Metalurgica y Tecnologia Mecanica: Metales No Ferrosos

Aluminio

Producción del aluminio: El aluminio es uno de los elementos más abundantes de la corteza terrestre (8 %) y uno de los metales más caros en obtener. La producción anual se cifra en unos 33,1 millones de toneladas, siendo China y Rusia los productores más destacados, con 8,7 y 3,7 millones respectivamente. Una parte muy importante de la producción mundial es producto del reciclaje. En 2005

suponía aproximadamente un 20 % de la producción total.

La materia prima a partir de la cual se extrae el aluminio es la bauxita, que recibe su nombre de la localidad francesa de Les Baux, donde fue extraída por primera vez. Actualmente los principales yacimientos se encuentran en el Caribe, Australia, Brasil y África porque la bauxita extraída allí se disgrega con más facilidad. Es un mineral rico en aluminio, entre un 20 % y un 30 % en masa, frente al 10 % o 20 % de los silicatos alumínicos existentes en arcillas y carbones. Es un aglomerado de diversos compuestos que contiene caolinita, cuarzo óxidos de hierro y titania.

La obtención del aluminio se realiza en dos fases: la extracción de la alúmina a partir de la bauxita y la extracción del aluminio a partir de esta última mediante electrolisis. Cuatro toneladas de bauxita producen dos toneladas de alúmina y, finalmente, una de aluminio. El proceso Bayer comienza con el triturado de la bauxita y su lavado con una solución caliente de hidróxido de sodio a alta presión y temperatura. La sosa disuelve los compuestos del aluminio, que al encontrarse en un medio fuertemente básico, se hidratan.

Los materiales no alumínicos se separan por decantación. La solución cáustica del aluminio se enfría luego para recristalizar el hidróxido y separarlo de la sosa, que se recupera para su ulterior uso. Finalmente, se calcina el hidróxido de aluminio a temperaturas cercanas a 1000°C, para formar la alúmina.

El óxido de aluminio así obtenido tiene un punto de fusión muy alto (2000 °C) que hace imposible someterlo a un proceso de electrolisis. Para salvar este escollo se disuelve en un baño de criolita, obteniéndo una mezcla eutéctica con un punto de fusión de 900 °C. A continuación se procede a la electrólisis, que se realiza sumergiendo en la cuba unos electrodos decarbono, dispuestos en horizontal. Cada tonelada de aluminio requiere entre 17 y 20 MWh de energía para su obtención, y consume en el proceso 460 kg de carbono, lo que supone entre un 25 % y un 30 % del precio final del producto, convirtiendo al aluminio en uno de los metales más caros de obtener. De hecho, se están buscando procesos alternativos menos costosos que el proceso electrolítico. El aluminio obtenido tiene un pureza del 99,5 % al 99,9 %, siendo las impurezas de hierro y silicio principalmente. De las cubas pasa al horno donde es purificado mediante la adición de un fundente o se alea con otros metales con objeto de obtener materiales con propiedades específicas. Después se vierte en moldes o se hacen lingotes o chapas.

Características:

El aluminio tiene 3 tipos de características:

Físicas: El aluminio es un elemento muy abundante en la naturaleza, solo aventajado por el oxígeno. Se trata de un metal ligero, con una densidad de 2700 kg/m³, y con un bajo punto de fusión (660 °C). Su color es blanco y refleja bien la radiación electromagnética del espectro visible y el térmico. Es buen conductor eléctrico y térmico.

Mecánicas: Es un material blando y maleable. En estado puro tiene un límite de resistencia en tracción. Todo ello le hace adecuado para la fabricación de cables eléctricos y láminas delgadas, pero no como elemento estructural. Para mejorar estas propiedades se alea con otros metales, lo que permite realizar sobre él operaciones de fundición y forja, así como la extrusión del material. También de esta forma se utiliza como soldadura.

Químicas: La capa de valencia del aluminio está poblada por tres electrones, por lo que su estado normal de oxidación es 3. Esto hace que reaccione con el oxígeno de la atmósfera formando con rapidez una fina capa gris mate de alúmina, que recubre el material, aislándolo de ulteriores corrosiones. Esta capa puede disolverse con ácido cítrico. A pesar de ello es tan estable que se usa con frecuencia para extraer otros metales de sus óxidos. Por lo demás, el aluminio se disuelve en ácidos y bases. Reacciona con facilidad con el ácido clorhídrico y el hidróxido sódico.

Usos: Hoy en día, tan solo superado por el hierro/acero. El aluminio se usa en forma pura, aleado con otros metales o en compuestos no metálicos. En estado puro se aprovechan sus propiedades ópticas para fabricar espejos domésticos e industriales, como pueden ser los de los telescopios reflectores. Su uso más popular, sin embargo, es como papel aluminio, que consiste en láminas de material con un espesor tan pequeño que resulta fácilmente maleable y apto por tanto para embalaje alimentario. También se usa en la fabricación de latas y tetrabriks.

Por sus propiedades eléctricas es un buen conductor, capaz de competir en coste y prestaciones con el cobre tradicional. Dado que, a igual longitud y masa, el conductor de aluminio tiene poco menos conductividad, resulta un componente útil para utilidades donde el exceso de peso es importante. Es el caso de la aeronáutica y de los tendidos eléctricos donde el menor peso implica en un caso menos gasto de combustible y mayor autonomía, y en el otro la posibilidad de separar las torres de alta tensión.

Además de eso, aleado con otros metales, se utiliza para la creación de estructuras portantes en la arquitectura y para fabricar piezas industriales de todo tipo de vehículos y calderería. También está presente en enseres domésticos tales como utensilios de cocina y herramientas. Se utiliza asimismo en la soldadura aluminotérmica y como combustible químico y explosivo por su alta reactividad. Como presenta un buen comportamiento a bajas temperaturas, se utiliza para fabricar contenedores criogénicos. Cuanto más puro, será más liviano y en algunas piezas de aviación, tendrá una alta resistencia gracias al oxígeno que lo compone.

Estaño

Historia del estaño: La extracción del estaño y uso empezó desde los inicios de la Edad de Bronce alrededor de 3000 A.C, cuando se observó que objetos de cobre formados de mineral polimetálico con diferentes proporciones de metal tenían diferentes propiedades físicas.

La primera evidencia de estaño para hacer bronce aparece en los Balcanes alrededor del 3000 A.C. Es aún incierto donde se extrajo estaño por primera vez, dado que los depósitos de estaño son muy raros y la evidencia de extracciones es escasa. El primer sitio de extracción de Europa estaba situado en Erzgebirge en la frontera entre Alemania y la República Checa y data del 2500 a. C. Desde ahí, el estaño era comercializado al norte hacia el Mar Báltico y al sur hacia el Mediterráneo siguiendo la ruta del ámbar. El conocimiento de la extracción de estaño se esparció a otros sitios en Europa y evidencia de extracción de estaño empezó a surgir en Brittany, Devon, Cornwall y en la Península Ibérica alrededor del 2000 A.C. Esos depósitos vieron mayor explotación cuando cayendo bajo el control de Roma entre el siglo 3 D.C y el siglo 1 A.C. la demanda por estaño creó una larga red entre las culturas mediterráneas de la Antigüedad clásica.

Producción del estaño: En 2006, la producción mundial de estaño fue de 321,000 toneladas. La producción fundida fue de 340,000 toneladas. Desde el nivel de 186,300 toneladas en 1991 en que se había mantenido por décadas, la producción de estaño se incrementó 89% a 351,8000 toneladas en 2005. Gran parte del incremento vino de China e Indonesia, llegando a su pique más alto en 2004-2005, cuando se incrementó un 23%. Mientras que Malasia fue el mayor productor, con cerca de la tercera parte de la producción mundial, ésta cayó rápidamente y ahora permanece como centro importante de fundición y comercialización. En 2007, China fue el mayor productor de estaño, donde los depósitos de estaños están concentrados en el cinturón de estaño en el sureste, en Yunnan, con cerca del 43% de la producción mundial, seguido por Indonesia, con una producción similar y Perú en un tercer lugar de acuerdo a la USGS.

Obtención del estaño: El estaño se obtiene del mineral casiterita en donde se presenta como óxido. Dicho mineral se muele y se enriquece en dióxido de estaño por flotación, después se tuesta y se calienta con coque en un horno de reverbero con lo cual se obtiene el metal.

Características: Es un metal plateado, maleable, que se oxida fácilmente, a temperatura ambiente, cambiando de color a un gris mas opaco, y es resistente a la corrosión. Se encuentra en muchas aleaciones y se usa para recubrir otros metales protegiéndolos de la corrosión. Una de sus características más llamativas es que bajo determinadas condiciones sufre la peste del estaño. Al doblar una barra de este metal se produce un sonido característico llamado grito del estaño, producido por la fricción de los cristales que la componen. Por debajo de los -18°C empieza a descomponerse y a convertirse en un polvo gris; a este proceso se lo conoce como peste del estaño. El estaño puro tiene dos variantes alotrópicas: el estaño gris, polvo no metálico, semiconductor, de estructura cúbica y estable a temperaturas inferiores a 13,2 °C, que es muy frágil y tiene un peso específico más bajo que el blanco. El estaño blanco, el normal, metálico, conductor eléctrico, de estructura tetragonal y estable a temperaturas por encima de 13,2 °C.

Usos:

*Se usa como protector del cobre, del hierro y de diversos metales usados en la fabricación de latas de conserva.

*También se usa para disminuir la fragilidad del vidrio.

*Los compuestos de estaño se usan para fungicidas, tintes, dentífricos y pigmentos.

*Se usa para realizar bronce, aleación de estaño y cobre.

*Se usa para la soldadura blanda, aleado con plomo.

*Se usa en aleación con plomo para fabricar la lámina de los tubos de los órganos musicales.

*Tiene utilidad en etiquetas.

*Recubrimiento de acero.

*Se usa como material de aporte en soldadura blanda con cautín, bien puro o aleado. La directiva RoHS prohíbe el uso de plomo en la soldadura de determinados aparatos eléctricos y electrónicos.

*El estaño también se utiliza en la industria de la cerámica para la fabricación de los esmaltes cerámicos. Su función es la siguiente: en baja y en alta es un opacificante. En alta la proporción del porcentaje es más alto que en baja temperatura.

Es usado también en el sobretaponado de botellas de vino, en forma de cápsula. Su uso se extendió tras la prohibición del uso del plomo en la industria alimentaria. España es uno de los mayores fabricantes de cápsulas de estaño.

Cobre

Obtención del cobre: El cobre se encuentra en la naturaleza generalmente formando minerales. Los minerales de cobre explotados actualmente son:

Minerales de cobre nativo: Contienen cobre puro. Los yacimientos más importantes están en estados unidos y Bolivia.

Minerales sulfatados: Son los mas difundidos. Entre los más importantes se encuentran la pirita cuprosa o colcapirita y la colcocina.

Minerales oxidados: Dentro de esta categoría los mas importante son la cuprita (oxido rojo), la melaconita (oxido negro) y la malaquita (carbonato verde). Los yacimientos más importantes están en estados unidos chile y rodesia.

Producción del cobre:

1) Mineral de cobre.

2) El mineral es triturado-cribado-molido.

3) Posteriormente pasa a través de una criba o cedazo. Los trozos grandes se pasan de nuevo por la trituradora.

4) El mineral cribado se hace pasar por un molino de bolas. Las bolas de acero, al girar, pulverizan los trozos de mineral.

5) Dentro de un recipiente, con agua en abundancia, se introduce el mineral de cobre, en polvo, y se agita con objeto de eliminar la ganga (rocas y tierra pulverizada).

6) Un horno de pisos permite una oxidación parcial del mineral en polvo, con lo que se consigue separar el hierro del cobre.

7) Añadiendo sílice a la masa líquida del mineral fundido, en un horno de reverbero, se consigue separar el azufre, haciendo que se unan entre si y floten a la superficie, formando la escoria. El cobre que se obtiene aquí se llama cobre bruto o cobre blister. Su pureza suele ser del 40 por 100.

8) Por último, para obtener un cobre de una pureza igual o superior al 99,95 por 100, es necesario un refinado electrolítico.

9) obtención del cobre puro.

Características:

Sus características solo se obtienen en su superficie que adquiere un color verde.

Su densidad es de 8,8kg/dm.

Su resistencia a la atracción varia, desde 20 a 45 kg/mm.

Es maleable, se pueden hacer láminas de hasta 0,02 mm de espesor.

Es muy dúctil, pudiendo estirarse en finos hilos.

Tiene una conductividad térmica y eléctrica muy alta.

Usos: El cobre forma parte del mundo que nos rodea. Está en nuestras casas y en los lugares donde trabajamos o estudiamos, en los medios que utilizamos para transportarnos, en artefactos sofisticados y artesanales, en las computadoras y las industrias, en pequeños adornos y en grandes estatuas.

Su presencia puede pasar desapercibida, pero está allí, utilizado como un material resistente, durable, reciclable y con alta conductividad térmica y eléctrica. Son propiedades que garantizan su vigencia como una materia prima esencial para la construcción de la civilización iniciada hace miles de años.

Cromo-vanadio

Propiedades del cromo-vanadio: es un tipo especial de acero formado por la combinación de diferentes aleaciones. Las propiedades mecánicas de cromo vanadio física, química, y dar las tolerancias específicas de carga, resistencia a la corrosión, dureza, y las características de comportamiento, que lo convierten en una sustancia ideal para algunas aplicaciones. En el sector manufacturero, de acero cromo vanadio y se trata térmicamente antes de la construcción atraídos, dando la propiedad de resistir cargas de impacto a temperaturas elevadas. Es un metal suave, de color blanco agrisado, maleable y de transición dúctil. La formación de una capa de óxido del metal estabiliza al elemento contra la oxidación.

Su historia: El vanadio fue descubierto originalmente por Andrés Manuel del Río, mineralogista hispano-mexicano, en 1801; en una mina cercana a Real del Monte y Pachuca, en el actual municipio de Zimapán, Hidalgo, por lo que lo denominó "Zimapanio". Del Río extrajo el elemento de una muestra de plomo "marrón" de mineral mexicano, más tarde llamado Vanadinita. Encontró que sus sales presentaban una gran variedad de colores, y como resultado llamó al elemento panchromium (en griego significa "todos los colores"). Más tarde, Del Río cambió el nombre del elemento a Eritronium, ya que la mayoría de sus sales al calentar tomaron una tonalidad rojiza. En 1805, el químico francés Hippolyte Victor Collet-Descotils, respaldado por Alexander von Humboldt, declararon incorrectamente que el nuevo elemento había sido solo una muestra impura de cromo. Del Río aceptó la declaración de Collet-Descotils, y se retractó de su afirmación.

En 1831, el químico sueco, Nils Gabriel Sefström, redescubrió el elemento en un óxido mientras trabajaba con minerales de hierro. Más tarde, ese mismo año, Friedrich Wöhler confirmó los principios de la obra de Del Río. Sefström eligió un nombre que comenzase con V, ya que la letra no había sido asignada aún a ningún otro elemento. Lo llamó vanadio en honor a la diosa escandinava Vanadis, nombre que oficialmente mantiene hasta la fecha, debido a los numerosos compuestos químicos de colores que produce. En 1831, el geólogo George William Featherstonhaugh sugirió que el vanadio debería llamarse "rionium" en honor a Del Río, pero esta sugerencia no fue seguida.

El aislamiento del vanadio fue difícil. En 1831, Jöns Jacob Berzelius informó la producción del metal, pero Henry Enfield Roscoe demostró que en realidad había producido nitruro de vanadio (VN). Roscoe produjo finalmente el metal en 1867 por la reducción de vanadio, con el hidrógeno. En 1927, se produjo vanadio puro por la reducción de pentóxido de vanadio con calcio. El primer uso a gran escala industrial del vanadio en el acero se encontró en el chasis del Ford T, inspirado en los autos de carreras franceses. El acero de vanadio permitió reducir el peso y al mismo tiempo aumentar la fuerza de tracción.

Su composición: Cromo-vanadio se forma por la combinación de los productos químicos en diferentes proporciones. El porcentaje de cada componente constituyente de la formación se basa en las características solicitadas por el producto terminado. Típicamente, cromo vanadio contiene una alta cantidad de cromo, entre 0,80 y 1,10 por ciento, y el contenido de vanadio es de aproximadamente 0,18 por ciento, con 0,70-0,90 por ciento de manganeso. Otras sustancias son 0,50 por ciento de carbono, 0,30 por ciento de silicio, y trazas de otros metales. Cuando se alteran las proporciones, las propiedades globales de acero cromo vanadio pueden cambiar y pueden comportarse de manera diferente en algunas aplicaciones

Obtención de cromo-vanadio: El vanadio no se encuentra nunca en estado nativo, pero está presente en unos 65 minerales diferentes, entre los que destacan la patronita, vanadinita y la carnotita. También se encuentra en la bauxita, así como en depósitos que contienen carbono, como por ejemplo en carbón, petróleos, crudo y alquitrán. Está presente en el petróleo formando estructuras tipo porfirinas. Además, se obtiene pentóxido de vanadio, recuperándolo de la combustión del petróleo.

Los vanadatos se disuelven mediante una fusión alcalina. En medio ácido y tras otros procesos se obtiene el vanadato que se reduce parcialmente con carbono, y luego con calcio en atmósfera de argón para obtener vanadio metálico

En el caso de que no se parta de un mineral que contenga el vanadato, sino un sulfuro, éste se oxida para obtener el vanadato y se realiza el mismo procedimiento para obtener vanadio.

El vanadio también se encuentra en la bauxita y en los depósitos de combustibles fósiles como el petróleo crudo, el carbón, el esquisto bituminoso y las arenas bituminosas. Cuando se queman productos derivados del petróleo, las trazas de vanadio pueden iniciar la corrosión en los motores y calderas. Se estima que 110.000 toneladas de vanadio por año se liberan a la atmósfera por la quema de combustibles fósiles. El vanadio también se ha detectado en la luz espectroscópica del Sol y otras estrellas.

Características: El vanadio es una transición blanca, agrisado, dúctil y brillante. Este metal de transición presenta una alta resistencia a las bases, al ácido sulfúrico y al ácido clorhídrico. Reacciona con el agua regia o con una mezcla de ácido nítrico y fluoruro. Se obtiene de distintos minerales, así como de petróleos. También se puede obtener de la recuperación del óxido de vanadio en polvos procedentes de procesos de combustión. Tiene algunas aplicaciones en atomística debido a su baja sección de captura de neutrones. Es un elemento esencial en algunos seres vivos, aunque no se conoce su función.

Usos: El vanadio es compatible con el hierro y el titanio; por lo tanto, el vanadio es utilizado en revestimientos de titanio y de acero. Los neutrones térmicos moderan la captura de la sección transversal y la corta vida media de los isótopos producidos por captura de neutrones hace al vanadio un material adecuado para la estructura interior de un reactor de fusión. Varias aleaciones de vanadio muestran el comportamiento de superconductor. La primera fase de superconductor era un compuesto de vanadio, que fue descubierto en 1952. La cinta de vanadiato de galio se usa en los imanes superconductores.