La metalurgia es la técnica de la obtención y tratamiento de los metales a partir de minerales
metálicos.1 También estudia la producción de aleaciones. El control de calidad de los
procesos. La metalurgia es la rama que aprovecha la ciencia, la tecnología y el arte de
obtener metales y minerales industriales, partiendo de sus minas, 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.
La ciencia de la metalurgia se subdivide en dos grandes categorías: metalurgia química y
metalurgia física. La metalurgia química se ocupa principalmente de la reducción y la
oxidación de los metales, así como del rendimiento químico de los mismos. Los temas de
estudio de la metalurgia química incluyen el procesamiento de minerales, la extracción de
metales, la termodinámica, la electroquímica y la degradación química (corrosión).2 En
cambio, la metalurgia física se centra en las propiedades mecánicas de los metales, las
propiedades físicas de los metales y el rendimiento físico de los metales. Los temas
estudiados en la metalurgia física incluyen la cristalografía, 2 la Caracterización de
materiales, la metalurgia mecánica, la transformaciones de fase y el mecanismos de fallo. 3
Históricamente, la metalurgia se ha centrado predominantemente en la producción de
metales. La producción de metales comienza con el procesamiento de minerales para
extraer el metal, e incluye la mezcla de metales para hacer aleaciones. Las aleaciones de
metales suelen ser una mezcla de al menos dos elementos metálicos diferentes. Sin
embargo, a menudo se añaden elementos no metálicos a las aleaciones para conseguir las
propiedades adecuadas para una aplicación. El estudio de la producción de metales se
subdivide en metalurgia ferrosa (también conocida como metalurgia negra) y metalurgia
no ferrosa (también conocida como metalurgia del color). La metalurgia ferrosa comprende
procesos y aleaciones basados en el hierro, mientras que la metalurgia no ferrosa
comprende procesos y aleaciones basados en otros metales. La producción de metales
ferrosos representa el 95% de la producción mundial de metales.4
Los metalúrgicos modernos trabajan tanto en áreas emergentes como tradicionales como
parte de un equipo interdisciplinario junto a científicos de materiales, y otros ingenieros.
Algunas áreas tradicionales incluyen el procesamiento de minerales, la producción de
metales, el tratamiento térmico, el análisis de fallos y la unión de metales (incluyendo la
soldadura, la soldadura fuerte y la soldadura). Las áreas emergentes para los metalúrgicos
incluyen la nanotecnología, la superconductores, los composites, los materiales biomédicos,
los materiales electrónicos (semiconductores) e ingeniería de superficies.
Etimología
Metalurgia deriva del griego antiguo μεταλλουργός, metallourgós, "trabajador del metal",
de μέταλλον, métallon, "mina, metal" + ἔργον, érgon, "trabajo": En la Encyclopædia
Britannica de 1797 se habla de ella en este sentido.5 A finales del siglo xix, se extendió al
estudio científico más general de los metales, las aleaciones y los procesos relacionados.
Historia
El cobre fue uno de los primeros minerales trabajados por el hombre, ya que se encuentra
en estado casi puro (cobre nativo) en la naturaleza. Junto al oro y la plata fue utilizado desde
finales del Neolítico, golpeándolo, al principio, hasta dejarlo plano como una lámina.
Después, como consecuencia del perfeccionamiento de las técnicas cerámicas, se aprendió
a fundirlo en horno y vaciarlo en moldes, lo que permitió fabricar mejores herramientas y
en mayor cantidad. Esto originó la Edad del Cobre de la Humanidad (también conocida como
Calcolítico).
Posteriormente se experimentó con diversas aleaciones, como la de arsénico, que produjo
cobre arsenicado, o la de estaño, que dio lugar al bronce e inició la Edad del Bronce de la
Humanidad. El bronce, más duro y cortante que el cobre, apareció hacia el 3000 a. C.
Regiones productoras de metales en la Edad Antigua en Oriente Próximo. Se muestran
marcadas las áreas de prevalencia del bronce arsenioso y del bronce de estaño durante el
III milenio a. C.6
Se han encontrado pequeñas cantidades de oro natural en cuevas españolas que datan del
Paleolítico tardío, 40 000 a. C.7 La plata , el cobre, el estaño y el hierro meterítico también
se pueden encontrar en forma nativa, lo que permite una cantidad limitada de trabajo de
metales en las culturas tempranas.8 Las armas egipcias hechas de hierro meteórico
alrededor del 3000 a. C. eran muy apreciadas como dagas del cielo.9 Ciertos metales, en
particular estaño, plomo, y a una temperatura más alta, el cobre se puede recuperar de sus
minerales simplemente calentando las rocas en un fuego o en un alto horno, un proceso
conocido como fundición. La primera evidencia de esta metalurgia extractiva, que data del
quinto y sexto milenio antes de Cristo,10 se ha encontrado en sitios arqueológicos en
Majdanpek, Jarmovac cerca de Priboj y Pločnik , en la actual Serbia. Hasta la fecha, la
evidencia más temprana de fundición de cobre se encuentra en el sitio de Belovode cerca de
Plocnik.11 Este sitio produjo un hacha de cobre del 5500 a. C., perteneciente a la Cultura de
Vinča.12El uso más temprano de plomo está documentado en el asentamiento neolítico
tardío de Yarim Tepe en Irak:
Los primeros hallazgos de plomo (Pb) en el antiguo Cercano Oriente son un brazalete del
sexto milenio antes de Cristo de Yarim Tepe en el norte de Irak y una pieza cónica de plomo
ligeramente posterior del período Halaf Arpachiyah , cerca de Mosul.13 Como el plomo
nativo es extremadamente raro, tales artefactos plantean la posibilidad de que la fundición
del plomo haya comenzado incluso antes de la fundición del cobre.1415
La fundición de cobre también está documentada en este sitio aproximadamente en el
mismo período de tiempo (poco después del 6000 aC), aunque el uso de plomo parece
preceder a la fundición de cobre. La metalurgia temprana también está documentada en el
sitio cercano de Tell Maghzaliyah , que parece estar fechado incluso antes, y carece por
completo de esa cerámica. [cita requerida] Los Balcanes fueron el sitio de las principales
culturas neolíticas, incluidas Butmir , Vinča, Varna, Karanovo y Hamangia .
El proceso de adquisición de los conocimientos metalúrgicos fue diferente en las distintas
partes del mundo, siendo las evidencias más antiguas de fundición del plomo y el cobre del
VII milenio a. C., en Anatolia y en Kurdistán.1617 En América no hay constancia hasta el I
milenio a. C.18 y en África el primer metal que se consiguió fundir fue el hierro, durante el
II milenio a. C.19
El hierro, que inauguró la Edad del Hierro de la Humanidad, comenzó a ser trabajado en
Anatolia hacia el tercer milenio a. C.. Este mineral requiere altas temperaturas para su
fundición y moldeado, para ser así es más maleable, duro y resistente que el cobre. Algunas
técnicas usadas en la antigüedad fueron el moldeo a la cera perdida, la soldadura o el
templado del acero. Las primeras fundiciones conocidas empezaron en China en el siglo I a.
C., pero no llegaron a Europa hasta el siglo xiii, cuando aparecieron los primeros altos
hornos.
El empleo de los metales se debió, inicialmente, a la necesidad que se creó el hombre de
utilizar objetos de prestigio y ostentación (adornos de cobre), para, posteriormente, pasar
a sustituir sus herramientas de piedra, hueso y madera por otras mucho más resistentes al
calor y al frío (hechas en bronce y, sobre todo, hierro). Los utensilios elaborados con metales
fueron muy variados: armas, herramientas, vasijas, adornos personales, domésticos y
religiosos. El uso de los metales repercutió, a partir de la generalización del hierro, de
diversas formas en la conformación de la civilización humana:
Se intensificó la producción agropecuaria.
El trabajo se especializó y diversificó.
Aumentaron los intercambios.
Se institucionalizó la guerra.
En la Edad Media la metalurgia estaba muy ligada a las técnicas de purificación de metales
preciosos y la acuñación de moneda.
El metal y sus aleaciones
Vertido de bronce en un molde
Los metales más comunes en ingeniería son el aluminio, el cromo, el cobre, el hierro, el
magnesio, el níquel, el titanio, el zinc y el silicio. Estos metales se utilizan con mayor
frecuencia como aleaciones, con la notable excepción del silicio.
Se ha hecho un gran esfuerzo por comprender el sistema de aleaciones hierro-carbono, que
incluye el acero y el hierro fundido. Aceros al carbono (los que contienen esencialmente sólo
carbono como elemento de aleación) se utilizan en aplicaciones de bajo coste y alta
resistencia, donde ni el peso ni la corrosión son una preocupación importante. Las
fundiciones, incluida la fundición dúctil, también forman parte del sistema hierro-carbono.
Las aleaciones de hierro-manganeso-cromo (aceros tipo Hadfield) también se utilizan en
aplicaciones no magnéticas, como la perforación direccional.
El acero inoxidable, en particular el aceros inoxidables austeníticos, el acero galvanizado,
aleaciones de níquel, aleación de titanio, u ocasionalmente aleaciones de cobre se utilizan,
cuando la resistencia a la corrosión es importante.
Las aleaciones de aluminio y las aleaciones de magnesio se utilizan habitualmente cuando
se requiere una pieza ligera y resistente, como en las aplicaciones de automoción y
aeroespaciales.
Las aleaciones de cobre-níquel (como el Monel) se utilizan en entornos altamente
corrosivos y para aplicaciones no magnéticas.
Las superaleaciones basadas en el níquel, como el Inconel, se utilizan en aplicaciones de alta
temperatura, como turbinas de gas, turbocompresores, recipientes a presión e
intercambiadores de calor.
En el caso de temperaturas extremadamente altas, se utilizan aleaciones de monocristal
para minimizar el descenso. En la electrónica moderna, el silicio monocristalino de alta
pureza es esencial para los transistores metal-óxido-silicio y los circuitos integrados.
Metalurgia extractiva
Producción de acero en una siderúrgica.
La metalurgia extractiva es el área de la metalurgia en donde se estudian y aplican
operaciones y procesos para el tratamiento de minerales o materiales que contengan una
especie útil (oro, plata, cobre, etc.), dependiendo el producto que se quiera obtener, se
realizarán distintos métodos de tratamiento.
Es la práctica que consiste en extraer los metales valiosos de un mineral y refinar los metales
en bruto extraídos en una forma más pura. Para convertir un óxido metálico o sulfuro en un
metal más puro, el mineral debe ser reducido físicamente, químicamente, o electrolítico. Los
metalúrgicos extractivos se interesan por tres flujos primarios: alimentación, concentrado
(óxido/sulfuro de metal) y relaves. (residuos).
Tras la extracción, los grandes trozos de la alimentación de mineral se rompen mediante
trituración o molienda para obtener partículas lo suficientemente pequeñas, en las que cada
partícula es mayoritariamente valiosa o mayoritariamente residuo. La concentración de las
partículas de valor en una forma que admita la separación permite extraer el metal deseado
de los residuos.
La extracción puede no ser necesaria si el yacimiento y el entorno físico son propicios para
la lixiviación. Por medio de la lixiviación se disuelven los minerales de un yacimiento y da
lugar a una solución enriquecida. La solución se recoge y se procesa para extraer los metales
valiosos. Los yacimientos minerales suelen contener más de un metal valioso.
Los relaves de un proceso anterior pueden utilizarse como alimentación en otro proceso
para extraer un producto secundario del mineral original. Además, un concentrado puede
contener más de un metal valioso. Ese concentrado se procesaría para separar los metales
valiosos en componentes individuales.
Objetivos de la metalurgia extractiva
Utilizar procesos y operaciones.
Alcanzar la mayor eficiencia posible.
Obtener altas recuperaciones (especie de valor en productos de máxima pureza).
No causar daño al medio ambiente.
Etapas de la metalurgia extractiva
Transporte y almacenamiento.
Conminución.
Clasificación.
Separación del metal de la ganga.
Purificación y refinación.1