades físicas y químicas de los minerales. Los cristales se agrupan en seis sistemas de simetría: cúbico o isométrico, hexa- gonal, tetragonal, ortorrómbico, monoclínico y triclínico.
El estudio de los minerales constituye una importante ayuda para la compren- sión de cómo se han formado las rocas. La síntesis en laboratorio de las varie- dades de minerales producidos por presiones elevadas está contribuyendo a la comprensión de los procesos ígneos que tienen lugar en las profundidades de la litosfera. Dado que todos los materiales inorgánicos empleados en el comer- cio son minerales o sus derivados, la mineralogía tiene una aplicación econó- mica directa. Usos importantes de los minerales y ejemplos de cada categoría son las gemas o piedras preciosas y semipreciosas (diamante, granate, ópalo, circonio); los objetos ornamentales y materiales estructurales (ágata, calcita, yeso); los refractarios (asbestos o amianto, grafito, magnesita, mica); cerámi- cos (feldespato, cuarzo); minerales químicos (halita, azufre, bórax); fertilizan- tes (fosfatos); pigmentos naturales (hematites, limonita); aparatos científicos y ópticos (cuarzo, mica, turmalina), y menas de metales (casiterita, calcopirita, cromita, cinabrio, ilmenita, molibdenita, galena y esfalerita).
Aunque algunos metales como el oro, la plata, el platino y el cobre, se en- cuentran en estado nativo, la inmensa mayoría se encuentran en la naturaleza combinados formando compuestos, tales como óxidos, sulfuros, carbonatos, silicatos, cloruros , etcétera. Con frecuencia estos compuestos son verdaderas mezclas como el sulfuro doble de cobre y de hierro. En estos minerales el pro- ducto metálico está mezclado con productos estériles, que forman la ganga, y es preciso hacer una separación. Con esto quiero decir, que antes de todo tratamiento metalúrgico, el mineral, una vez extraído de la mina, se somete a las operaciones de lavado, aislamiento y concentración, mediante trituración, quebrantamiento, tría magnética, separación por lavado y ventilación o flota- ción en líquidos apropiados y otros.
Los metales más comunes son los que a continuación se mencionan. La plata
La plata es un elemento químico de carácter metálico, símbolo Ag, su número atómico es 47, su densidad es de 10.5 y su masa atómica es 107.88. Es un ele- mento metálico blanco, brillante, que conduce el calor y la electricidad mejor que ningún otro metal. La plata es uno de los elementos de transición del sistema periódico.
La plata se conoce y se ha valorado desde la antigüedad como metal ornamental y de acuñación. Probablemente las minas de plata en Asia Menor empezaron a ser explotadas antes del 2 500 a.n.e. Los alquimistas la llamaban el metal Luna o Diana, por la diosa de la Luna, y le atribuyeron el símbolo de la luna creciente. Exceptuando el oro, la plata es el metal más maleable y dúctil. Su dureza varía entre 2.5 y 2.7; es más dura que el oro, pero más blanda que el cobre. Tiene un punto de fusión de 962 °C, un punto de ebullición de 2.212 °C, y una densidad relativa de 10.5 su masa atómica es 107.868.
Desde el punto de vista químico, la plata no es muy activa. Es insoluble en ácidos y álcalis diluidos, pero se disuelve en ácido nítrico o sulfúrico concentrado,
Procesos de manufactura y su clasificación 43 y no reacciona con oxígeno o agua a temperaturas ordinarias. El azufre y los sulfuros atacan la plata, y el deslustre o pérdida de brillo se produce por la for- mación de sulfuro de plata negro sobre la superficie del metal.
Los huevos, que contienen una considerable cantidad de azufre como com- ponente de sus proteínas, deslustran la plata rápidamente. Las pequeñas can- tidades de sulfuro que existen naturalmente en la atmósfera o que se añaden al gas natural doméstico en forma de sulfuro de hidrógeno (H2S), también deslustran la plata. El sulfuro de plata (Ag2S) es una de las sales más insolubles en disolución acuosa, propiedad que se utiliza para separar los iones plata de otros iones positivos.
La plata ocupa el lugar 66 en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre. Existe un bajo porcentaje en estado puro; los sedimentos más nota- bles de plata pura están en México, Perú y Noruega, donde las minas han sido explotadas durante años. La plata pura también se encuentra asociada con el oro puro en una aleación conocida como oro argentífero, y al procesar el oro se recuperan considerables cantidades de plata. La plata está normalmente aso- ciada con otros elementos (siendo el azufre el más predominante) en minerales y menas. Algunos de los minerales de plata más importantes son la cerargirita (o plata córnea), la pirargirita, la silvanita y la argentita. La plata también se encuentra como componente en las menas de plomo, cobre y cinc. La mitad de la producción mundial de plata se obtiene como subproducto al procesar dichas menas. Prácticamente toda la plata producida en Europa se obtiene como subproducto de la mena del sulfuro de plomo, la galena. La mayoría de la plata extraída en el mundo procede de México, Perú, Estados Unidos y la Comunidad de Estados Independientes. En 1994 se produjeron en todo el mundo unas 13 000 toneladas.
En general, la plata se extrae de las menas de plata calcinándolas en un horno para convertir los sulfuros en sulfatos y luego precipitar químicamente la plata metálica. Hay varios procesos metalúrgicos para extraer la plata de las menas de otros metales. En el proceso de amalgamación, se añade mercurio líquido a la mena triturada, y se forma una amalgama de plata. Después de extraer la amalgama
de la mena, se elimina el mercurio por destilación y queda la plata metálica. En los métodos de lixiviación, se disuelve la plata en una disolución de una sal (normalmente cianuro de sodio) y después se precipita la plata poniendo la disolución en contacto con cinc o aluminio. Para el proceso Parkes, que se usa extensamente para separar la plata del cobre. La plata impura obtenida en los procesos metalúrgicos se refina por métodos electrolíticos o por copelación, un proceso que elimina las impurezas por evaporación o absorción.
El uso de la plata en joyería, servicios de mesa y acuñación de monedas es muy conocido. Normalmente se alea el metal con pequeñas cantidades de otros metales para hacerlo más duro y resistente. La plata fina para las cuberterías y otros objetos contiene 92.5% de plata y 7.5% de cobre. La plata se usa para recubrir las superficies de vidrio de los espejos, por medio de la vaporización del metal o la precipitación de una disolución. Sin embargo, el aluminio ha sus- tituido prácticamente a la plata en esta aplicación. La plata también se utiliza con frecuencia en los sistemas de circuitos eléctricos y electrónicos.
Los halogenuros de plata (bromuro de plata, cloruro de plata y yoduro de pla- ta) que se oscurecen al exponerlos a la luz, se utilizan en emulsiones para placas, película y papel fotográficos. Estas sales son solubles en tiosulfato de sodio, que es el compuesto utilizado en el proceso de fijación fotográfica.
La plata se funde a 960 ºC y hierve a 1950 ºC. Cuando se funde en contacto con el aire absorbe hasta 22 veces su volumen de oxígeno, que al enfriar vuelve a desprender, levantándose en su superficie pequeños cráteres y pro- yectando partículas de metal líquido, en un proceso que recibe el nombre de “galleo de plata”. La plata es el más blanco de todos los metales, y bien pulimentado constituye una de las mejores superficies reflectantes que se co- nocen: refleja hasta 95% de la luz incidente. Además es bastante maleable y dúctil. Como ya sabemos es el metal de mayor índice de conductibilidad, tanto calorífica como eléctrica.
Es un elemento nativo por lo que se encuentra en la naturaleza a temperatura ambiente. Tiene formas de crecimiento dendríticas y plumosas; también com- pactas, en láminas y filiformes. El mineral lo podemos encontrar, en México,