INGENIERÍA
DEL
PROCESAMIENTO
Dr. José enrique Villa riVera Director General
Dr. efrén ParaDa arias secretario General
Dra. Yoloxóchitl Bustamante Díez secretaria académica
Dr. José maDriD flores secretario de extensión e integración social Dr. luis humBerto faBila castillo
secretario de investigación y Posgrado Dr. héctor martínez castuera
secretario de servicios educativos Dr. mario alBerto roDríGuez casas
secretario de administración lic. luis antonio ríos cárDenas
secretario técnico
inG. luis eDuarDo zeDillo Ponce De león secretario ejecutivo de la comisión de operación
y fomento de actividades académicas inG. Jesús ortiz Gutiérrez
secretario ejecutivo del Patronato de obras e instalaciones inG. Julio Di-Bella rolDán
Director de xe-iPn tV canal 11 lic. luis alBerto cortés ortiz
abogado General
lic. arturo salciDo Beltrán Director de Publicaciones
INGENIERÍA
DEL
PROCESAMIENTO
DE
MATERIALES
José Claudio Cenobio Méndez García David Jaramillo Vigueras
María del Pilar Eréndira García Nieto
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – México –
Primera edición: 2007
D.R. © 2007 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Dirección de Publicaciones
Tresguerras 27, 06070, México, DF. ISBN: 970-93431-2-2
FIPN: 2007-114
El presente libro es la conclusión del análisis de la información recopilada durante varios años de práctica académica, fue posible gracias a la partici-pación de nuestros alumnos y compañeros; es producto del Proyecto de Investigación CGPI 20010729, que forma parte del Programa de Investiga-ción denominado “VinculaInvestiga-ción de los Procesos de Manufactura en el Sector Industrial.”
José Claudio Cenobio Méndez García
Ingeniero Metalúrgico esiqie-ipn, Maestrías en Administración de Empresas
ega-items y Enseñanza Superior enep-Aragón unam. Especializado en control
estadístico de proceso. Proyectos de inversión y en fabricación de aleaciones especiales de aluminio en Alemania y en moldeo de piezas metálicas en Japón. Profesor Investigador y Becario por exclusividad de cofaa y edd. Ha sido
funcionario en empresas manufactureras y de la Industria Minera. También es asesor de diversas empresas privadas.
David Jaramillo Vigueras
Ingeniero Metalúrgico esiqie-ipn. Cursó estudios Doctorales en Metalurgia en
el Instituto Tecnológico de Nuevo México, en donde obtuvo el premio lang -muir a la mejor investigación. Profesor de tiempo completo en el ipn, Miembro
del Sistema Nacional de Investigadores desde 1987, nivel actual: II. Asesor de diversas empresas privadas, fundador del Centro de Procesos Metalúrgicos e Ingeniería de Materiales de esiqie, distinguido con el Diploma a la
Investi-gación y Dirección de la mejor Tesis de Doctorado en Ingeniería del ipn,
In-vestigador del año por la Sociedad Mexicana de Fundidores y Premio Hilario Araiza Dávila por su trayectoria en Investigación. Actualmente es Director del
De los autores
Centro de Investigación e Innovación Tecnológica del Instituto Politécnico Nacional.
María del Pilar Eréndira García Nieto
Licenciada en Ciencias y Técnicas de la Información de la uia, Maestra en
Enseñanza Superior de la enep-Aragón unam, Profesora de la Academia de
Humanidades de la upiicsa impartiendo las asignaturas de Comunicación
Pro-fesional. Becaria por exclusividad de cofaa y de estímulo al desempeño
CONTENIDO
AGRADECIMIENTOS ... 7
DE LOS AUTORES ... 9
INTRODUCCIÓN... 13
Procesos de manufactura y su clasificación
1.1. SISTEMAS DE MANUFACTURA ... 17 1.2. BENEFICIO DE LOS MINERALES ... 24 1.3. TRANSFORMACIÓN DE MINERALES EN METALES .... 36 1.4. OBTENCIÓN DEL ACERO ... 56 1.5. CONFORMADO DE METALES ... 77
Extracción y Refinación del Petróleo
2.1. EXTRACCIÓN ... 88 2.2. REFINADO ... 101 2.3. PROCESOS QUÍMICOS EN LA INDUSTRIA
DE LA REFINACIÓN ... 104
Sistemas Modernos de Manufactura
3.1. MANUFACTURA ASISTIDA POR COMPUTADORA
CAM (por sus siglas en inglés) ... 119 3.2. MANUFACTURA INTEGRADA POR COMPUTADORA CIM (por sus siglas en inglés) ... 138 3.3. SISTEMAS DE MANUFACTURA FLEXIBLE ... 155
Planeación y Control de la Producción
Una revolución en la producción
5.1. BIOGRAFÍA DE ShIGEO ShINGO ... 193
5.2. POKA-YOKE ... 201
5.3. hERRAMIENTAS DE MEJORA CONTINUA ... 226
5.4. CAMBIOS RáPIDOS DE hERRAMIENTAS ... 229
Kanban como Proceso de Mejora Continua 6.1. FUNDAMENTOS DE KANBAN ... 241
6.2. LA FILOSOFÍA JUSTO A TIEMPO ... 264
Aseguramiento de la calidad y manufactura de clase mundial 7.1. ORGANIzACIÓN PARA EL ASEGURAMIENTO DE LA CALIDAD ... 295
7.2. SISTEMA DE CALIDAD ISO 9000:2001 ... 297
7.3. INGENIERÍA DE MANUFACTURA ... 304
7.4. MANUFACTURA DE CLASE MUNDIAL ... 306
INTRODUCCIÓN
Rápidamente eche un vistazo a su alrededor. ¿Qué fue lo que vio?, ¿una es-tructura de acero?, ¿una pared construida con ladrillo o pintada?, ¿quizás una ventana con vidrios y cortinas de nylon o persianas?, ¿un cuadro de una pin-tura al óleo sobre la pared?, ¿sillas de madera o metal cubiertas con plástico? o fíjese en su ropa. ¿De qué fibras están hechas o qué tipo de pintura produjo sus colores?, ¿con qué tipo de jabón o detergente fueron lavados?, ¿son las suelas de sus zapatos de plástico inyectado?, ¿quizás usa tenis de fibras sintéticas y amortiguadores de gel?Y en el hogar y las calles, cómo se fabricaron: su maquillaje, su desodorante o su perfume, los alimentos, las bebidas, los medicamentos, las computadoras, los automóviles, los equipos electrónicos y el pavimento de la calle.
Tan pronto como usted realiza esta observación se percata de que, práctica-mente todo lo visto, está constituido por materiales o productos de alguna industria.
A propósito, su cuerpo es también un impresionante reactor químico. Es tan complejo, que nuevas disciplinas han surgido para empezar a aprender y a en-tender los secretos de las muchas, extrañas y maravillosas cosas que ocurren dentro de él.
De estas observaciones, nos resulta sorprendente que la ingeniería haya venido ganando importancia en nuestra vida diaria y en el desarrollo de los materiales que la hacen más placentera y funcional.
Por otro lado, la ciencia e ingeniería de materiales es el término usado para describir la rama general de la ingeniería que involucra a los materiales. Su estudio constituye una verdadera mezcla de estudios científicos y prácticas de ingeniería fundamentales. Ha crecido para incluir contribuciones de diversos campos tradicionales de la ingeniería, entre otros: la metalurgia, ingeniería de cerámicos, química de polímeros, física y química del estado sólido, además de conocimientos en las ciencias exactas: matemáticas, física y química.
En lo que respecta al área de materiales, se puede establecer que su surgimien-to, en general, se ha constituido como un factor en el desarrollo global de los países, y ha sido claramente definido durante la década de 1980. Los avances logrados en la compresión de la física y química básica de los materiales han permitido la mejor utilización y control de sus propiedades. Asimismo, estos conocimientos han conducido al desarrollo de un gran número de procesos y materiales con mejores propiedades específicas. Los ejemplos que se pueden dar a este respecto son numerosos, contando entre ellos, a los materiales com-puestos, los cerámicos electrónicos y estructurales, la fibra óptica, los semicon-ductores y los superconsemicon-ductores. Los avances en el desarrollo de los materiales se refleja en progresos en áreas como la comunicación, la computación, la electrónica y la biotecnología entre otros.
Dentro del estudio de los materiales que se están proponiendo en esta obra iniciaremos con la clasificación de los procesos de manufactura, desde su ex-tracción, transformación y conformado a bienes de consumo, tomando como ejemplos dos materiales básicos: el acero y el petróleo. Se han tomado como base por ser los que producen mayor actividad económica.
En el caso del acero, es bien sabido que éste mueve a las industrias del trans-porte, debido a la fabricación de barcos, trenes y automóviles, la de construcción, con la producción de estructuras, varilla, alambrón y otros, haciendo que las
Introducción 15 empresas cementeras generen actividad; la de los electrodomésticos, en la pro-ducción de bienes para el hogar.
El petróleo por su parte es otro motor económico que mueve a muchas otras empresas, tales como las de explotación, refinación y derivado de infinidad de productos para las industriales química, farmacéutica, de plásticos, textiles, fertilizantes, etcétera.
Asimismo se contemplan procesos en los que se utiliza equipo con tecnología en beneficio de la manufactura.
Enseguida se tratan temas acerca del control de la producción, la optimización de los procesos a través de técnicas en las que el ingrediente principal es el sentido común, mostrando al lector la importancia de que los cambios deben hacerse en forma ordenada y sistemática, con ello se lograrán procesos de pro-ducción eficientes, encaminados al incremento de la productividad.
1.1. SISTEMAS DE MANUFACTURA
Las tendencias mundiales están desplazando los sistemas de manufactura tra-dicional hacia la fabricación de productos de mayor calidad, a mantener inven-tarios al mínimo nivel, a usar líneas de producción flexibles, a automatizar los productos y a utilizar estratégicamente la información.
Las compañías han invertido en tecnología y revisado las formas de admi-nistrar sus negocios como respuesta a los cambios del mercado. En algunas industrias los robots han resultado ser más baratos y mejores que los seres humanos. Otras industrias están tratando de conjuntar las operaciones de ma-nufactura para que sean totalmente automáticas y que el personal se encargue sólo de dar mantenimiento y servicio. Así como en el área de manufactura han aparecido tecnologías y herramientas que han propiciado el desarrollo de sistemas de manufactura flexible, así también en el área administrativa se han diseñado diferentes tecnologías y herramientas que propician la optimización de la empresa.
Existen varios mecanismos a través de los cuales se analizan los costos y se establecen los planes de acción para la mejora. Uno de los más utilizados es el de formación de comités o grupos. Entre las principales ventajas que ofrece un sistema de administración de costos están:
Procesos de manufactura
y su clasificación
Poner en evidencia los costos que no agregan valor. Identificar los procesos caros o poco eficientes. Permitir auditar inversiones de capital.
Mejorar la actuación en la toma de decisiones.
Permitir utilizar un sistema de costos a un nivel estratégico. Los indicios más comunes de un sistema de costos, son los siguientes:
En relación con el rendimiento. En relación con la competencia.
En relación con las decisiones sobre precios de productos. En relación con los inventarios.
En relación con los costos. En relación con los usuarios.
EN RELACIÓN CON LOS CAMBIOS
Una de las principales tecnologías que responden a este nuevo sistema de cos-tos para incrementar la compatibilidad de las empresas es el costeo basado en actividades, herramienta que facilita el proceso de toma de decisiones, así como el diseño de estrategias de las empresas, al ofrecer información más exacta y confiable sobre los costos que los otros sistemas de información tradicionales, donde el método de asignación de los costos indirectos es totalmente arbitrario. Uno de los principales problemas para determinar el costo de los productos en los sistemas de costeo tradicionales es el de la asignación a los productos de los gastos indirectos de fabricación, venta y administración. Se consideran gastos de periodo y no costos del producto.
Muchas empresas implantan programas con la finalidad de contrarrestar los problemas de liquidez y rentabilidad debido a la competencia, entre estos se puede hacer mención de:
Controles presupuestales muy estrictos. • • • • • • • • • • • •
Procesos de manufactura y su clasificación 1 Restricciones en el uso de recursos de la organización.
Disminución de posiciones.
Disminución de personal en forma generalizada.
Para lograr la mejora de una organización es indispensable contar con infor-mación de las actividades realizadas y el costo de las mismas, lo cual permite efectuar un análisis para establecer prioridades en los esfuerzos a realizar. El costeo con base en actividades mediante sus costos generadores ayuda a iden-tificar oportunidades de mejora.
La administración con base en actividades tiene dos objetivos principales: Incrementar el valor agregado al cliente.
Incrementar las utilidades de la empresa a través del valor agregado que se le proporciona al cliente.
FUNDAMENTOS DE LOS SISTEMAS DE MANUFACTURA Ingeniería de manufactura
Es la ciencia que estudia los procesos de conformado y fabricación de compo-nentes mecánicos con la adecuada precisión dimensional, así como de la ma-quinaria, herramientas y demás equipos necesarios para llevar a cabo la realiza-ción física de tales procesos, su automatizarealiza-ción, planificarealiza-ción y verificarealiza-ción. La ingeniería de manufactura es una función que lleva a cabo el personal técnico, y está relacionado con la planeación de los procesos de manufactura para la produc-ción económica de productos de alta calidad. Su funproduc-ción principal es preparar la transición del producto desde las especificaciones de diseño hasta la manufactura de un producto físico. Su propósito general es optimizar la manufactura dentro de la empresa determinada. El ámbito de la ingeniería de manufactura incluye muchas actividades y responsabilidades que dependen del tipo de operaciones de produc-ción que realiza la organizaproduc-ción particular. Entre las actividades usuales están las siguientes: • • • a) b)
Planeación de los procesos.
Solución de problemas y mejoramiento continuo. Diseño para capacidad de manufactura.
La plantación de procesos implica determinar los procesos de manufactura más adecuados y el orden en el cual deben realizarse para producir una parte o producto determinado, que se especifican en la ingeniería de diseño. El plan de procesos debe desarrollarse dentro de las limitaciones impuestas por el equipo de procesamiento disponible y la capacidad productiva de la fábrica.
Planeación tradicional de procesos
Tradicionalmente, la planeación de procesos la llevan a cabo ingenieros en ma-nufactura que conocen los procesos particulares que se usan en la fábrica y son capaces de leer dibujos de ingeniería con base en su conocimiento, capacidad y experiencia. Desarrollan los pasos de procesamiento que se requieren en la secuencia más lógica para hacer cada parte. A continuación se mencionan algu-nos detalles y decisiones requeridas en la plantación de procesos.
Procesos y secuencias. Selección del equipo.
Herramientas, matrices, moldes, soporte y medidores.
Herramientas de corte y condiciones de corte para las operaciones de maquinado.
Métodos.
Estándares de trabajo.
Estimación de los costos de producción. Estimación de materiales.
Distribución de planta y diseño de instalaciones.
Procesos para partes
Los procesos necesarios para manufactura se determinan en gran medida por el material con que se fabrica la parte. El diseñador del producto selecciona
1. 2. 3. • • • • • • • • •
Procesos de manufactura y su clasificación 21 el material con base en los requerimientos funcionales. Una vez seleccionado el material, la elección de los procesos posibles se delimita considerablemente. En este análisis de los materiales para ingeniería proporcionamos guías para el procesamiento de cuatro grupos:
Metales. Cerámicos. Polímetros.
Materiales compuestos.
Una típica secuencia de procesamiento para fabricar una parte separada con-siste en:
Materia prima inicial. Procesos básicos. Procesos secundarios.
Procesos para el mejoramiento de las propiedades. Operaciones de acabado.
Un proceso básico establece la geometría inicial de la parte. Entre ellos están el colocado de metales, el forjado y el laminado de chapas metálicas. En la mayoría de los casos, la geometría inicial debe refinarse mediante una serie de procesos secundarios. Estas operaciones transforman la forma básica en la geometría final. Hay una correlación entre los procesos secundarios que pueden usarse y el proceso básico que proporciona la forma inicial. La selec-ción de ciertos procesos básicos reduce la necesidad de procesos secundarios. Gracias a que con el modelo se obtienen características geométricas detalladas de dimensiones precisas.
Después de operaciones de formado, por lo general se hacen operaciones para mejorar las propiedades, incluyen el tratamiento térmico en componentes me-tálicos y cristalería. En muchos casos, las partes no requieren estos pasos de mejoramiento de propiedades en su secuencia de procesamiento. Las opera-ciones de acabado son las últimas de la secuencia; por lo general proporciona
• • • • • • • • •
un recubrimiento en la superficie de la parte de trabajo (o ensamble). Entre estos procesos están el electro deposición y la pintura.
DESARROLLO hISTÓRICO DE LOS PROCESOS DE MANUFACTURA
El punto de partida de los procesos de manufactura moderna puede acreditar-se a Eli Whitney, con su máquina despepitadora de algodón, sus principios de fabricación intercambiables o su máquina fresadora. Sucesos llevados a cabo en la década de 1880; también en esta época aparecieron otros procesos in-dustriales como consecuencia de la Guerra Civil en los Estados Unidos que proporcionó un nuevo impulso al desarrollo de procesos de manufactura de aquel país.
El origen de la experimentación y análisis en los procesos de manufactura se acreditaron en gran medida a Fred W. Taylor quien un siglo después de Whitney publicó los resultados de sus trabajos sobre el labrado de los metales aportando una base científica para hacerlo.
El contemporáneo Mirón L. Begeman y otros investigadores o laboratoristas lograron nuevos avances en las técnicas de fabricación, estudios que se han aprovechado en la industria.
El conocimiento de los principios y la aplicación de los servomecanismos le-vas, electricidad, electrónica y las computadoras hoy día permiten al hombre la producción de las máquinas.
CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE MANUFACTURA De acuerdo con esta definición y a la vista de las tendencias y estado actual de la fabricación mecánica y de las posibles actividades que puede desarrollar el futuro ingeniero en el ejercicio de la profesión, los contenidos de la disciplina podrían agruparse en las siguientes áreas temáticas:
Procesos de manufactura y su clasificación 23 Procesos de conformación sin eliminación de material.
Por fundición. Por deformación.
Procesos de conformación con eliminación de material. Por arranque de material en forma de viruta.
Por abrasión.
Procesos de conformado de polímeros y derivados. Plásticos.
Materiales compuestos.
Procesos de conformación por unión de partes. Por sinterización.
Por soldadura.
Procesos de medición y verificación dimensional. Tolerancias y ajustes.
Medición dimensional.
Automatización de los procesos de fabricación y verificación. Control numérico.
Robots industriales.
Sistemas de fabricación flexible.
Las propiedades y tecnologías de los materiales son aquellas que definen el comportamiento de un material frente a diversos métodos de trabajo y a deter-minadas aplicaciones. Existen varias propiedades que entran en esta categoría, destacándose la templabilidad, la soldabilidad y la dureza entre otras.
De manera general los procesos de manufactura se clasifican en cinco grupos: Procesos que cambian la forma del material. Ejemplos: metalurgia ex-tractiva, fundición, forja, laminado, repujado prensado.
Procesos que provocan desprendimiento de viruta por medio de má-quinas.
Ejemplos: métodos de maquinado convencional, métodos de maquinado es-pecial. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
Procesos que cambian las superficies. Ejemplos: con desprendimiento de viruta, por pulido, por recubrimiento.
Procesos para el ensamblado de materiales. Ejemplos: uniones perma-nentes, uniones temporales.
Procesos para cambiar las propiedades físicas. Ejemplos: temple de piezas, temple superficial.
1.2. BENEFICIO DE LOS MINERALES
En la búsqueda de piedras útiles para la fabricación de sus primeras herra-mientas, seguramente el hombre encontró algunos terrones de cobre y de oro maleables, ya que la naturaleza suele proveerlos de esta manera.
Los objetos metálicos más antiguos conformados artificialmente de los que se tiene noticia son unas cuentas de cobre encontradas en el norte de Irak; se calcula como fecha probable de su manufactura entre el octavo y noveno mi-lenio a.n.e. Al parecer, estas piezas son de cobre natural y fueron conformadas mediante martillo y yunque.
También se tiene información de que en la región de los Grandes Lagos en Estados Unidos los nativos utilizaron cobre natural alrededor del segundo mi-lenio a.n.e. Por otra parte, existen evidencias de que el hombre manipuló com-puestos metálicos con mucha anterioridad a las fechas mencionadas.
En la actualidad podemos explicar con bastante claridad cómo ocurrió esto. En la naturaleza, la mayoría de los metales aparecen abundantemente sólo en for-ma de compuestos minerales, tales como óxidos, carbonatos, sulfatos; es decir, resulta muy escaso el metal puro, al cual llamaremos natural.
En general, estos compuestos no poseen la maleabilidad del metal natural: son de distinta densidad y de colores más llamativos, por lo que indudable-mente despertaron la curiosidad del hombre primitivo.
• • •
Procesos de manufactura y su clasificación 25 Para separar el metal del mineral se requiere de temperaturas muy elevadas que no son fáciles de obtener directamente al fuego, mientras que el cocido del ba-rro en las alfarerías se efectúa en hornos que tienen el fuego confinado, donde se alcanzan temperaturas un poco mayores que resultan ser lo suficientemente elevadas para trabajar los óxidos, aunque no lo son para fundir el cobre. De hecho, aún en la actualidad no es clara la manera en que el hombre empezó a servirse de los metales. Indudablemente el paso crucial fue el descubrimiento de la fundición, lo cual hizo del cobre el primer metal industrial y propició el veloz descubrimiento del plomo, la plata, el estaño y probablemente el hierro.
MINERÍA, OBTENCIÓN SELECTIVA DE MINERALES Y OTROS MATERIALES (SALVO MATERIALES ORGáNICOS DE
FORMA-CIÓN RECIENTE) A PARTIR DE LA CORTEzA TERRESTRE La minería es una de las actividades más antiguas de la humanidad. Casi desde el principio de la edad de piedra, hace 2.5 millones de años o más, ha venido siendo la principal fuente de materiales para la fabricación de herramientas. Se puede decir que la minería surgió cuando los predecesores de los seres huma-nos empezaron a recuperar determinados tipos de rocas para tallarlas y fabricar herramientas. Al principio, la minería implicaba simplemente la actividad, muy rudimentaria, de desenterrar el sílex u otras rocas. A medida que se vaciaban los yacimientos de la superficie, las excavaciones se hacían más profundas, hasta que empezó la minería subterránea. La mina subterránea más antigua que se ha identificado es una mina de ocre rojo en la sierra Bomvu de Swazilandia, en África meridional, excavada 40 000 años a.n.e. (mucho antes de la aparición de la agricultura). La minería de superficie, por supuesto, se remonta a épocas mucho más antiguas.
Todos los materiales empleados por la sociedad moderna han sido obtenidos mediante minería, o necesitan productos mineros para su fabricación. Puede decirse que, si un material no procede de una planta, entonces es que se ob-tiene de la tierra. Incluso las otras actividades del sector primario –agricultura,
pesca y silvicultura– no podrían llevarse a cabo sin herramientas y máquinas fabricadas con los productos de las minas. Cabe argumentar por ello que la minería es la industria más elemental de la civilización humana.
La minería siempre implica la extracción física de materiales de la corteza te-rrestre, con frecuencia en grandes cantidades, para recuperar sólo pequeños volúmenes del producto deseado. Por eso resulta imposible que la minería no afecte al medio ambiente, al menos en la zona de la mina. De hecho, algunos consideran que la minería es una de las causas más importantes de la degra-dación medioambiental provocada por los seres humanos. Sin embargo, en la actualidad, un ingeniero de minas calificado es capaz de limitar al máximo los daños y recuperar la zona una vez completada la explotación minera.
Por lo general, la minería tiene como fin obtener minerales o combustibles. Un mineral puede definirse como una sustancia de origen natural con una compo-sición química definida y propiedades predecibles y constantes. Los combus-tibles más importantes son los hidrocarburos sólidos, que, por lo general, no se definen como minerales. Un recurso mineral es un volumen de la corteza terrestre con una concentración anormalmente elevada de un mineral o com-bustible determinado. Se convierte en una reserva si dicho mineral o su con-tenido (un metal, por ejemplo), se puede recuperar mediante la tecnología del momento con un costo que permita una rentabilidad razonable de la inversión en la mina. Hay gran variedad de materiales que se pueden obtener de dichos yacimientos. Pueden clasificarse como sigue:
Minerales industriales: incluyen los de potasio y azufre, el cuarzo, la trona, la sal común, el amianto, el talco, el feldespato y los fosfatos, los de aluminio, cobre, plomo, zinc, estaño, magnesio.
Materiales de construcción: incluyen la arena, la grava, los áridos, las arcillas para ladrillos, la caliza y los esquistos para la fabricación de ce-mento. En este grupo también se incluyen la pizarra para tejados y las piedras pulidas, como el granito, el travertino o el mármol.
Gemas: incluyen los diamantes, los rubíes, los zafiros y las esmeraldas. Combustibles: incluyen el carbón, el lignito, la turba, el petróleo y el gas •
•
• •
Procesos de manufactura y su clasificación 2 (aunque generalmente estos últimos no se consideran productos mine-ros). El uranio se incluye con frecuencia entre los combustibles.
Los depósitos de mineral pueden adoptar casi cualquier forma. Pueden aflorar a la superficie o estar a gran profundidad. En algunas de las minas de oro de la República de Sudáfrica, la extracción empieza a profundidades superiores a los 1 500 m y desciende más de 3 500 metros. En las minas se puede recuperar material poco compacto no consolidado, como los sedimentos del lecho de un río, o minerales situados en roca maciza más dura que cualquier hormigón. Como se ha indicado antes, existen cuatro sistemas fundamentales de extrac-ción minera: la minería de superficie (que incluye las canteras), la minería sub-terránea, la minería por dragado (que incluye la minería submarina) y la minería por pozos de perforación. A continuación describiremos cada uno de esos sistemas. Dentro de cada uno, los puntos fundamentales permanecen constan-tes, pero los detalles varían según el material extraído, la dureza de la roca y la geometría del depósito. Por supuesto, existe un cierto solapamiento entre los distintos métodos.
MINERÍA DE SUPERFICIE
La minería de superficie es la más empleada para la extracción de materiales (puede emplearse para cualquier material) y se utilizan más de 60% de éstos. Los distintos tipos de mina de superficie tienen diferentes nombres, y por lo general, suelen estar asociados a determinados materiales extraídos. Las minas a cielo abierto suelen ser de metales; en las explotaciones al descubierto se suele extraer carbón; las canteras suelen dedicarse a la extracción de materia-les industriamateria-les y de construcción, y en las minas de placer se suelen obtener minerales y metales pesados (con frecuencia oro, pero también platino, estaño y otros).
Las minas de superficie son las que adoptan la forma de grandes fosas en te-rraza, cada vez más profundas y anchas. Los ejemplos clásicos de minas a cielo
abierto son las minas de diamantes de Sudáfrica, en las que se explotan las chi-meneas de kimberlita, depósitos de mineral en forma cilíndrica que ascienden por la corteza terrestre. A menudo tienen una forma más o menos circular. La extracción empieza con la perforación y voladura de la roca. Ésta se carga en camiones con grandes palas eléctricas o hidráulicas, o con excavadoras de carga frontal y se retira del foso. El tamaño de estas máquinas llega a ser tan grande que pueden retirar 50 m3 de rocas de una vez, pero suelen tener una
capacidad de entre 5 y 25 m3. La capacidad de los camiones puede ir desde 35
hasta 220 toneladas. Un avance de la minería moderna consiste en que las palas descarguen directamente en una trituradora móvil, desde la que se saca de la mina la roca triturada en cintas transportadoras.
El material clasificado como mineral se transporta a la planta de recuperación, mientras que el clasificado como desecho se vierte en zonas asignadas para ello. A veces existe una tercera categoría de material de baja calidad que puede almacenarse por si en el futuro pudiera ser rentable su aprovechamiento. Muchas minas empiezan como de superficie y, cuando llegan a un punto en que es necesario extraer demasiado material de desecho por cada tonelada de mineral obtenida, empiezan a emplear métodos de minería subterránea. Las explotaciones al descubierto se emplean con frecuencia, aunque no siem-pre, para extraer carbón y lignito. En el Reino Unido se obtienen más de 10 millones de toneladas de carbón anuales en explotaciones al descubierto. La principal diferencia entre estas minas y las de cielo abierto es que el material de desecho extraído para descubrir la veta de carbón, en lugar de transportarse a zonas de vertido lejanas, se vuelve a dejar en la cavidad creada por la explotación reciente. Por tanto, las minas van avanzando poco a poco, rellenando el terreno y devolviendo a la superficie en la medida de lo posible el aspecto que tenía antes de comenzar la extracción. Al contrario que una mina a cielo abierto, que suele hacerse cada vez más grande, una explotación al descubierto alcanza su tamaño máximo en muy poco tiempo.
Procesos de manufactura y su clasificación 2 Cuando se completa la explotación, el foso que queda se puede convertir en un lago o rellenarse con el material procedente de la excavación realizada al comenzar la mina.
Parte del equipo empleado en las explotaciones al descubierto es el mismo que el de las minas a cielo abierto, sobre todo el utilizado para extraer el carbón. Para obtener las rocas de desecho situadas por encima, la llamada sobrecarga, emplea los equipos más grandes de todas las minas. En Alemania existe una excavadora de cangilones que puede extraer 25 0000 m3 de materiales diarios.
La máquina va montada sobre orugas y es automotriz. Otra máquina de gran tamaño que se emplea sobre todo en explotaciones al descubierto es la exca-vadora de cuchara de arrastre; una de estas máquinas, empleada en el Reino Unido en el pasado, extraía 50 m3 de sobrecarga cada vez.
Las canteras son bastante similares a las minas a cielo abierto, y el equipo empleado es el mismo. La diferencia es que los materiales extraídos suelen ser minerales industriales y materiales de construcción. En general, casi todo el material que se obtiene de la cantera se transforma en algún producto, por lo que hay bastante menos material de desecho. A su vez, esto significa que al final de la vida útil de la cantera queda una gran excavación. No obstante, debido a los bajos precios que suelen tener los productos de la mayoría de las canteras, éstas tienen que estar situadas relativamente cerca de los mercados. Si no fuera así, los gastos de transporte podrían hacer que la cantera no fuera rentable. Por esta razón, muchas se encuentran cerca de aglomeraciones urba-nas. También supone que las cavidades creadas por muchas canteras adquieren un cierto valor como vertederos de residuos urbanos. En las cercanías de las grandes ciudades, puede ser que la excavación creada por la cantera tenga un valor superior al del material extraído. Debido al bajo costo actual del trans-porte marítimo, se están abriendo nuevos tipos de grandes canteras costeras, como la de Glensanda, en Escocia. Estas canteras pueden servir a mercados alejados, porque los gastos de transporte son lo bastante bajos como para que sus productos sigan siendo competitivos.
Los placeres son depósitos de partículas minerales mezcladas con arena o gra-va. Las minas de placer suelen estar situadas en los lechos de los ríos o en sus
proximidades, puesto que la mayoría de los placeres son graveras de ríos actua-les o graveras fósiactua-les de ríos desaparecidos. No obstante, los depósitos de pla-yas, los sedimentos del lecho marino y los depósitos de los glaciares también entran en esta categoría. La naturaleza de los procesos de concentración que dan lugar a los placeres hace que en este tipo de minas se obtengan materiales densos y ya liberados de la roca circundante.
Eso hace que el proceso de extracción sea relativamente sencillo y se limite al movimiento de tierras y al empleo de sistemas sencillos de recuperación física, no química, para recuperar el contenido útil. El material extraído puede de-positarse en zonas ya explotadas a medida que va avanzando la mina, a la vez que se recupera la superficie. Las minas de placer terrestre emplean equipos similares a los de superficie. Sin embargo, muchas minas de placer se explotan mediante dragado.
MINERÍA SUBTERRáNEA
La minería subterránea se puede subdividir en minería de roca blanda y mine-ría de roca dura. Los ingenieros de minas hablan de roca blanda cuando no se exige el empleo de explosivos en el proceso de extracción. En otras palabras, las rocas blandas pueden cortarse con las herramientas que proporciona la tecnología moderna. La roca blanda más común es el carbón, pero también lo son la sal común, la potasa, la bauxita y otros minerales. La minería de roca dura utiliza los explosivos como método de extracción.
En gran parte de Europa, la minería se asocia sobre todo con la extracción del carbón. En los comienzos se empleaban métodos de extracción que im-plicaban la perforación y la voladura con barrenos, pero desde 1950 ya no se emplean esos métodos, salvo en unas pocas minas privadas.
En la minería de roca blanda se perfora en la veta de carbón dos túneles para-lelos separados por unos 300 m (llamados entradas). A continuación se abre una galería que une ambas entradas, y una de las paredes de dicha galería se
Procesos de manufactura y su clasificación 31 convierte en el frente de trabajo para extraer el carbón. El frente se equipa con sistemas hidráulicos de entibados extremadamente sólidos, que crean un techo por encima del personal y la maquinaria y soportan el techo de roca situado por encima. En la parte frontal de estos sistemas de entibado se encuentra una cadena transportadora. Los lados de la cadena sostienen una máquina de ex-tracción, la cizalladora, que corta el carbón mediante un tambor cilíndrico con dientes, se hace girar contra el frente de éste. Los trozos de carbón cortados caen a la cadena transportadora, que los lleva hasta el extremo del frente de pared larga. Allí, el carbón pasa a una cinta transportadora, que lo lleva hasta el pozo o lo saca directamente de la mina. Cuando se ha cortado toda la longitud del frente, se hace avanzar todo el sistema de soporte, y la cizalladora empieza a cortar en sentido opuesto, extrayendo otra capa de carbón. Por detrás de los soportes hidráulicos, el techo cede y se viene abajo. Esto hace que esta forma de extracción siempre provoque una depresión del terreno situado por encima. En Sudáfrica, Estados Unidos y Australia, gran parte de la extracción se rea-liza mediante el método de explotación por cámaras y pilares, en el que unas máquinas llamadas de extracción continua abren una red de túneles paralelos y perpendiculares, lo que deja pilares de carbón que sostienen el techo. Este método desaprovecha una proporción importante del combustible, pero la superficie suele ceder menos.
En la mayoría de las minas de roca dura, la extracción se realiza mediante per-foración y voladura. Primero se realizan agujeros con perforadoras de aire comprimido o hidráulicas. A continuación se insertan barrenos en los agujeros y se hacen explotar, con lo que la roca se fractura y puede ser extraída. Después se emplean máquinas de carga especiales –muchas veces con motores diesel y neumáticos– para cargar la roca volada y transportarla hasta galerías especiales de gran inclinación. La roca cae por esas galerías y se recoge en el pozo de ac-ceso, donde se carga en contenedores especiales denominados cucharones y se saca de la mina. Más tarde se transporta a la planta de procesado, si es mineral, o al vertedero, si es material de desecho.
Para poder acceder al yacimiento de mineral hay que excavar una red de ga-lerías de acceso, que se suele extender por la roca de desecho que lo rodea.
Este trabajo se denomina desarrollo; una mina de gran tamaño, como la mina sudafricana de platino de Rustenberg, puede abrir hasta 4 km de túneles cada mes. La extracción del mineral propiamente dicho se denomina arranque, y la elección del método depende de la forma y orientación del yacimiento. En los depósitos tubulares horizontales hay que instalar sistemas de carga y transporte mecanizados para manejar la roca extraída. En los yacimientos muy inclinados, una gran parte del movimiento de la roca puede efectuarse por gravedad. En el método de socavación de bloques se aprovecha la fuerza de la gravedad inclu-so para romper la roca. Se inclu-socava el bloque que quiere extraerse y se deja que caiga por su propio peso.
La minería subterránea es la más peligrosa, por lo que se prefiere emplear al-guno de los métodos superficiales siempre que resulte posible.
Minería por dragado
El dragado de aguas poco profundas es con toda probabilidad el método más barato de extracción de minerales. Por aguas poco profundas se entienden aguas de hasta 65 m. En esas condiciones se pueden recuperar sedimentos poco compactos empleando dragas con cabezales de corte situados en el ex-tremo de tubos de succión, o con una cadena de cangilones de excavación que gira alrededor de un brazo.
La minería por dragado se está modernizando: por ejemplo, en la mina de Kovin, situada en territorio de la antigua Yugoslavia, se emplea una draga para extraer dos capas de lignito y los lechos de grava que las separan, en un lago artificial, junto al río Danubio, creado para este fin. Se prevé que en el futuro se introduzcan más dragas de este tipo, que permiten una extracción selectiva y precisa.
La minería oceánica es un método reciente. En la actualidad se realiza en las plataformas continentales, en aguas relativamente poco profundas. Entre sus actividades están la extracción de áridos, de diamantes (frente a las costas de Namibia y Australia) y de oro (en diversos placeres de todo el mundo).
Procesos de manufactura y su clasificación 33 Ya se ha diseñado y probado la tecnología para realizar actividades mineras en fondos marinos profundos. A profundidades de hasta 2 500 o 3 000 m hay conglomerados de rocas ricas en metales denominadas nódulos de manganeso por ser éste el principal metal que contienen. En los nódulos también hay can-tidades significativas de otros metales, entre ellos cobre y níquel. La tecnología de dragado para su recuperación está ya disponible, aunque ese tipo de activi-dades se encuentra en fase experimental hasta que las condiciones económicas y políticas las hagan factibles.
Minería por pozos de perforación
Numerosos materiales pueden extraerse del subsuelo a través de un pozo de perforación sin necesidad de excavar galerías y túneles. Así ocurre con los teriales líquidos como el petróleo y el agua. También se pueden recuperar ma-teriales solubles haciendo pasar agua por ellos a través del pozo de perforación y extrayendo la solución. Este sistema se denomina extracción por disolución. También se puede emplear un disolvente que no sea agua para algún mineral determinado; en ese caso suele hablarse de lixiviación in situ. El azufre es un caso especial: como funde a una temperatura bastante baja (108 ºC) es posible licuarlo calentándolo por encima de dicha temperatura y bombear a la superfi-cie el azufre fundido. En la actualidad también existen métodos para recuperar materiales insolubles a través de pozos de perforación. Algunos sólidos, como el carbón, son lo suficientemente blandos o están lo suficientemente fractura-dos para poder ser cortafractura-dos por un chorro de agua a presión. Si se rompen en trozos pequeños, éstos pueden bombearse a la superficie en forma de lodo a través de un pozo de perforación. Naturalmente, este método también permite recuperar sólidos que ya de por sí se encuentran en forma de partículas finas poco compactas. En Hungría se están realizando experimentos serios para extraer carbón y bauxita mediante este método.
El proceso empleado en el caso del azufre es relativamente sencillo. Se bom-bea agua salada caliente por un tubo exterior insertado en el pozo que se ha perforado en los lechos que contienen azufre. Se emplea agua salada porque su punto de ebullición es más alto, por lo que puede calentarse a una temperatura
superior a su punto de fusión. El azufre fundido se bombea a la superficie por un tubo interior situado dentro del tubo de agua. Por otro tubo situado dentro de los otros dos se inyecta aire comprimido para contribuir a impulsar el azufre a la superficie. El azufre no es soluble en agua, por lo que no existe el problema de perderlo por disolución. Las dos zonas más conocidas donde se emplea este método son Polonia –donde se desarrolló por primera vez– y el golfo de México.
Muchas sustancias –las más habituales son la sal común y la potasa– son solu-bles en agua. El método empleado para extraerlas consiste en perforar pozos hasta el yacimiento, insertar un sistema de tubos como el usado en el caso del azufre, bombear agua por el pozo dejando que disuelva la sal, bombear la sal-muera resultante hacia la superficie y recuperar allí la sal disuelta. Según las minas, se puede utilizar el tubo exterior para el agua y el intermedio para la salmuera, o al contrario. En cualquier caso, el tubo interior se emplea para inyectar aire comprimido para elevar la salmuera. En Italia existen numerosas minas de disolución para extraer sal común.
El sistema de lixiviación in situ se considera un método alternativo de extrac-ción para algunos metales. En particular, se ha empleado con éxito para extraer uranio y cobre. En este caso siempre se emplean pozos separados para inyectar el disolvente y para extraer la disolución de mineral. El yacimiento debe ser poroso para que el disolvente pueda fluir a través del mismo desde un pozo a otro disolviendo el mineral o metal en cuestión. Es preferible que la roca que rodea el yacimiento sea impermeable para poder controlar mejor el disolvente. Siempre que sea posible, conviene utilizar disolventes no tóxicos, ya que parte del disolvente puede pasar a la roca circundante. Este tipo de minería presenta importantes ventajas medioambientales, ya que se mueve una cantidad de roca mucho menor y las operaciones de limpieza posteriores resultan mucho más sencillas.
Todas las minas presentan problemas de seguridad, pero se considera que las subterráneas son las más peligrosas. El peligro se deriva de la naturaleza de la mina: una construcción de roca natural, que no es un buen material de ingeniería.
Procesos de manufactura y su clasificación 35 Estadísticamente, las minas subterráneas son más peligrosas que las de superfi-cie, y, por lo general, las de roca blanda son más peligrosas que las de roca dura. Las causas principales de accidentes en la mayoría de las minas son los derrabes, esto es, los derrumbamientos de grandes rocas de las paredes de la mina. Este tipo de accidentes también incluye las caídas de rocas desde los mecanismos de transporte. La segunda causa más frecuente de accidentes en las minas es la ma-quinaria en movimiento. Otros riesgos son los explosivos, las inundaciones y las explosiones debidas a gases desprendidos por las rocas, como el metano (grisú). Este último fenómeno se produce especialmente en las minas de carbón.
La profundidad de las minas puede producir riesgos, ya que las tensiones a que están sometidas las galerías por el peso de las rocas situadas encima pueden su-perar la resistencia de la roca y hacer que ésta se derrumbe de forma explosiva. Se ha investigando muchos años para mejorar el diseño de las minas de modo que se elimine o reduzca el peligro de dichos derrumbes.
Además del riesgo de accidentes, los mineros pueden contraer una serie de enfermedades laborales. Esto ocurre sobre todo en las minas subterráneas. En todas las minas se produce polvo, y su inhalación puede causar diversas enferme-dades de los pulmones, como la silicosis o neumoconiosis en las minas de carbón, la asbestosis y otras. Además, en las minas pueden aparecer gases tóxicos, como sulfuro de hidrógeno o monóxido de carbono. Muchas minas, en especial las de uranio, pueden presentar problemas de radiación por las emanaciones de radón procedentes de la roca.
Debido al carácter peligroso de estos trabajos, los principales países mineros tienen leyes y normativas muy estrictas sobre la seguridad en las minas. Dichas normas cubren la calidad del aire, el entibado de las galerías, los explosivos, la ilu-minación, el ruido y todos los demás riesgos que pueden darse en las minas.
1.3. TRANSFORMACIÓN DE MINERALES
EN METALES
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 disposicomposi-ción 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, tetrahexa-gonal, 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 químicerámi-cos (halita, azufre, bórax); fertilizan-tes (fosfatos); pigmentos naturales (hematifertilizan-tes, 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 enen-cuentran 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 propro-ductos 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,
Procesos de manufactura y su clasificación 45 Cataluña, concretamente en Vimbodí, Falset Bellmunt y Tarragona. Cuando aparece en forma nativa, lo hace en masas que han llegado a pesar centenares de kilos, esparcidas en terreno rocoso, con pequeñas incrustaciones de otros metales nobles. Noruega posee el mayor yacimiento del mundo de este tipo. Lo normal es que aparezca junto con grandes filones de galena, blenda y pirita. Los minerales de plomo son la más importante fuente de plata, las minas más importantes se encuentran en Leadville y Eureka (EUA), de menor im-portancia son Laurium (Grecia) y las españolas de Peñarroya, Linares y San Quintín.
Cerca de la superficie, la plata suele aparecer nativa o en forma de haluro. En las profundidades aparece formando sulfuros. Pero este tipo de filones está muy agotado, y actualmente la mayor parte de la plata que aparece en el merca-do procede del tratamiento de filones de blenda, galena y pirita.
Los métodos para la obtención de la plata son el de amalgamación y el de cia-nuración, o como subproducto de otras metalurgias, en especial la del plomo.
La amalgamación es un método español, consiste en triturar la mena, que debe ser plata nativa o cloruro, se agita con agua y mercurio para obtener cloruro mercurioso, entonces las plata se amalgama con el mercurio en exceso. La amalgama se separa del mineral agotado y se destila en retortas de hierro, el mercurio volátil se usa otra vez y la plata queda en la retorta. Este método casi no se utiliza en la actualidad. La cianuración se usa normalmente para menas ricas. Consiste en tritu-rar el mineral, y si contiene sulfuro de plata se tuesta con cloruro sódi-co, para conseguir cloruro de plata, éste se disuelve en cianuro sódico formándose cianuro complejo de plata y sodio Ag (CN)2NA. El metal se precipita de esta disolución por el cinc metálico.
Obtención de la plata como subproducto
Este método es el más utilizado, consigue 80% de la plata obtenida en el mundo. En la producción de los metales que la acompañan, la plata queda mezclada
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con ellos, y se separa con una técnica diferente en cada caso. Si aparece mezcla-da con oro se extrae mediante electrólisis en una solución de nitrato de plata. El caso más frecuente es que acompañe al plomo, del que se separa por el método Parkes: después de eliminar las impurezas, el metal fundido se mezcla con 2% de cinc, inmiscible con el plomo, pero no con la plata, a la que arrastra en su flotación y solidificación cuando el plomo está todavía fundido. Se extrae la aleación cinc-plata y se calienta en retortas de arcilla, para separar el cinc por destilación. El residuo de las retortas se somete al proceso de copelación, para oxidar y fundir los posibles restos de plomo. Si la plata aparece mezclada con cobre, se procede por galvanización y copelación, o bien por refinado elec-trolítico. Para obtener plata químicamente pura, se precipita de sus soluciones nítricas en estado de cloruro, que se reduce por calentamiento en presencia de yeso y carbón.
La plata pura es un metal muy blando, por lo que se emplea poco. La industria química la utiliza en cápsulas y como revestimiento protector, chapeado o elec-trolítico, debido a su buena resistencia frente a muchos reactivos, así como en superficies termo aislantes y como catalizador en diversos procesos.
Por la facilidad de su trabajo, la plata fue uno de los metales más usado para el arte en las civilizaciones del mundo antiguo. Se empezó a considerar la plata como un elemento de riqueza a partir de 3 600 años a.n.e. Fue también uno de los primeros metales usados para la acuñación de monedas ya que permitía reducir el peso y tamaño de las grandes piezas de cobre o bronce. El metal se obtenía de algunas minas europeas, como las de Laurion en el Ática y las de Hispania, que atrajeron a la Península a los mercaderes y colonizadores, y de los yacimientos del Próximo Oriente. En América pronto comenzaron los hallaz-gos de las grandes minas de plata de Nueva España y Perú: Michoacán (1531), Potosí (1545), Guanajuato (1548), etcétera. Inicialmente, la extracción de plata se hacía por el procedimiento de fusión, en pequeños hornos que los indios de Potosí esparcían por laderas, para conseguir que el viento estimulara la com-bustión. Este procedimiento rudimentario sólo podía aplicarse a minerales muy ricos, de forma que las reservas explotables se agotaron rápidamente; en Perú tardó diez años en acabarse. A medidos del siglo xvi se introdujo en la
