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• Willihan C Vilca

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FUNDICION Y REFINACION OMBJETIVOS Lograr el aprendizaje del proceso de refinación y fundición de minerales metálicos, maquinas del proceso, reacciones químicas.

MARCO TEORICO 1

Refinación de Metales

Qué es el refinado de metales?: Es la eliminación de impurezas de metales en bruto. Después de la extracción de materias primas, metales en bruto son entre 96 y 99 por ciento de pureza del principal metal, siendo el resto impurezas. Metales en bruto no puede ser utilizado por la industria en esta etapa debido a la característica inferior en propiedades físicas, químicas, y propiedades mecánicas. Las impurezas que se encuentran en metales en bruto pueden tener un valor elevado en sí mismos, el oro y la plata recuperable de cobre, por ejemplo, pagar el costo total del proceso de refinación.

Los tres métodos básicos de refinación son pirometalúrgico, electrolítico y químico. 1.1 Refinación pirometalúrgica La refinación pirometalúrgico, que se lleva a cabo a una alta temperatura en una masa fundida, tiene un número de variaciones. Refinación de oxidación se basa en la tendencia de algunas impurezas para formar compuestos con O, S, Cl, F y que son más estables que los compuestos de la principal metal y estos elementos. Esta técnica se utiliza para refinar Cu, Pb, Zn y Sn. Por ejemplo, cuando una corriente de aire es forzado a través del cobre fundido, los óxidos se forman mezclas de Fe, Ni, Zn, Pb, Sb, As, y Sn, ya que las mezclas tienen una mayor tendencia a reaccionar con el oxígeno que el cobre; la óxidos de subir a la superficie del tanque y se retiran. Fusión y separación por densidad (Licuefacción) Separación se basa en las diferencias en las temperaturas de fusión y densidades de componentes de la aleación y en el bajo nivel de solubilidad mutua de los componentes. Por ejemplo, cuando el plomo crudo fundido se enfría, los cristales de cobre (escoria) separar a cabo a temperaturas establecidas y, debido a su baja densidad, flotan en la superficie y se puede quitar. Este método se utiliza para eliminar Cu, Ag, Au, Bi y de plomo crudo, para eliminar el Fe, Cu, Pb y de Zinc en bruto, y para refinar estaño y otros metales. Recristalización fraccionada

Utiliza la diferencia en las solubilidades de un aditivo metálico en las fases sólida y líquida y la lenta difusión de impurezas en la fase sólida. Este método se utiliza en la producción de materiales semiconductores y en la preparación de los metales de alta pureza, sino que se emplea en la zona de fusión, la metalurgia del plasma, la eliminación de los cristales individuales a partir de una masa fundida, y la dirigida cristalización.

Destilación Se basa en la diferencia entre el punto de ebullición del metal principal y la de las impurezas. Refinación se lleva a cabo como un proceso continuo en el que el reflujo se repiten volatilización y condensación de la fracción que se separa muchas veces. Rectificación se puede acelerar considerablemente si se realiza en un vacío. Este método tiene aplicación en la eliminación de Cd de Zn o Zn de Pb, en la separación de Al y Mg, Ti y en la metalurgia. La filtración a vacío de un metal líquido a través de filtros de cerámica elimina las impurezas sólidas suspendidas; el proceso se utiliza en metalurgia Sn. 1.2 Refinado electrolítico Refinación electrolítica, la electrólisis de soluciones acuosas o sal se funde, produce metales de alta pureza. Se utiliza para la purificación completa de la mayoría de los metales no ferrosos. Refinación electrolítica con ánodos solubles implica la disolución del ánodo de los metales a ser purificada y la deposición de los metales puros en el cátodo, en este proceso, los electrones del circuito externo son capturados por iones del metal principal. La electrólisis puede ser utilizado para separar los metales debido a que el principal metal y mezclas de los tienen diferentes potenciales electroquímicos. Por ejemplo, el potencial de electrodo estándar relativa de Cu a un electrodo normal de hidrógeno-toma como cero-es + 0,346; los valores de Au y Ag son mayores, y las de Ni, Fe, Zn, Mn, Pb, Sn y Co son negativos. 1.3 Refinado químico. La refinación química se basa en las diferentes solubilidades de un metal y sus impurezas en soluciones ácidas o alcalinas. Las impurezas se acumulan gradualmente en una solución y se eliminan por medios químicos, tales como la hidrólisis, la cementación, la formación de compuestos escasamente solubles, y purificación por extracción o de intercambio iónico. El refinado de metales nobles es un ejemplo de refinado químico. El oro (Au) se refina en ebullición sulfúrico o ácido nítrico; Cu, Ag, y otras impurezas metálicas se disuelven, mientras que el oro purificado, que es inmune al ataque con acido, permanece como un residuo insoluble.

1.4 REACCIONES QUIMICAS DE REFINADO Más del 80% de la producción de cobre se afina por electrolisis para obtener un cobre con una elevada conductividad eléctrica, separándose las impurezas, recuperándose las más valiosas como los metales preciosos. Las reacciones del proceso de afino son: Ánodo: 𝐶𝑢 ↔ 𝐶𝑢2+ + 2𝑒 − 𝐸 0 = −0.337 𝑉 Cátodo: 𝐶𝑢2+ + 2𝑒 − ↔ 𝐶𝑢 𝐸 0 = +0.337 𝑉 Se producen otras reacciones de oxidación y reducción parciales interviniendo el catión 𝐶𝑢+ , como por ejemplo: 2𝐶𝑢+ + 2𝐻 + + 1Τ2 𝑂2 ↔ 2𝐶𝑢2+ + 𝐻2𝑂 (𝑜𝑥𝑖𝑑𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑎𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒) Que produciría un incremento de iones de cobre (II) en el electrolito. Afortunadamente esto no es así en la realidad. Parte del cobre se oxida a óxido de cobre (I) que se disuelve en el metal líquido. El óxido de cobre actúa como oxidante selectivo: 𝑆 𝑑𝑖𝑠; 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 + 2𝐶𝑢2𝑂 ↔ 4𝐶𝑢 + 𝑆𝑂2 Los equilibrios que describen esta relación son: 𝑆 𝑑𝑖𝑠; 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 + 𝑂2 = 𝑆𝑂2 𝑂2 = 2𝑂 (𝑑𝑖𝑠; 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙) 𝐶𝑢 + 2𝑂 𝑑𝑖𝑠; 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 = 𝐶𝑢2𝑂 Lo que da lugar a contenidos de 0.01% de S para 0.5-0.6% de O.

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FUNDICIÓN DE MINERALES El proceso de fundición implica calentar y reducir la mena mineral para obtener un metal puro, y separarlo de la ganga y otros posibles elementos. Generalmente se usa como agente reductor una fuente de carbono, como el coque, el carbón o el carbón vegetal en el pasado. El carbono (o el monóxido de carbono generado a partir de él) saca el oxígeno de la mena de los óxidos (o el azufre, carbonato, etc... en los demás minerales), dejando el metal en su forma elemental. Para ello el carbono se oxida en dos etapas, primero produciéndose monóxido de carbono y después dióxido de carbono. Como la mayoría de las menas tienen impurezas, con frecuencia es necesario el uso de un fundente o castina, como la caliza, para ayudar a eliminar la ganga acompañante en forma de escoria. También se denomina fundición al proceso de fabricar objetos con metales fundidos mediante moldes, que suele ser la etapa siguiente a la fundición extractiva, que es de la que trata este artículo. Las plantas para la reducción electrolítica del aluminio generalmente también se denominan fundiciones, aunque se basan en un proceso físico completamente diferente. En

ellas no se funde el óxido de aluminio, sino que se disuelve en fluoruro de aluminio para producir la electrólisis de la mena. Normalmente se utilizan electrodos de carbono, pero en las plantas de diseño más moderno se usan electrodos que no se consuman. El producto final es aluminio fundido.

2.1 PROCESO La fundición es un proceso que implica más que la simple fusión del metal para extraerlo de la mena. La mayoría de las menas minerales son compuestos en los que el metal está combinado con el oxígeno (en los óxidos), el azufre (en los sulfuros) o el carbono y el oxígeno (en los carbonatos), entre otros. Para obtener el metal en su forma elemental se debe producir una reacción química de reducción que descomponga estos compuestos. Por ello en la fundición se requiere el uso de sustancias reductoras que al reaccionar con los elementos metálicos oxidados los transformen en sus formas metálicas. Fundentes En el proceso de fundición se usan los fundentes con varios propósitos, los principales son catalizar las reacciones deseadas o que se unan químicamente a las impurezas o productos de reacción no deseados para facilitar su eliminación. El óxido de calcio, en forma de caliza, se usa a menudo con este propósito, ya que puede reaccionar con el dióxido de carbono y el dióxido de azufre producidos durante la calcinación y la reducción manteniéndolos fuera del ambiente de reacción. Los fundentes y la escoria pueden proporcionar un servicio secundario adicional después de que se haya completado la etapa de reducción, recubrir con una capa fundida el metal purificado para evitar que entre en contacto con el oxígeno, que al estar todavía tan caliente se oxidaría rápidamente. 2.2 FUNDICIÓN EN ARENA La fundición en arena es el proceso más utilizado, la producción por medio de este método representa la mayor parte del tonelaje total de fundición. Casi todas las aleaciones pueden fundirse en arena; de hecho, es uno de los pocos procesos que pueden usarse para metales con altas temperaturas de fusión, como son el acero, el níquel y el titanio. Su versatilidad permite fundir partes muy pequeñas o muy grandes (véase la figura 2.9) y en cantidades de producción que van de una pieza a millones de éstas.

La fundición en arena consiste en vaciar el metal fundido a un molde de arena, dejarlo solidificar y romper después el molde para remover la fundición. Posteriormente la fundición pasa por un proceso de limpieza e inspección, pero en ocasiones requiere un tratamiento térmico para mejorar sus propiedades metalúrgicas

2.3 TRATAMIENTO TERMICO Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono.

La fundición en arena requiere un patrón o modelo al tamaño natural de la parte, ligeramente agrandado, tomando en consideración la contracción y las tolerancias para el maquinado de la fundición final. El molde contiene el sistema de vaciado y mazarota, pero si la fundición tiene superficies interna ( por ejemplo partes huecas o agujeros) debe incluirse también un corazón. NOTA: 2.4 MAZAROTA Deposito de metal fundido que se coloca en algunas zonas del molde de fundición como reserva de metal líquido para ser usado durante la solidificación de las piezas. La madera es un material común para modelos, por la facilidad de trabajarla pero limita el numero de veces que puede usarse por su tendencia a la torsión y al desgaste por la abrasión de la arena. Los modelos de metal son mas costosos pero duran más Los patrones definen la forma externa de la fundición. Si posee superficies internas, se necesita un corazón para definirlas Un corazón es un modelo de tamaño natural de las superficies interiores de la parte. El corazón se inserta en la cavidad del molde antes del vaciado, para que al fluir el metal fundido,solidifique entre la cavidad del molde y el corazón, formando así las superficies externas e internas de la fundición. El corazón se hace generalmente de arena compactada 2.5 Proceso de fundición El molde es una cavidad que tiene la forma geométrica de la pieza que se va fundir. La arena de fundición es sílice (Si02) o sílice mezclada con otros minerales. Esta arena debe tener buenas propiedades refractarias, expresadas como la capacidad de resistir altas temperaturas sin fundirse o degradarse. El óxido de silicio (IV) o dióxido de silicio (SiO2) es un compuesto de silicio y oxígeno, llamado comúnmente sílice. Es uno de los componentes de la arena. 2.6 REACCIONES QUIIMCAS MACHOS AL SILICATO DE SODIO • reacción química entre el CO2 y el silicato de sodio Na2O2 Si02 + CO2 Na2CO3+ 2SiO2 • reacción final • Na2O2 SiO2 + CO2 + H2 0 2NaHCO3 + 2SiO2 Secado de la mezcla debido al flujo de CO2 que atraviesa la misma. Difusión de la humedad para la atmósfera después del gaseado

HORNO DE HOGAR ABIERTO o CRISOL El HORNO DE HOGAR ABIERTO semeja un horno enorme, y se le denomina de esta manera porque contiene en el hogar (fondo) una especie de piscina larga y poco profunda (6m de ancho, por 15 m de largo, por 1 m de profundidad, aproximadamente).

El horno se carga en un 30% a un 40% con chatarra y piedra caliza, empleando aire pre-calentado, combustible líquido y gas para la combustión, largas lenguas de fuego pasan sobre los materiales, fundiéndolos. Al mismo tiempo, se quema (o se oxida) el exceso de carbono y otras impurezas como el fósforo, silicio y manganeso. Este proceso puede acelerarse introduciendo tubos refrigerados por agua (lanzas), los que suministran un grueso flujo de oxígeno sobre la carga. Periódicamente, se revisan muestras de la masa fundida en el laboratorio para verificar la composición empleando un instrumento denominado espectrómetro. También se determinan los niveles de carbono. Si se está fabricando acero de aleación, se agregarán los elementos de aleación deseados. Cuando las lecturas de composición son correctas, el horno se cuela y el acero fundido se vierte en una olla de colada. El proceso completo demora de cinco a ocho horas, mientras que el Horno de Oxígeno Básico produce la misma cantidad de acero en 45 minutos aproximadamente. Debido a esto, este horno ha sido virtualmente reemplazado por el de Oxígeno Básico.

HORNO DE OXIGENO BASICO Es un horno en forma de pera que puede producir una cantidad aproximadamente de 300 toneladas de acero en alrededor de 45 minutos. El horno se inclina desde su posición vertical y se carga con chatarra de acero fría (cerca de un 25%) y luego con hierro derretido, después de ser devuelto a su posición vertical, se hace descender hacia la carga una lanza de oxígeno refrigerada por agua y se fuerza sobre ella un flujo de oxígeno puro a alta velocidad durante 20 minutos. Este actúa como fuente de calor y para la oxidación de las impurezas. Tan pronto como el chorro de oxígeno comienza, se agrega la cal y otros materiales fundentes. La reacción química resultante desarrolla una temperatura aproximada de 1.650º C. El oxígeno se combina con el exceso de carbono acabando como gas y se combina también con las impurezas para quemarlas rápidamente. Su residuo es absorbido por la capa flotante de escoria. Después de haberse completado la inyección de oxígeno, se analiza el contenido de carbono y la composición química de diversas muestras de la masa fundida. Cuando la composición es correcta, el horno se inclina para verter el acero fundido en una olla de colada. Aunque se pueden producir algunos aceros de aleación con este proceso, el ciclo de tiempo aumenta considerablemente, eliminando así su ventaja principal. Consecuentemente, el proceso de oxígeno básico, como el del hogar abierto, se emplea generalmente para producir altos tonelajes de acero con un bajo nivel de carbono, que son los de mayor consumo. Estos aceros con bajo nivel de carbono se utilizan para barras, perfiles y planchas gruesas y delgadas.

HORNO DE ARCO ELECTRICO Es el más versátil de todos los hornos para fabricar acero. No solamente puede proporcionar altas temperaturas, hasta 1.930ºC, sino que también puede controlarse eléctricamente con un alto grado de precisión. Debido a que no se emplea combustible alguno, no se introduce ningún tipo de impurezas. El resultado es un acero más limpio. Consecuentemente, puede producir todo tipo de aceros, desde aceros con regular contenido de carbono hasta aceros de alta aleación, tales como aceros para herramientas, aceros inoxidables y aceros especiales para los cuales se emplea principalmente. Otras ventaja sobre el Horno de Oxígeno Básico es que puede operar con grandes cargas de chatarra y sin hierro fundido. El Horno de Arco Eléctrico se carga con chatarra de acero cuidadosamente seleccionada. El arrabio fundido se emplea raramente. Si la carga de chatarra es muy baja en carbono, se agrega coque (el cual es casi puro carbono) o electrodos de carbono de desecho, para aumentar así su nivel. Al aplicarse la corriente eléctrica, la formación del arco entre los electrodos gigantes produce un calor intenso. Cuando la carga se ha derretido completamente, se agregan dentro del horno cantidades medidas de los elementos de aleación requeridos. La masa fundida resultante se calienta, permitiendo que se quemen las impurezas y que los elementos de aleación se mezclen completamente.

Para acelerar la remoción del carbono, el oxígeno gaseoso se introduce generalmente en forma directa dentro de acero fundido por medio de un tubo o lanza. El oxígeno quema el exceso de carbono y algunas de las impurezas, mientas otras se desprenden como escoria por la acción de varios fundentes. Cuando la composición química de la masa fundida cumple con las especificaciones, el horno se inclina para verter el acero fundido dentro de una olla de colada. Este horno puede producir una hornada de acero en un período de dos a seis horas, dependiendo del horno individual.

CONCLUCIONES En el proceso de fundición se utiliza el tipo de fundición en arena este método de fundición nos enseña que podemos utilizar diferentes materiales para poder lograr las necesidades que se nos presenta BIBLIOGRAFIA https://prezi.com/bdff0qcezf8z/proceso-de-fundicion-de-metales/?fbclid=IwAR0dgRE9wq1GZ73cq7gkaQYcBeSQDmIhnCpMVDsziYOX7NSF9kR3AM2AKY http://www.infoacero.cl/acero/hornos.htm?fbclid=IwAR1z8wJNSRUEGlIfkwHGVR6mXRekfKvc3BV58XrFpeLckC0Xs_Q6dHCW5E https://www.unioviedo.es/sid-metmat/TECNOLOGIASIDEROMETALURGICA/La%20Metalurgia%20del%20Cobre%20(web).pdf?fbclid=I wAR2qFbjv-c4MukLp06GaBlSWHEBGxm6Cd_Q2fVwMnjO-b-GBbpgHtFPPgsY