METALES


Los metales son elementos químicos caracterizado por las siguientes propiedades:
  • Poseen una estructura interna común.
  • Son sólidos a temperaturas normales, excepto el mercurio y el galio
  • Tienen una alta densidad
  • Tienen elevada conductividad térmica y eléctrica.
  • Tienen considerable resistencia mecánica.
  • Suelen ser maleables.
  • Se pueden fundir, conformar y reciclar.

Se pueden encontrar dos tipos de metales dependiendo de su contenido en hierro:
Ferrosos
No Ferrosos
Características específicas
Características específicas
Métodos de obtención: proceso siderúrgico
Métodos de obtención: distintos procesos
Aplicaciones
Aplicaciones
Impacto ambiental
impacto ambiental


FERROSOS


Un material es ferroso cuando su componente principal es el hierro. Normalmente posee pequeñas cantidades de carbono que se le han incorporado para que la aleación adquiera unas propiedades especiales.

Propiedades del hierro puro:
  • Es un material magnético (ferromagnético).
  • Color blanco azulado.
  • Muy dúctil y maleable.
  • Punto de fusión: aproximadamente 1500 ºC
  • Densidad alta (7,87 g/cm3.)
  • Buen conductor del calor y la electricidad.
  • Se corroe y oxida con mucha facilidad.
  • Bajas propiedades mecánicas (al corte, limado, conformado, etc).
  • Es un metal más bien blando.

Se conoce como proceso siderúrgico a las operaciones que se llevan a cabo para conseguir un material férrico de unas características determinadas. este proceso va desde la obtencion del material de las minas hasta la obtencion del producto final.

El hiero, en la naturaleza, nunca se encuentra en estado puro sino combinado con óxidos, hidroxidos, carbonatos y sulfuros. el mineral que se extrae de la mina contiene una parte de hierro llamada mena (aprovechable) y la otra compuesta por sustancias no ferrosas llamadas ganga (no aprovechable)

Pasos del proceso siderurgico:
Separas la mena de la ganga utilizando sus propiedades físicas.
Obtención del hierro por medio de una reacción química llamada reducción del hierro. esta reaccion ocurre en el alto horno.
El alto horno es un horno especial en el que tiene lugar la fusión de los minerales de hierro y la transformación de este en un metal rico en hierro llamado arrabio.
Su altura varia desde 30m hasta 70m, y su diametro entre 4 y 12m. Su capacidad de produccion varia entre 500T a 1500T diarias.


horno_alto_explicacion.jpg

En la parte superior se encuentran las dos campanas llamadas tolvas, ahí se coloca el deposito. tiene un sistema de apertura y cierre para que a la hora de la carga no se escapen los gases.
El material se introduce por capas:
  • Una capa de materiales de Fe previamente lavado y triturado.
  • Una capa de carbón de coque para la fusión y reducción del material.
  • Una capa de material fundente que se combina con las impurezas, ganga y cenizas, dando lugar a la escoria.

La combinación de todas las capas da lugar a la obtención de un material poroso llamado sínter.

En la cuba, que es la parte más alta del horno, aquí se produce el primer calentamiento donde se elimina la humedad se se calcina la caliza. Ayudada por la inyección de aire caliente insuflada por las toberas.
Después en el vientre que es la parte mas ancha del horno, se funden el hierro y la escoria. Hay unos conductos que permiten la entrada de aire a grandes velocidades y altas presiones, esto genera la combustión.
En el etalaje se depositan el hierro y la escoria fundidos, la escoria al ser menos densa flota encima del Fe protegiéndola de la oxidación. Por la bigotera y la piquera se extraen el hierro y la escoria.
Del alto horno se obtienen estos productos:
  • Escoria: es un residuo que se puede utilizar como material de construcción, bloques o como aislantes de humedad, y en la fabricación de cemento y vidrio.
  • Hierro colado o arrabio: es el producto principalmente aprovechable del alto horno. Se presenta en estado líquido y a este metal se le denomina hierro de primera fusión.
  • También se recogen otros materiales como gases, debido a las combustiones del coque y de la reducción química del mineral de hierro. Estos se recogen con un colector que se encuentra en la parte superior del alto horno.

A continuación veremos un vídeo sobre el funcionamiento de un alto horno.





Nota:

Los altos hornos se apagan cuando hay que realizar reparaciones y la carga y descarga del material se realiza periódicamente cada 3-4 horas. Existe una serie de pasos para reducir el consumo energético:
  • Sinterización del material (tratamiento térmico de un polvo metálico o cerámico a una temperatura inferior a la de fusión de la mezcla , para incrementar la fuerza y la resistencia de la pieza creando enlaces fuertes entra las partículas)
  • Inyección de gases combustibles por las toberas.
  • Aumento de la calidad del coque, disminución de la humedad y el tamaño de los granos.
en el caso en el que se produzca mas arrabio del que se puede utilizar al instante, se pone en moldes llamados lingoteras para su uso posterior. A partir de la primera fusión se produce todos los materiales ferrosos restantes: hierro dulce,
otras fundiciones, acero....

Hierro dulce


El hierro dulce o hierro forjado es aquel que contiene un contenido inferior a 0.1% de carbono. Es un material de color plateado, de gran permeabilidad magnética, dúctil y maleable. Puede obtenerse por procedimientos electrolíticos, a partir de baño de sulfato cloruro de hierro. El material que resulta se emplea para conducción eléctrica por su baja resistividad. Sin embargo, resulta muy poroso, se oxida con gran facilidad y presenta con frecuencia grietas internas que lo hacen poco útil para otras aplicaciones industriales.

Fundición.

El arrabio o fundición de primera fusión. No puede utilizarse para fabricar piezas que vayan a estar sometidas a esfuerzos ya que resulta un material muy duro y frágil.
  • La fundición gris. Se obtiene el contenido de silicio es elevado. Sólo puede utilizarse para piezas moldeadas y que cuando se cristaliza lo hace en forma de grafito.
  • La fundición blanca. Se obtiene cuando el contenido de manganeso es elevado. En estas condiciones, el carbono se mezcla con el hierro y forma el carburo de hierro y se utiliza para la obtención del acero

Acero


La proporción de carbono en el arrabio extraído del alto horno se encuentra en el intervalo correspondiente a las fundiciones, por lo que tenemos un producto ferroso intermedio, duro y frágil, que no puede ser extendido en hilos ni en láminas y que precisa una transformación posterior para su utilización industrial. Entonces se hace necesario reducirle el contenido de carbono del arrabio, calentándolo, para transformarlo en acero; este material sigue siendo duro pero mas elástico, dúctil, maleable capaz de soportar impactos. Se traslada en estado liquido en unos contenedores especiales llamados torpedos hasta la planta de obtención de acero. El acero se obtiene o en uno recipientes llamados convertidores o en hornos eléctricos en los que se realiza un proceso de fusión.
Los productos finales son:
  • Acero liquido: La colada del acero líquido se enfriará en unos moldes adecuados para el los comerciantes que los necesiten.
  • Escoria: Se recicla para otros fines por ejemplo la construcción
  • Gases: Especialmente el el monóxido y dióxido de carbono, resultantes de la combustión de carbono.


En el convertidor también se lleva a cabo la aleación del acero con otros metales, para así conseguir mejores propiedades que las de el metal original. Una vez que se ha extraído el acero líquido del convertidor, se vierte en moldes con la forma de la pieza que se quiere obtener, para después dejarlo solidificar. Este proceso se llama colada. El proceso mas de colada mas utilizado es de colada continua , cuyo objetivo es solidificar el acero en productos de sección constante.
Una vez obtenida la pieza de acero se somete a un proceso de laminación para darle la forma y características deseadas.

A continuación vamos a ver un vídeo sobre la producción del acero.






Como se ha dicho anteriormente, el acero se alea con otros materiales con el fin de mejorar sus propiedades mediante varios tratamientos. La tabla que continua muestra las propiedades que adquiere el acero cuando se alea con un material:

Material aleante
Propiedades
Carbono
Duerza
Resistencia
Silicio
Elasticidad
Aumenta la conductividad magnética
Manganeso
Dureza
Resistencia al desgaste
Cromo
Duerza
Resistencia al calor y al rozamiento. Imprescindible para hacerlo inoxidable
Níquel
Aumenta la tenacidad
Resistencia a la tracción y la corrosión
Molibdeno
Dureza
Resistencia al desgate mecánico en caliente
Vanadio
Dureza
Resistencia al desgates mecánico en caliente
Volframio
Tenacidad
Resistencia al calor y a la corrosión



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http://www.traduccionesalchino.com/acero/acero_china.html



Aceros comerciales.


Los productos que reciben el nombre de aceros, debido a su gran variedad, se clasifican según su composicion, caracteristicas tecnicas y aplicaciones:

Aceros al carbono:
En este apartado se reunen más del 90% de todos los aceros, estos contienen varias cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre.
Estos productos son fabricas para maquinarias, carrocerias, gran parte de las estructuras de acero para la construccion, cascos de buques, somieres y horquillas.

Aceros aleados:
Estos contien un proporcione determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, ademas se distingue de los aceros al carbono por una mayor cantidad de manganeso, silicio y cobre. Se pueden clasificar en:

-Estruturales.
Se utilizan para las maquinas, estruturas de edificios, chasis de coches, ouentes y barcos. Su contenidos de aleacion varia desde un 0,25% a un 6%.
-Para herramientas.
Son aceros alta calidad para cortar y moldear metales y no-metales (taladros, fresas, machos de roscar, etc...)
-Especiales.
Son los inoxidables y con una proporcion generalmente mayor a un 12% de cromo. Estos aceros se emplean en turbinas, engranajes, ejes y rodamientos, ya que poseen una gran dureza y alta resistencia.

Aceros de baja aleación ultra resistentes: De las cuatro clases de acero este aparto es el de los mas reciente. Son mas baratos que aceros convencionales ya que contienes menos materiales de aleación y por lo tanto menos costoso. Sin embargo, gracias a un tratamiento especial les da una mayor resistencia que los aceros al carbono. Este material en capas mas delgadas y ligeras son mas resistentes que las anteriores. En la actualidad muchas vigas de construcción están hechos de este material ya que se puede permitir una mayor fineza y un costo económico menor.
Aceros inoxidables: Estos son resistentes a la acción de la humedad o de ácidos y fases corrosivos, ya que contiene una aleación de cromo, níquel y otros elementos, manteniéndolos brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación. Se usa mucho en la arquitectura como material decorativo, también para tuberías y tanques de petroleo o de plantas químicas, aparte también tiene un uso quirúrgico y en cocinas.
Normativa de clasificación de aceros: En España la norma UNE-36001 clasifica las aleaciones ferricas en series F. A los aceros les corresponde las series F100 a F700, a las fundiciones las series F800 y a otras aleaciones ferricas la F900. Todos los paises tienen su propia normativa, pero son todas muy similares. Por ejemplo:
- Aceros para construcion (serie F100)
- Aceros inoxidables y anticorrosion (series F300)
º dentro de la serie F300, los inoxidable corresponde a la F310


No ferrosos

Son aquellos cuyo contenido en hierro ( Fe) es muy escaso. Cada día son mas imprescindibles que los ferrosos.

Se pueden clasificar en tres grupos
  • pesados: su densidad es igual o mayor a 5gr/cm3. Se encuentra el cobre, estaño, plomo, cinc, níquel, cromo y cobalto.
  • Ligeros: densidad entre 2 y 5. los mas utilizados son el aluminio y titanio
  • ultra ligeros: su densidad es menor de 2. se encuentran el berilio, raramente en estado puro, mas común en una aleación, y el magnesio

todos ellos tienen en común que están en estado puro, es ser blandos y poseer una resistencia mecánica bastante escasa.

Metales no ferrosos mas usados:


COBRE


Propiedades:
  • es el mas utilizado de los no ferrosos
  • tiene un color rojo – pardo
  • Tiene una conductividad eléctrica y térmica elevadas.
  • Metal pesado (densidad: 8.9)
  • Persiste la corrosión y la oxidación
  • Relativamente blando
  • Es muy dúctil y maleable


Su obtención:
Se obtiene a partir de los sulfuros de cobre y, principalmente, de la calcopirita.
Existen dos métodos de obtención del cobre:
  • Vía humeda:Se emplea cuando el contenido de cobre en el mineral es reducido. Consiste en triturar el mineral y añadirle H2SO4 y aplicar a la mezcla el proceso de electrolísis ( aplicar una corriente continua añadiendo dos electrodos).
  • Vía seca: se emplea cuando el contenido de Cu supera el 10 %. Se tritura y mueve el mineral hasta reducirlo a polvo y luego, por flotación, se separa el cobre de la ganga. El mineral pasa por un horno donde los óxidos del hierro se combinan con sílice y forman la escoria, mientras se produce la “mata blanca” ( sulfuro de cobre). La mata se somete a un proceso de reducción mezclado con algo de óxido de cobre. Por último se somete el líquido a un proceso eléctrico para conseguir un cobre de alta pureza.

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http://rocas6.tripod.com/id3.html

Aplicaciones del cobre: Se utiliza principalmente como conductor eléctrico ya que posee una gran ductilidad. Por su alta resistencia al óxido, tambien se emplea en isntalaciones de tuberias y calderas


Aleaciones del cobre:
  • Latones:
  • Cu con Zn
  • Menos resistente que el Cu
  • Soporta mejor el agua y el vapor
  • Se emplea en pequeñas piezas mecánicas
  • Se añade Cu + Sn + Al o Pb para mejorar las propiedades.
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http://villalbacobre.wordpress.com/cobre

  • Bronces:
  • Cu + Sn
  • Alta resistencia mecánica
  • Elevada resistencia a la corrosión
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http://buscadores.superforos.com/viewtopic.php?t=2530

  • Bronce de aluminio ( cuproaluminio):
  • 90% de Cu + 10 % de Al
  • Mayor dureza y resistencia a la oxidación y corrosión
  • Uso industrial para equipos expuestos a líquidos corrosivos


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http://www.sanmetal.es/subGrupo.php?id=1

Obtención del cobre




ALUMINIO

Propiedades:
  • Es ligero y resistente a la oxidación
  • Buen conductor eléctrico y calorífico
  • Dúctil y maleable
  • Color plateado
  • Muy blando


Obtención del aluminio:
El mineral del que se extrae es la bauxita. El método de extracción tiene dos fases: el metodo Bayer y un proceso de electrólisis.
- Método Bayer:
  1. Se tritura y muele el mineral hasta reducirlo a polvo
  2. Se mezcla con sosa cáustica, cal y agua
  3. Se disuelve la bauxita, separándose de los residuos
  4. El material útiles la alúmina, y debe eliminarse toda el agua y refrigerarse
  • Proceso de electrólisis:
  1. Para obtener el aluminio, se disuelve la alúmina en criolita a una temperatura de 1000ºC y se somete a un proceso de electrólisis que descompone el material en aluminio.



Aplicaciones:
  • Se alea con otros metales como Cu, Mg, Ni, Co y Zn
  • Por su baja densidad y conductividad relativamente alta se emplea como sustituto del cobre en cables de gran longitud.
  • Por su resistencia a la corroción se emplea en utencilios de cocina, depósitos de bebidas,...

Obtención del aluminio




PLOMO


Propiedades:
  • Color gris plateado
  • Densidad elevada
  • Muy blando
  • Baja conductividad térmica y eléctrica
  • Flexible
  • Maleable


Aplicaciones:
  • Por su alta densidad es opaco a las radiaciones electromagneticas, por lo cual se usa como escudo protector de radiología y centrales nucleares.
  • Recipientes que contengan ácidos por sus resistencia a la corrosión
  • Nunca debe usarse para contener alimentos. Es un veneno mineral
  • Aditivo del vidrio para dureza y peso.







Para que los metales mejoren sus propiedades se someten a varios tratamientos:

  • Tratamientos térmicos. En este tratamiento el metal cambia su estructura, pero no varía su composición química.
  • Tratamientos termoquímicos. En este tratamiento se cambia la composición química de su superficie exterior.
  • Tratamientos mecánicos. Se mejoran las características de los metales mediante deformaciones con o sin calor.
  • Tratamientos superficiales. En este tratamiento se mejora la superficie del metal, pero sin variar su composición química. No es necesario llevar tratamiento termico alguno.
Si los tratamientos alteran de forma notable la composición química del metal, no sería un tratamiento, sería otro tipo de proceso.


Tratamientos térmicos.


Estos tratamientos consisten en calentar y enfriar el metal para modificar su estructura cristalina, mientras que en la composición química no varía.
Encontramos tres tratamientos fundamentales:
  • Recocido. Consiste en calentar el metal a cierta temperatura, y luego enfriarlo lentamente. Con este proceso conseguimos una mayor plasticidad, para que su trabajo sea mas fácil.
  • Temple. Consiste en calentar el metal y enfriarlo de forma brusca. De esto forma se intenta obtener un metal muy duro y resistente mecánicamente.
  • Revenido. Este tratamiento puede considerarse como un tratamiento complementario del temple, con este proceso se mejora la tenacidad del metal y se disminuye un poco su dureza . Se utiliza exclusivamente con metales templados.

Tratamientos termoquímicos



Consisten en operaciones de calentamiento y enfriamiento de los metales, añadiendo otros elementos en su superficie.
Los más relevantes son:
· Cementación. Consiste en la adición de carbono a la superficie de acero que presente un bajo contenido de carbono a una exacta temperatura. Con esto se obtiene una dureza muy elevada en su superficie.
· Nitruración. Se endurece el acero por absorción de nitrógeno a una temperatura determinada. Esto le proporciona una buena resistencia a la corrosión. Se utiliza para endurecer piezas de maquinaria y herramientas como brocas.
· Cianuración. Es un tratamiento intermedio entre los dos anteriores. Se utiliza en todo tipo de aceros con cualquier nivel de carbono cuando se pretende que adquieran una buena resistencia.
· Carbonitruración. Aumenta la dureza de los aceros con la absorción simultánea de carbono y nitrógeno a una temperatura determinada. La diferencia a los anteriores tratamientos es que los anteriores se realizan mediante gases y éste mediante baños. Se emplea en piezas de gran espesor.
· Sulfinización. Se le incorpora una capa de carbono, nitrógeno y , en mayor medida, azufre mediante la inmersión del metal en un baño especial. Con este tratamiento se aumenta a gran escala la resistencia al desgaste a la vez que se disminuye su coeficiente de rozamiento.


Tratamientos mecánicos


Mejoran las características por deformación mecánica. Existen los siguientes mecanismos:
· En caliente. Denominados forja. Consiste en calentar un metal a una temperatura determinada para su posterior deformación golpeándolo fuertemente. Con este proceso se mejora su estructura interna.
· En frío. Consiste en deformar el metal a temperatura ambiente golpeándolo, trefilándolo o laminándolo. Con ésto se incrementa la dureza y la resistencia mecánica del metal y , también, acarrean una disminución en su plasticidad.

Tratamientos superficiales


Los mas empleados son:
· Metalización: se proyecta un metal fundido, pulverizándolo sobre la superficie de otro. Con ésto se consigue unir las características de la superficie de uno con las de otro.
· Cromado: se deposita cromo electrolíticamente sobre el metal. De esta manera disminuye su
µ (mu)y su resistencia al desgaste aumenta.



Aspectos ambientales



  • En la creación de las minas encontramos problemas tanto visuales y sonoros como gases toxicos y contaminantes como es es carbonilo de níquel, bastante toxico para los humanos.
  • También pueden sucederse diversos derrumbamientos a causa de las explosiones.
  • En la fundición del metal también se libaran gases como CO2 en la obtención del calor para la fundición.
  • Los residuos que no se pueden utilizar como pueden ser el resto del mineral del que se extrajo el metal se devuelven a la naturaleza.
  • La mayor parte de los metales que existen pueden fundirse y volver a procesare creando nuevos metales. Metales como aluminio, plomo, hierro, acero, cobre, plata y oro son reciclados fácilmente cuando no están mezclados con otras sustancias, porque pueden ser fundidos y cambiar de forma o adoptar la misma anterior. De estos materiales, el hierro es el que tiene mayor demande comercial.