Resumen: La metalurgia es un gran proceso de transformación de minerales en materiales mediante procesos físicos y químicos, dentro de todos estos procesos interactuaremos con la física usando la termodinámica,




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fecha de publicación06.04.2016
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Revista Agustina UNSA

NATURAL SCIENCE P. 1- 3

Septiembre 2015 Ingeniería Metalúrgica

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FÍSICA INTERACTUANDO EN LA INGENIERÍA METALÚRGICA
Nils Paul Mamani Choquehuayta, Universidad Nacional de San Agustín, Facultad de Ingeniería de Procesos, Escuela Profesional de Ingeniería Metalúrgica

RESUMEN: La metalurgia es un gran proceso de transformación de minerales en materiales mediante procesos físicos y químicos, dentro de todos estos procesos interactuaremos con la física usando la termodinámica, la cinética, los factores que intervienen en la temperatura y el calor, así como la hidrometalurgia donde usaremos soluciones cosas inorgánicas y la pirometalurgia donde emplearemos procesos para obtención y refinación de metales empleando el calor, nos ayudaran en las operaciones de troquelado, laminado, hilado, forjado entre otros, que serán de gran utilidad y ayuda para una efectiva producción.
PALABRAS CLAVE: CALORIMETRÍA, CINÉTICA, HIDROMETALURGIA, TEMPERATURA, TERMODINÁMICA.
ABSTRACT: Metallurgy is a great process of transformation of mineral materials by physical and chemical processes within all these processes will interact with physics using thermodynamics, kinetics, the factors involved in temperature and heat, as well as where hydrometallurgy we use things and inorganic solutions which employ pyro metallurgical processes for obtaining and refining of metals using the heat, we assist in the operations of punching, rolling, spinning, wrought among others, that will be very useful and helpful for effective production.
KEY WORD: CALORIMETRY, KINETICS, HYDROMETALLURGY, TEMPERATURE, THERMODYNAMICS.






  • Nils Paul Mamani Choquehuayta

  • Paul_03_96@hotmail.com


INTRODUCCIÓN



La metalurgia es la técnica de la obtención y tratamiento de los metales a partir de minerales metálicos, además estudia la producción de aleaciones, el control de calidad de los procesos. La metalúrgica es la rama que aprovecha la ciencia, la tecnología y el arte de obtener metales y minerales industriales, partiendo de sus menas, de una manera eficiente, económica y con resguardo del ambiente, a fin de adaptar dichos recursos en beneficio del desarrollo y bienestar de la humanidad.
Es así como la metalurgia necesita el apoyo de las ciencias y la tecnología, la física tendrá un uso especial procesos tanto en las ramas de la hidro metalurgia y la piro metalurgia.

Una de las herramientas del metalurgista será la física donde usaremos la temperatura tanto en la producción como en la investigación científica, la exactitud con que se midan y controlen las temperaturas determinará el éxito de la operación en algunos procesos metalúrgicos como la fundición la refinación y el tratamiento térmico. (Avner, 1988)

Uno de los métodos más sencillos para saber la temperatura de un metal será mediante el color, los instrumentos que se pueden usar serán de dos tipos: los sistemas mecánicos funcionan por la expansión de metales, líquido o un gas. Los sistemas eléctricos que funcionan por medio de la resistencia eléctrica, la radiación o pirómetros ópticos.

Deformación plástica: cuando un material se tensa por debajo de su límite elástico, la deformación resultante es temporal. La posibilidad de que un metal sufra una deformación plástica es probablemente su característica más relevante en comparación a otros materiales. Todas las operaciones de formado como son troquelado, prensado, hilado, laminado, forjado y extrusión, se relacionan con la deformación plástica de los metales. (Avner, 1988)

Por medio de la deformación plástica del efecto del trabajado en frío, aumentó la dureza, la resistencia la tensión y la resistencia eléctrica, así como disminuye la ductilidad.

El recocido es el proceso mediante el cual la estructura distorsionada de la red trabaja en frío retorna una cuyo estado se halle libre de tensiones por medio de la aplicación de calor.

La termodinámica metalúrgica tiene que ver con los estados de equilibrio disponibles en los sistemas y con los efectos que tienen sobre ellos las influencias externas. El estado termodinámico de un sistema se define en términos de las variables de estado, las que pueden ser intensivas o extensivas:
Intensivas: Presión, temperatura, son valores independientes del tamaño real del sistema
Extensivas: Energía interna, volumen, variables cuyo valor depende del tamaño del sistema.

Una ecuación de estado relaciona las variables de estado en una única ecuación tal que es posible definir zonas de funcionamiento en condiciones de equilibrio para el dado sistema. La ecuación más simple que se utiliza siempre como ejemplo introductorio ante cualquier discusión es la de ecuación de los gases ideales, que responden a:

PV = nRT

En la cinética los procesos de obtención de un metal desde el mineral o concentrado hasta su refinación, existen una o más etapas en las que ocurren transformaciones físico-químicas. Solo contados metales, tales como oro o platino se encuentran nativos. En todos los otros casos el metal debe ser químicamente extraído y purificado, por ejemplo, en la obtención de cobre desde sulfuros u óxidos; en la obtención de arrabio(hierro) y acero desde minerales oxidados de hierro; en la obtención de zinc desde sulfuros o silicatos, etc. (Garrido)

En el momento actual, los problemas centrales de la metalurgia (solidificación, endurecimiento, recristalización, fatiga, fractura, transformación de fase, unión, desgaste, corrosión), son tratados por miles de investigadores que emplean poderosas herramientas teóricas (mecánica cuántica, mecánica, estática, teoría de las dislocaciones, topología, etc.) y sofisticadas técnicas y equipos (ultra alto vacío, temperaturas cercanas al 0º k, difracción electrónica y neutrónica, microscopía iónica, electrónica, computadoras electrónicas, etc.)
La semejanza de los problemas a resolver de los objetivos a alcanzar y de los métodos empleados, han ampliado el campo de la metalurgia tradicional, que hoy incluye no sólo a los metales y aleaciones, sino también a cerámicos, polímeros, vidrios, etc. y han obligado a llamarla con el nombre de ciencia de los materiales.

Estudios y ensayos físicos, químicos, mecánicos y metalográficos, sean destructivos o no destructivos, de productos metálicos y productos para uso metalúrgico.

Investigaciones de carácter básico y aplicado, de procesos y fenómenos físicos, químicos y físico-químicos en metales, aleaciones y productos para uso metalúrgico.

Procesos metalúrgicos en general (metalurgia química; metalurgia física; pirometalurgia; hidrometalurgia; electrometalurgia. (López-Delgado, 2008)

En el procesamiento de minerales, los equipos de separación sólido/ líquido son los más usados en el tratamiento de colas de procesos de flotación o hidrometalurgicos y de concentrados minerales para su posterior filtración.


MATERIAL Y METODOS


Los procesos metalúrgicos comprenden las siguientes fases:

• Obtención del metal a partir del mineral que lo contiene en estado natural, separándolo de la ganga;

• El afino, enriquecimiento o purificación: eliminación de las impurezas que quedan en el metal;

• Elaboración de aleaciones;

• Otros tratamientos del metal para facilitar su uso.

Operaciones básicas de obtención de metales:

• Operaciones físicas: triturado, molienda, filtrado (a presión o al vacío), centrifugado, decantado, flotación, disolución, destilación, secado, precipitación física.

• Operaciones químicas: tostación, oxidación, reducción, hidrometalurgia, electrólisis, hidrólisis, lixiviación mediante reacciones ácido-base, precipitación química, electrodeposición y cianuración.

Dependiendo el producto que se quiera obtener, se realizarán distintos métodos de tratamiento. Uno de los tratamientos más comunes es la mena, consiste en la separación de los materiales de desecho. Normalmente entre el metal está mezclado con otros materiales como arcilla y silicatos, a esto se le suele denominar ganga.

Uno de los métodos más usuales es el de la flotación que consiste en moler la mena y mezclarla con agua, aceite y detergente. Al batir esta mezcla líquida se produce una espuma que, con ayuda de la distinta densidad que proporciona el aceite va a ir arrastrando hacia la superficie las partículas de mineral y dejando en el fondo la ganga.

Otra forma de flotación puede emplearse en la separación de minerales ferromagnéticos, utilizando imanes que atraen las partículas de mineral y dejando intacta la ganga. (López-Delgado, 2008)

Otro sistema de extracción de la mena es la amalgama formada con la aleación de mercurio con otro metal o metales. Se disuelve la plata o el oro contenido en la mena para formar una amalgama líquida, que se separa con facilidad del resto. Después el metal de oro y plata se purifican eliminando el mercurio mediante la destilación.

También principalmente en la electrolisis es en donde interviene la electrodinámica por ejemplo:



Fig.1 Operaciones Físicas
PROCESO DE ELECTROLISIS:

• Se aplica una corriente eléctrica continua mediante un par de electrodos conectados a una fuente de alimentación eléctrica y sumergida en la disolución. El electrodo conectado al polo positivo se conoce como ánodo, y el conectado al negativo como cátodo.

• Cada electrodo atrae a los iones de carga opuesta. Así, los iones negativos, o aniones, son atraídos y se desplazan hacia el ánodo (electrodo positivo), mientras que los iones positivos, o cationes, son atraídos y se desplazan hacia el cátodo (electrodo negativo).

•La energía necesaria para separar a los iones e incrementar su concentración en los electrodos es aportada por la fuente de alimentación eléctrica.

•En los electrodos se produce una transferencia de electrones entre estos y los iones, produciéndose nuevas sustancias. Los iones negativos o aniones ceden electrones al ánodo (+) y los iones positivos o cationes toman electrones del cátodo (-).

En definitiva lo que ocurre es una reacción de oxidación-reducción, donde la fuente de alimentación eléctrica se encarga de aportar la energía necesaria.

La ganga es el material que se descarta al extraer la mena del yacimiento mineral, por carecer de valor económico o ser demasiado costoso su aprovechamiento.

La hidrometalurgia se basa en la concentración de ilusión en uno o varios elementos de interés, metales presentes como iones que por reacciones reversibles y diferencias físicas de las soluciones son separados y aislados de forma específica, como resultado se obtiene una solución rica en el ión de interés y con características propicias para la próxima etapa productiva.

ELECTROLISIS DEL AGUA:

Si el agua no es destilada, la electrólisis no sólo separa el oxígeno y el hidrógeno, sino los demás componentes que estén presentes como sales, metales y algunos otros minerales (lo que hace que el agua conduzca la electricidad no es el H2O, sino que son los minerales. Si el agua estuviera destilada y fuera 100 % pura, no tendría conductividad).

Es importante hacer varias consideraciones:

• La electrólisis debe hacerse de tal manera que los dos gases desprendidos no entren en contacto, de lo contrario producirían una mezcla peligrosamente explosiva (ya que el oxígeno y el hidrógeno resultantes se encuentran en proporción estequiometrica).

• Una manera de producir agua otra vez, es mediante la exposición a un catalizador. El más común es el calor; otro es el platino en forma de lana fina o polvo. El segundo caso debe hacerse con mucho cuidado, incorporando cantidades pequeñas de hidrógeno en presencia de oxígeno y el catalizador, de manera que el hidrógeno se queme suavemente, produciendo una llama tenue. Lo contrario nunca debe hacerse sin debida investigación y ayuda profesional. (Avner, 1988)




Fig.2: Esquema del proceso de electrolisis del agua

PROCESO DE CEMENTACIÓN DEL COBRE

La cementación es un proceso de precipitación química que permite retirar iones en solución agregando un reactivo precipitante. En el caso de iones metálicos disueltos la reacción se favorece agregando un metal más activo, según la serie electroquímica, como reactivo para formar un precipitado conocido como cemento. Este proceso es aplica en el tratamiento de efluentes de operaciones metalúrgicas

  • Reacciones de Cementación

Mostramos las siguientes reacciones de cementación en los sistemas Clorurante y Sulfatante:

2 CuCl2 + 2 FeCl3 + 3 Fe  2Cu°+ 5 Fe Cl2 (1.0)

CuS04 + Fe0  Cu0 + FeSO4 (2.0)

a) El cemento de cobre de alta calidad tiene la ventaja de oxidarse rápidamente, mediante la formación de una película de óxido de cobre en la superficie, favorable para su disolución en medio acido.

b) La presencia de iones Fe++ y aire producen iones Fe+++ que ayudan a disolver el cobre metálico.

c) La cinética de lixiviación de Cu° es incrementada sustancialmente con el aumento de temperatura. (Lovera, 2012)


RESULTADOS


Como resultado de los procesos usado para la producción de materiales, la física interviene en varios de estos, ayudando a una correcta y óptima formación, concluimos en que la física es un factor necesario para nuestros fines como ingenieros metalurgistas.

El Perú dispone de grandes recursos naturales, entre los que destacan su riqueza minera, la cual genera alrededor del 50% del ingreso de divisas al país. Por ello, parte importante en el motor del desarrollo es la creación de nuevos centros industriales minero-metalúrgicos. La calidad profesional de los recursos humanos del sector minero ha sido desde siempre un factor determinante para el mejor aprovechamiento de los recursos. En función de ello, y en atención a la actual coyuntura del sector, es necesario disponer de tecnólogos que cumplan funciones de supervisión y ejecución con capacidad.

La importancia de la industria química y metalúrgica en la economía del país, como sectores que promueven el desarrollo y la evolución tecnológica, conlleva a la formación de profesionales capaces de conducir y alcanzar las metas de producción y productividad en los centros industriales.

AGRADECIMIENTO

Agradezco a Dios por darme la vida, a mis padres, a los profesores que a lo largo de mis estudios me ayudaron a conseguir mi meta y al esfuerzo que hicieron en encaminarme a un mejor futuro

REFERENCIAS

Bibliografía


Avner, S. H. (1988). Introducción a la metalurgia física. México: Mc Graw Hill. Interamerica.

Garrido, F. J. (2 de 07 de 2012). Scribd. Recuperado el 30 de 08 de 2015, de http://es.scribd.com/doc/166629800/Cinetica-de-procesos-metalurgicos#scribd: http://es.scribd.com/doc/166629800/Cinetica-de-procesos-metalurgicos#scribd

López-Delgado, A. (2008). De los procesos hidro y pirometalurgicos a la investigación medioambiental en el CENIM.

Lovera, D. (2012). CINETICA DE LA REACCION DE CEMENTACIÓN DE COBRE A PARTIR DE MINERALES SULFURADOS DEL COMPLEJO MARAÑON. 10.






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