La fundición es un proceso de aplicación de calor y un agente reductor químico a un mineral para extraer el producto de metal base deseado . [1] Es una forma de metalurgia extractiva que se utiliza para obtener muchos metales como hierro , cobre , plata , estaño , plomo y zinc . La fundición utiliza calor y un agente reductor químico para descomponer el mineral, eliminando otros elementos como gases o escoria y dejando atrás el metal. El agente reductor suele ser una fuente de carbono de combustible fósil , como el monóxido de carbono procedente de la combustión incompleta del coque o, en épocas anteriores, del carbón vegetal . [2] El oxígeno del mineral se une al carbono a altas temperaturas ya que la energía potencial química de los enlaces del dióxido de carbono (CO 2 ) es menor que la de los enlaces del mineral.
Los minerales de sulfuro, como los que se utilizan comúnmente para obtener cobre, zinc o plomo, se tuestan antes de fundirlos para convertir los sulfuros en óxidos, que se reducen más fácilmente al metal. La tostación calienta el mineral en presencia de oxígeno del aire, oxidando el mineral y liberando azufre en forma de dióxido de azufre gaseoso.
La fundición se lleva a cabo principalmente en un alto horno para producir arrabio , que se convierte en acero .
Las plantas para la reducción electrolítica del aluminio se denominan fundiciones de aluminio .
La fundición implica algo más que simplemente fundir el metal a partir de su mineral. La mayoría de los minerales son el compuesto químico del metal y otros elementos, como el oxígeno (como óxido ), el azufre (como sulfuro ) o el carbono y el oxígeno juntos (como carbonato ). Para extraer el metal, los trabajadores deben hacer que estos compuestos sufran una reacción química . La fundición, por tanto, consiste en utilizar sustancias reductoras adecuadas que se combinan con aquellos elementos oxidantes para liberar el metal.
En el caso de los sulfuros y carbonatos, un proceso llamado " tostación " elimina el carbono o azufre no deseado, dejando un óxido que puede reducirse directamente. El tueste suele realizarse en un ambiente oxidante. Algunos ejemplos prácticos:
La reducción es el paso final de alta temperatura en la fundición, en el que el óxido se convierte en el metal elemental. Un entorno reductor (a menudo proporcionado por el monóxido de carbono, producido por una combustión incompleta en un horno sin aire) extrae los átomos finales de oxígeno del metal en bruto. La fuente de carbono actúa como reactivo químico para eliminar el oxígeno del mineral, produciendo el elemento metálico purificado como producto. La fuente de carbono se oxida en dos etapas. Primero, el carbono (C) se quema con el oxígeno (O 2 ) del aire para producir monóxido de carbono (CO). En segundo lugar, el monóxido de carbono reacciona con el mineral (por ejemplo, Fe 2 O 3 ) y elimina uno de sus átomos de oxígeno, liberando dióxido de carbono (CO 2 ). Después de sucesivas interacciones con el monóxido de carbono, todo el oxígeno del mineral se eliminará, dejando el elemento metálico en bruto (por ejemplo, Fe). [5] Como la mayoría de los minerales son impuros, a menudo es necesario utilizar fundentes , como piedra caliza (o dolomita ), para eliminar la ganga de roca que los acompaña como escoria. Esta reacción de calcinación emite dióxido de carbono.
La temperatura requerida varía tanto en términos absolutos como en términos del punto de fusión del metal base. Ejemplos:
Los fundentes son materiales que se agregan al mineral durante la fundición para catalizar las reacciones deseadas y unirse químicamente a impurezas o productos de reacción no deseados. Para este fin se suele utilizar carbonato de calcio u óxido de calcio en forma de cal , ya que reaccionan con las impurezas de azufre, fósforo y silicio para permitir su fácil separación y eliminación en forma de escoria. Los fundentes también pueden servir para controlar la viscosidad y neutralizar ácidos no deseados.
El fundente y la escoria pueden proporcionar un servicio secundario una vez completado el paso de reducción; Proporcionan una cubierta fundida sobre el metal purificado, evitando el contacto con el oxígeno mientras aún están lo suficientemente calientes como para oxidarse fácilmente. Esto evita que se formen impurezas en el metal.
Los minerales de metales básicos suelen ser sulfuros. En los últimos siglos, se han utilizado hornos de reverbero para mantener la carga que se funde separada del combustible. Tradicionalmente, se utilizaban para el primer paso de la fundición: formar dos líquidos, uno una escoria de óxido que contiene la mayoría de las impurezas y el otro una mata de sulfuro que contiene el valioso sulfuro metálico y algunas impurezas. Estos hornos de "reverberación" miden hoy unos 40 metros de largo, 3 metros de alto y 10 metros de ancho. El combustible se quema en un extremo para fundir los concentrados de sulfuro secos (normalmente después de una tostación parcial) que se introducen a través de aberturas en el techo del horno. La escoria flota sobre la mata más pesada y se retira y se desecha o se recicla. La mata de sulfuro se envía luego al convertidor . Los detalles precisos del proceso varían de un horno a otro dependiendo de la mineralogía del yacimiento.
Si bien los hornos de reverbero producían escorias que contenían muy poco cobre, eran relativamente ineficientes desde el punto de vista energético y liberaban una baja concentración de dióxido de azufre que era difícil de capturar; una nueva generación de tecnologías de fundición de cobre las ha suplantado. [9] Los hornos más recientes explotan la fundición por baño, la fundición con lanza de chorro superior, la fundición instantánea y los altos hornos. Algunos ejemplos de fundiciones en baño incluyen el horno Noranda, el horno Isasmelt , el reactor Teniente, la fundición Vunyukov y la tecnología SKS. Las fundiciones de lanza de chorro superior incluyen el reactor de fundición Mitsubishi. Las fundiciones flash representan más del 50% de las fundiciones de cobre del mundo. Hay muchas más variedades de procesos de fundición, incluidos Kivset, Ausmelt, Tamano, EAF y BF.
De los siete metales conocidos en la antigüedad , sólo el oro se encuentra regularmente en la naturaleza como metal nativo . Los demás ( cobre , plomo , plata , estaño , hierro y mercurio ) se encuentran principalmente como minerales, aunque ocasionalmente se encuentra cobre nativo en cantidades comercialmente significativas. Estos minerales son principalmente carbonatos , sulfuros u óxidos del metal, mezclados con otros componentes como sílice y alúmina . Tostar los minerales de carbonato y sulfuro en el aire los convierte en óxidos. Los óxidos, a su vez, se funden en el metal. El monóxido de carbono era (y es) el agente reductor elegido para la fundición. Se produce fácilmente durante el proceso de calentamiento y, como gas, entra en contacto íntimo con el mineral.
En el Viejo Mundo , los humanos aprendieron a fundir metales en tiempos prehistóricos , hace más de 8000 años. El descubrimiento y uso de los metales "útiles" (cobre y bronce al principio, luego hierro unos milenios más tarde) tuvo un enorme impacto en la sociedad humana. El impacto fue tan generalizado que los estudiosos tradicionalmente dividen la historia antigua en Edad de Piedra , Edad del Bronce y Edad del Hierro .
En América , las civilizaciones preincas de los Andes centrales en Perú habían dominado la fundición de cobre y plata al menos seis siglos antes de que llegaran los primeros europeos en el siglo XVI, pero nunca dominaron la fundición de metales como el hierro para su uso con armas. artesanía. [10]
En el Viejo Mundo , los primeros metales fundidos fueron el estaño y el plomo. Las cuentas de plomo fundidas más antiguas conocidas se encontraron en el sitio de Çatalhöyük en Anatolia ( Turquía ) y datan de alrededor del 6500 a. C., [11] pero es posible que el metal se conociera antes. [ cita necesaria ]
Dado que el descubrimiento ocurrió varios milenios antes de la invención de la escritura, no existe ningún registro escrito de cómo se hizo. Sin embargo, el estaño y el plomo se pueden fundir colocando los minerales en un fuego de leña, lo que deja la posibilidad de que el descubrimiento haya ocurrido por accidente. [ cita necesaria ] Sin embargo, estudios recientes han puesto en duda este hallazgo. [12]
El plomo es un metal común, pero su descubrimiento tuvo relativamente poco impacto en el mundo antiguo. Es demasiado blando para usarlo en elementos estructurales o armas, aunque su alta densidad en relación con otros metales lo hace ideal para lanzar proyectiles. Sin embargo, dado que era fácil de moldear y darle forma, los trabajadores del mundo clásico de la Antigua Grecia y la Antigua Roma lo utilizaron ampliamente para canalizar y almacenar agua. También lo utilizaron como mortero en construcciones de piedra. [13] [14]
El estaño era mucho menos común que el plomo, es sólo marginalmente más duro y tenía incluso menos impacto por sí solo.
Después del estaño y el plomo, el siguiente metal fundido parece haber sido el cobre. Se debate cómo se produjo el descubrimiento. Las fogatas están a unos 200 °C menos que la temperatura necesaria, por lo que algunos proponen que la primera fundición de cobre pudo haber ocurrido en hornos de cerámica . [15] (El desarrollo de la fundición de cobre en los Andes, que se cree que ocurrió independientemente del Viejo Mundo , puede haber ocurrido de la misma manera. [10] )
La evidencia actual más antigua de fundición de cobre, que data de entre 5500 a. C. y 5000 a. C., se ha encontrado en Pločnik y Belovode, Serbia. [16] [17] Una cabeza de maza encontrada en Turquía y que data del 5000 a. C., que alguna vez se pensó que era la evidencia más antigua, ahora parece ser cobre nativo martillado. [18]
Combinando cobre con estaño y/o arsénico en las proporciones adecuadas se produce bronce , una aleación significativamente más dura que el cobre. Los primeros bronces de cobre/arsénico datan del 4200 a.C. en Asia Menor . Las aleaciones de bronce de los incas también eran de este tipo. El arsénico suele ser una impureza en los minerales de cobre, por lo que el descubrimiento podría haberse realizado por accidente. Finalmente, se agregaron intencionalmente minerales que contienen arsénico durante la fundición. [ cita necesaria ]
Los bronces de cobre y estaño, más duros y duraderos, se desarrollaron alrededor del 3500 a. C., también en Asia Menor. [19]
Se desconoce cómo aprendieron los herreros a producir bronces de cobre y estaño. Los primeros bronces de este tipo pueden haber sido un accidente afortunado procedente de minerales de cobre contaminados con estaño. Sin embargo, en el año 2000 a. C., la gente extraía estaño a propósito para producir bronce, lo cual es notable ya que el estaño es un metal semi-raro, e incluso un rico mineral de casiterita solo tiene un 5% de estaño. Independientemente de cómo los primeros pueblos aprendieron sobre el estaño, en el año 2000 a.C. entendieron cómo usarlo para fabricar bronce. [ cita necesaria ]
El descubrimiento de la fabricación de cobre y bronce tuvo un impacto significativo en la historia del Viejo Mundo . Los metales eran lo suficientemente duros como para fabricar armas más pesadas, más fuertes y más resistentes al daño por impacto que sus equivalentes de madera, hueso o piedra. Durante varios milenios, el bronce fue el material elegido para armas como espadas , dagas , hachas de batalla y puntas de lanzas y flechas , así como para equipos de protección como escudos , cascos , grebas (espinilleras de metal) y otras armaduras corporales . El bronce también sustituyó a la piedra, la madera y los materiales orgánicos en herramientas y utensilios domésticos, como cinceles , sierras , azuelas , clavos , tijeras , cuchillos , agujas y alfileres de coser , jarras , ollas y calderos , espejos y arneses para caballos . [ cita necesaria ] El estaño y el cobre también contribuyeron al establecimiento de redes comerciales que abarcaron grandes áreas de Europa y Asia y tuvieron un efecto importante en la distribución de la riqueza entre individuos y naciones. [ cita necesaria ]
La evidencia más temprana de la fabricación de hierro es una pequeña cantidad de fragmentos de hierro con las cantidades apropiadas de mezcla de carbono encontrados en las capas protohititas en Kaman-Kalehöyük y que datan de 2200-2000 a . C. [20] Souckova-Siegolová (2001) muestra que los implementos de hierro se fabricaron en Anatolia Central en cantidades muy limitadas alrededor de 1800 a. C. y fueron utilizados en general por las élites, aunque no por los plebeyos, durante el Nuevo Imperio Hitita (~1400-1200 a. C.). . [21]
Los arqueólogos han encontrado indicios de trabajo del hierro en el Antiguo Egipto , en algún lugar entre el Tercer Período Intermedio y la XXIII Dinastía (ca. 1100-750 a. C.). Sin embargo, es significativo que no hayan encontrado evidencia de fundición de mineral de hierro en ningún período (premoderno). Además, hace unos 2000 años (alrededor del siglo I d.C.) en el noroeste de Tanzania se producían ejemplares muy antiguos de acero al carbono , basados en complejos principios de precalentamiento. Estos descubrimientos son importantes para la historia de la metalurgia. [22]
La mayoría de los primeros procesos en Europa y África implicaban fundir mineral de hierro en un florero , donde la temperatura se mantenía lo suficientemente baja para que el hierro no se derritiera. Esto produce una masa esponjosa de hierro llamada flor, que luego debe consolidarse con un martillo para producir hierro forjado . La evidencia más antigua hasta la fecha de la fundición de hierro se encuentra en Tell Hammeh , Jordania ([1]), y data del 930 a. C. ( data C14 ).
A partir de la época medieval, comenzó un proceso indirecto que sustituyó a la reducción directa de florituras. Este utilizaba un alto horno para fabricar arrabio , que luego tenía que someterse a un proceso adicional para fabricar barras de hierro forjado. Los procesos para la segunda etapa incluyen el clarificación en una fragua de galas . En el siglo XIII, durante la Alta Edad Media, China introdujo el alto horno, que lo había estado utilizando desde el año 200 a.C. durante la dinastía Qin . [2] El charco también se introdujo en la Revolución Industrial .
Ambos procesos están ahora obsoletos y rara vez se fabrica hierro forjado. En cambio, el acero dulce se produce a partir de un convertidor Bessemer o por otros medios, incluidos procesos de reducción por fundición como el proceso Corex .
La fundición tiene graves efectos sobre el medio ambiente , ya que produce aguas residuales y escorias y libera metales tóxicos como cobre , plata, hierro, cobalto y selenio a la atmósfera. [23] Las fundiciones también liberan dióxido de azufre gaseoso , lo que contribuye a la lluvia ácida , que acidifica el suelo y el agua. [24]
La fundición de Flin Flon, Canadá, fue una de las mayores fuentes puntuales de mercurio en América del Norte en el siglo XX. [25] [26] Incluso después de que las emisiones de las fundiciones se redujeran drásticamente, la reemisión del paisaje continuó siendo una importante fuente regional de mercurio. Es probable que los lagos reciban contaminación por mercurio de la fundición durante décadas, tanto por las reemisiones que regresan en forma de agua de lluvia como por la lixiviación de metales del suelo. [25]
Los contaminantes del aire generados por las fundiciones de aluminio incluyen sulfuro de carbonilo , fluoruro de hidrógeno , compuestos policíclicos , plomo, níquel , manganeso , bifenilos policlorados y mercurio . [27] Las emisiones de las fundiciones de cobre incluyen arsénico, berilio , cadmio , cromo , plomo, manganeso y níquel. [28] Las fundiciones de plomo suelen emitir arsénico, antimonio , cadmio y diversos compuestos de plomo. [29] [30] [31]
Los contaminantes de las aguas residuales vertidos por las plantas siderúrgicas incluyen productos de gasificación como benceno , naftaleno , antraceno , cianuro , amoníaco , fenoles y cresoles , junto con una gama de compuestos orgánicos más complejos conocidos colectivamente como hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH). [32] Las tecnologías de tratamiento incluyen el reciclaje de aguas residuales; balsas de sedimentación , clarificadores y sistemas de filtración para eliminación de sólidos; skimmers y filtración de petróleo; precipitación química y filtración de metales disueltos; adsorción de carbono y oxidación biológica de contaminantes orgánicos; y evaporación. [33]
Los contaminantes generados por otros tipos de fundiciones varían según el mineral de metal base. Por ejemplo, las fundiciones de aluminio suelen generar fluoruro , benzo(a)pireno , antimonio y níquel, además de aluminio. Las fundiciones de cobre suelen descargar cadmio, plomo, zinc , arsénico y níquel, además de cobre. [34] Las fundiciones de plomo pueden descargar antimonio , amianto, cadmio, cobre y zinc, además de plomo. [35]
Los trabajadores que trabajan en la industria de la fundición han informado que enfermedades respiratorias inhiben su capacidad para realizar las tareas físicas que exigen sus trabajos. [36]
En Estados Unidos, la Agencia de Protección Ambiental ha publicado normas de control de la contaminación para las fundiciones.
El programa de fundición conforme a RMI
A medida que crece el uso de minerales conflictivos , se han lanzado numerosas iniciativas para contrarrestar el problema. Fomentan prácticas responsables de abastecimiento de minerales en regiones en circunstancias de conflicto, abuso de derechos humanos o explotación laboral.
La Iniciativa de Minerales Responsables, RMI, ha desarrollado un conjunto de ideales y directrices para las fundiciones, incluido el Programa de Fundición Conforme. El programa es un programa de certificación y auditoría de terceros que evalúa el desempeño de las fundiciones en el abastecimiento responsable de minerales. [40] Este programa se adhiere a las directrices de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos, OCDE. Publicado en la Guía de debida diligencia de la OCDE para cadenas de suministro responsables de minerales en áreas afectadas por conflictos y de alto riesgo. La OCDE es un organismo centrado en políticas para mejorar las prácticas globales. [41]
El enfoque del programa es evaluar fundiciones en:
Las fundiciones que cumplen con los estándares de RMI obtienen reconocimiento en las listas de fundidores y refinadores conformes de RMI.
Este no es el único programa que regula la industria de la fundición; programas de auditoría adicionales incluyen:
De manera similar, al Programa de Fundición Conforme de RMI, estas entidades cumplen con las directrices de la OCDE y promueven la gestión ética y ambiental de la cadena de suministro. Sin embargo, las organizaciones nombradas tienen diferentes pautas adicionales, por lo que las únicas auditorías cruzadas reconocidas con el RMI son:
