Procesos metalúrgicos: definición y ejemplos

Publicado el 1 noviembre, 2020

Minerales y menas

Los metales son una parte muy importante de nuestras vidas y de nuestra historia. Son tan importantes, de hecho, que los nombres de los principales períodos de la historia se basan en el descubrimiento y uso de metales particulares, como las edades del bronce y del hierro.

El desarrollo temprano de los metales comenzó en la antigüedad con el reconocimiento de que un mineral en particular podía procesarse y convertirse en algo útil. Los minerales son compuestos químicos de origen natural y tienen una variedad de composiciones. La acumulación geológica de estos minerales en un depósito denso, o mena , los hace económicamente viables de extraer. La mayoría de los metales comienzan como minerales minerales, como carbonatos, haluros, óxidos, fosfatos, silicatos, sulfuros o sulfatos, y solo unos pocos existen como minerales nativos, como plata, oro, platino y cobre, que se presentan como no minerales. metales no combinados.

Limpiarlo

Dado que la mayoría de los metales comienzan como minerales, no nos son útiles en esa forma. Para ser útiles, los minerales deben procesarse para eliminar las impurezas, conocidas como ganga, dejando los minerales metálicos extraídos. Refino es un término utilizado para referirse al proceso de purificación de la mayoría de los metales. El término fundición también describe la extracción de metales y la eliminación de impurezas.

El procesamiento de algunos minerales puede comenzar de una manera de baja tecnología llamada flotación :

  • Muele el mineral hasta convertirlo en polvo.
  • Colóquelo en una mezcla de agua, aceite y detergente.
  • Batir o soplar aire en la mezcla, lo que crea una espuma.
  • Recoger y secar la espuma flotante.

La mayoría de las impurezas en los minerales son arcillas o silicatos sin afinidad por los aceites de esta mezcla, por lo que los aceites humedecen preferentemente los minerales metálicos y forman espuma en la capa de espuma. Las impurezas se hunden hasta el fondo del recipiente. Al recoger y secar la espuma se obtiene un producto mineral metálico que está mucho más concentrado y se eliminan muchas de las impurezas.

Ahora que tenemos los minerales metálicos separados de algunas o muchas de sus impurezas, una refinación o fundición más concertada puede lograr un metal más puro. A menudo, este proceso comienza con el tostado del mineral metálico a fuego alto para eliminar las impurezas más volátiles (bajo punto de ebullición). Este proceso generalmente convierte los minerales metálicos en una forma de óxido que es más fácil de procesar más adelante. Un ejemplo de esto es la conversión de la forma mineral común de calcio, carbonato de calcio o piedra caliza, en óxido de calcio y dióxido de carbono:

Reacción de carbonato de calcio con calor.

Este procesamiento en etapa temprana mediante el tostado de menas / minerales se denomina colectivamente pirometalurgia , ya que se ocupa de la química de los metales a altas temperaturas. Sin embargo, este proceso de tostado puede resultar caro debido a los costes energéticos de calentar los minerales a altas temperaturas. Dado que el costo es un factor importante en el refinado de metales, se han desarrollado otros métodos con costos más bajos.

La lixiviación generalmente reduce los costos de procesamiento de metales específicos. Los refinadores lixivian los metales de los minerales crudos utilizando productos químicos líquidos, convirtiendo los minerales en una forma más fácilmente refinable. Este método se ha denominado hidrometalurgia , ya que implica el uso de productos químicos líquidos (a veces solo agua) como primer paso. El proceso de lixiviación hidrometalúrgica es de varios pasos:

  1. Extraiga los metales de los minerales con un líquido (agua, ácido, base o una solución salina).
  2. Elimine las impurezas mediante un método adecuado como el intercambio iónico o la adsorción en carbón activado.
  3. Concentre la solución de metal restante evaporando gran parte del líquido.
  4. Utilice precipitación (para ciertos metales) como preparación para los métodos de reducción.

Un ejemplo de un mineral metálico que utiliza este método es el sulfuro de zinc, ZnS. El primer paso aquí es lixiviar el ZnS con ácido sulfúrico, produciendo sulfato de zinc basado en la siguiente reacción química:

Lixiviación química de ZnS

Después de la concentración de la solución de sulfato de zinc en el segundo paso, la solución está en un punto similar al de los óxidos metálicos del tostado.

Los metales en esta etapa, ya sean de la ruta pirometalúrgica o hidrometalúrgica, están siempre en un estado de oxidación positivo que se puede reducir para producir el metal purificado. Hay dos caminos que se pueden tomar aquí para la reducción de los compuestos metálicos a metales: reducción química o reducción electrolítica.

Elaboración de cerveza o tratamiento de choque

Uno de los primeros métodos utilizados para convertir minerales en metales, y todavía una opción para muchos metales en la actualidad, es la reducción química , que usa la presencia de otro metal o químico para reducir la forma catiónica del metal a una forma elemental. Debido a que los metales en los minerales metálicos en esta etapa tienen estados de oxidación positivos (cationes), pueden reducirse con otros elementos o metales que son más electropositivos (tienen un potencial de reducción más negativo) que los metales objetivo. Los metales que son menos electropositivos y buenos candidatos para la reducción química son Fe, Ti, Ag, Mn, Cr y W. A continuación se muestran algunos ejemplos de estas reacciones de reducción de alta temperatura:

Ejemplos de reducción química

Aunque estos metales podrían procesarse usando el segundo medio de reducción a continuación, es mucho más económico procesarlos usando química de reducción.

El segundo método de reducción es la reducción electrolítica , mediante la cual se hace pasar una corriente eléctrica a través de un óxido metálico anhidro (o forma de lixiviación-precipitado) en un estado fundido, lo que da como resultado la licuefacción o galvanoplastia del metal purificado. Este método alternativo es el camino principal para refinar más metales electropositivos, como aluminio, calcio, berilio, magnesio y litio, ya que son difíciles de reducir químicamente. Estos metales son muy importantes comercialmente, por lo que se utiliza el método electrolítico, aunque suele ser más caro que la reducción química. Uno de los métodos electrolíticos más notables y reconocidos es el proceso Hall que se utiliza para refinar óxido de aluminio (corindón) en aluminio fundido refinado utilizando las reacciones de media celda que se enumeran a continuación:

Medias reacciones de electrorreducción Aluminio

En la Figura 1 se muestra un diagrama de la celda electrolítica del proceso Hall.


La celda electrolítica de Hall-Heroult para el refinado de aluminio
Célula de proceso de Hall-Heroult

Un factor clave en este proceso es el uso de criolita, fluoruro de sodio y aluminio (pf 1000 ° C), como solvente fundido para la reacción que permite que la corriente eléctrica fluya sin afectar el aluminio producido. El aluminio fundido producido cae al fondo de la celda y se recoge. Aparte del acero / hierro, el aluminio es el metal más reciclado del planeta.

Resumen de la lección

Los minerales son la fuente de los metales que usamos y son compuestos químicos que ocurren naturalmente y tienen una variedad de composiciones. Las principales acumulaciones de minerales metálicos se clasifican como depósitos minerales, o menas , que son económicamente viables de extraer. Estos minerales necesitan refinarse , que es un proceso de purificación destinado a producir metales más puros. Uno de los primeros pasos típicos es el proceso de flotación , que coloca el polvo de mineral finamente molido en una mezcla de agua, aceite y detergente, seguido de golpear o soplar aire en esta mezcla para crear una espuma en la parte superior. A continuación, la espuma se retira y se seca para recuperar minerales de mayor pureza.

Los minerales metálicos parcialmente refinados ingresan a una de las dos rutas para continuar el proceso de refinación. Un proceso es la pirometalurgia , que se ocupa de la química de los metales a altas temperaturas ( tostar es exponer los metales a altas temperaturas para eliminar más impurezas volátiles (bajo punto de ebullición)) para eliminar las impurezas, y el otro proceso es la hidrometalurgia , que utiliza líquidos para lixiviar los metales del mineral metálico, dejando una mejor forma para refinarlos más. Después de esto, se usa uno de dos procesos de reducción para reducir la forma iónica del metal a una forma elemental: reducción química , usando otro metal o químico para reducir los cationes metálicos, o reducción electrolítica., por lo que una corriente eléctrica pasa a través de un óxido de metal anhidro en un estado fundido, lo que da como resultado la licuefacción o galvanoplastia de metal más puro. Este último es el camino principal para el refinamiento de los metales más electropositivos como el aluminio y el magnesio.

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