La fundición es un proceso de aplicación de calor y un agente reductor químico a un mineral para extraer un 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 es comúnmente una fuente de combustible fósil de carbono , como el monóxido de carbono de la combustión incompleta del coque o, en épocas anteriores, del carbón vegetal . [1] El oxígeno en el mineral se une al carbono a altas temperaturas, ya que la energía potencial química de los enlaces en el dióxido de carbono (CO 2 ) es menor que la de los enlaces en el mineral.
Los minerales de sulfuro, como los que se utilizan habitualmente para obtener cobre, cinc o plomo, se tuestan antes de fundirlos para convertirlos en óxidos, que se reducen más fácilmente a metal. La tuestación calienta el mineral en presencia del oxígeno del aire, lo que lo oxida y libera el azufre en forma de gas de dióxido de azufre .
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 de aluminio se denominan fundiciones de aluminio .
La fundición implica algo más que simplemente fundir el metal a partir de su mena. La mayoría de las menas 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 experimenten una reacción química . La fundición, por tanto, consiste en utilizar sustancias reductoras adecuadas que se combinan con esos elementos oxidantes para liberar el metal.
En el caso de los sulfuros y carbonatos, un proceso llamado " calcinación " elimina el carbono o el azufre no deseados, dejando un óxido que puede reducirse directamente. La calcinación se lleva a cabo normalmente en un entorno 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 monóxido de carbono, creado por combustión incompleta en un horno privado de aire) extrae los átomos de oxígeno finales del metal en bruto. La fuente de carbono actúa como un 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 oxígeno (O 2 ) en el aire para producir monóxido de carbono (CO). Segundo, 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, se eliminará todo el oxígeno del mineral, dejando el elemento metálico en bruto (por ejemplo, Fe). [4] 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 añaden al mineral durante la fundición para catalizar las reacciones deseadas y unirse químicamente a las impurezas o productos de reacción no deseados. El carbonato de calcio o el óxido de calcio en forma de cal se utilizan a menudo para este fin, ya que reaccionan con las impurezas de azufre, fósforo y silicio para permitir que se separen y descarten fácilmente, en forma de escoria. Los fundentes también pueden servir para controlar la viscosidad y neutralizar los ácidos no deseados.
El fundente y la escoria pueden proporcionar un servicio secundario después de que se completa el paso de reducción; proporcionan una cubierta fundida sobre el metal purificado, evitando el contacto con el oxígeno mientras aún está lo suficientemente caliente como para oxidarse fácilmente. Esto evita que se formen impurezas en el metal.
Los minerales de los metales básicos suelen ser sulfuros. En los últimos siglos, se han utilizado hornos de reverbero para mantener la carga que se está fundiendo 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 "reverbero" tienen 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 descarta o se recicla. La mata de sulfuro se envía entonces al convertidor . Los detalles precisos del proceso varían de un horno a otro dependiendo de la mineralogía del yacimiento.
Aunque los hornos de reverbero producían escorias que contenían muy poco cobre, eran relativamente ineficientes en términos de energía y desprendían una baja concentración de dióxido de azufre que era difícil de capturar; una nueva generación de tecnologías de fundición de cobre los ha suplantado. [8] Los hornos más recientes explotan la fundición en baño, la fundición con lanza de chorro superior, la fundición flash 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 con 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 , solo 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 significativas desde el punto de vista comercial. Estos minerales son principalmente carbonatos , sulfuros u óxidos del metal, mezclados con otros componentes como sílice y alúmina . Al tostar los minerales de carbonato y sulfuro en el aire, se convierten en óxidos. Los óxidos, a su vez, se funden para formar el metal. El monóxido de carbono era (y es) el agente reductor preferido 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" (primero el cobre y el bronce, y luego el hierro unos milenios después) tuvo un enorme impacto en la sociedad humana. El impacto fue tan generalizado que los académicos tradicionalmente dividen la historia antigua en Edad de Piedra , Edad de Bronce y Edad de Hierro .
En América , las civilizaciones preincaicas de los Andes centrales del Perú habían dominado la fundición de cobre y plata al menos seis siglos antes de que llegaran los primeros europeos en el siglo XVI, aunque nunca dominaron la fundición de metales como el hierro para su uso en la fabricación de armas. [9]
El cobre fue el primer metal que se fundió. [10] Se debate cómo se produjo el descubrimiento. Las fogatas tienen unos 200 °C menos de la temperatura necesaria, por lo que algunos proponen que la primera fundición de cobre puede haber ocurrido en hornos de cerámica . [11] (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. [9] )
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. [12] [13] Una cabeza de maza encontrada en Turquía y que data de 5000 a. C., que alguna vez se consideró la evidencia más antigua, ahora parece ser cobre nativo martillado. [14]
La combinación de cobre con estaño y/o arsénico en las proporciones adecuadas produce bronce , una aleación que es significativamente más dura que el cobre. Los primeros bronces de cobre y arsénico datan del 4200 a. C. en Asia Menor . Las aleaciones de bronce inca también eran de este tipo. El arsénico es a menudo una impureza en los minerales de cobre, por lo que el descubrimiento podría haberse realizado por accidente. Finalmente, los minerales que contienen arsénico se agregaron intencionalmente durante la fundición. [ cita requerida ]
Los bronces de cobre y estaño, más duros y duraderos, se desarrollaron alrededor del 3500 a. C., también en Asia Menor. [15]
Se desconoce cómo aprendieron los herreros a producir bronces de cobre y estaño. Es posible que los primeros bronces de este tipo hayan sido un accidente afortunado a partir de minerales de cobre contaminados con estaño. Sin embargo, hacia el año 2000 a. C., la gente ya extraía estaño a propósito para producir bronce, lo cual es notable porque el estaño es un metal semiescaso e incluso un mineral rico en casiterita solo tiene un 5 % de estaño. [ cita requerida ]
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 que eran 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 de elección para armas como espadas, dagas, hachas de batalla y puntas de lanza y flecha, así como para equipos de protección como escudos, cascos, grebas (espinilleras de metal) y otras armaduras corporales . El bronce también suplantó a la piedra , la madera y los materiales orgánicos en herramientas y utensilios domésticos, como cinceles , sierras , azuelas , clavos , cizallas , cuchillos , agujas de coser y alfileres , jarras , ollas y calderos , espejos y arneses para caballos . [ cita requerida ] 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 requerida ]
Se cree que las cuentas de plomo fundido más antiguas que se conocen se encuentran en el yacimiento de Çatalhöyük en Anatolia ( Turquía ), y datan de alrededor del 6500 a. C. [16] Sin embargo, investigaciones recientes han descubierto que no se trataba de plomo, sino de cerusita y galena, minerales ricos en plomo, pero distintos de él. [17]
Dado que el descubrimiento se produjo varios milenios antes de la invención de la escritura, no hay 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 abierta la posibilidad de que el descubrimiento haya ocurrido por accidente. [ cita requerida ] Sin embargo, estudios recientes han puesto en duda este hallazgo. [18]
El plomo es un metal común, pero su descubrimiento tuvo relativamente poco impacto en el mundo antiguo. Es demasiado blando para su uso en elementos estructurales o armas, aunque su alta densidad en relación con otros metales lo hace ideal para proyectiles de honda . Sin embargo, como era fácil de fundir y moldear, los trabajadores del mundo clásico de la Antigua Grecia y la Antigua Roma lo utilizaban ampliamente para canalizar y almacenar agua. También lo utilizaban como mortero en edificios de piedra. [19] [20]
El estaño era mucho menos común que el plomo, es apenas un poco más duro y por sí solo tenía un impacto aún menor.
La evidencia más temprana de la fabricación de hierro es un pequeño número de fragmentos de hierro con las cantidades apropiadas de mezcla de carbono encontrados en las capas protohititas en Kaman-Kalehöyük y datados entre 2200 y 2000 a. C. [ 21] Souckova-Siegolová (2001) muestra que se fabricaron herramientas de hierro en Anatolia central en cantidades muy limitadas alrededor de 1800 a. C. y eran de uso generalizado por las élites, aunque no por los plebeyos, durante el Nuevo Imperio Hitita (~1400-1200 a. C.). [22]
Los arqueólogos han encontrado indicios de trabajo del hierro en el Antiguo Egipto , en algún momento 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.) se produjeron ejemplos muy tempranos de acero al carbono en el noroeste de Tanzania , basados en principios complejos de precalentamiento. Estos descubrimientos son importantes para la historia de la metalurgia. [23]
La mayoría de los primeros procesos en Europa y África implicaban la fundición de mineral de hierro en una fundición de hierro , donde la temperatura se mantiene lo suficientemente baja para que el hierro no se derrita. Esto produce una masa esponjosa de hierro llamada fundición de hierro, que luego debe consolidarse con un martillo para producir hierro forjado . La evidencia más antigua hasta la fecha de la fundición de hierro en fundición de hierro se encuentra en Tell Hammeh , Jordania ([1]), y data del 930 a. C. ( datación C14 ).
A partir de la época medieval, un proceso indirecto comenzó a reemplazar la reducción directa en las fraguas. Este utilizaba un alto horno para fabricar arrabio , que luego tenía que pasar por un proceso adicional para fabricar barras de hierro forjable. Los procesos para la segunda etapa incluyen el afinamiento en una fragua de refinamiento . En el siglo XIII, durante la Alta Edad Media, el alto horno fue introducido por China, que lo había estado utilizando desde el año 200 a. C. durante la dinastía Qin . [2] El pudling también se introdujo en la Revolución Industrial .
Ambos procesos han quedado obsoletos y ya casi no se fabrica hierro forjado. En su lugar, 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. [24] Las fundiciones también liberan dióxido de azufre gaseoso , que contribuye a la lluvia ácida , que acidifica el suelo y el agua. [25]
La fundición de Flin Flon, Canadá, fue una de las mayores fuentes puntuales de mercurio en América del Norte en el siglo XX. [26] [27] Incluso después de que se redujeran drásticamente las emisiones de la fundición, la reemisión en el paisaje siguió 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. [26]
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 . [28] Las emisiones de las fundiciones de cobre incluyen arsénico, berilio , cadmio , cromo , plomo, manganeso y níquel. [29] Las fundiciones de plomo suelen emitir arsénico, antimonio , cadmio y varios compuestos de plomo. [30] [31] [32]
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 (HAP). [33] Las tecnologías de tratamiento incluyen el reciclaje de aguas residuales; cuencas de sedimentación , clarificadores y sistemas de filtración para la eliminación de sólidos; separadores de aceite y filtración; precipitación química y filtración para metales disueltos; adsorción de carbono y oxidación biológica para contaminantes orgánicos; y evaporación. [34]
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. [35] Las fundiciones de plomo pueden descargar antimonio , amianto, cadmio, cobre y zinc, además de plomo. [36]
Los trabajadores que trabajan en la industria de la fundición han informado de enfermedades respiratorias que inhiben su capacidad para realizar las tareas físicas que exigen sus trabajos. [37]
En Estados Unidos, la Agencia de Protección Ambiental ha publicado regulaciones de control de la contaminación para las fundiciones.
