Ensayo metalúrgico

Un ensayo metalúrgico es un análisis composicional de un mineral , metal o aleación , que generalmente se realiza para comprobar su pureza o calidad. ^{[ 1 ]}

Algunos métodos de ensayo son adecuados para materias primas; otros son más apropiados para productos terminados. Los metales preciosos en bruto ( lingotes ) son ensayados por una oficina de ensayo . La plata se ensaya por titulación , el oro por copelación y el platino por espectrometría de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente (ICP OES). ^{[ 2 ] [ 3 ]} Los artículos de arte o joyería de metales preciosos frecuentemente llevan sellos de garantía (dependiendo de los requisitos de las leyes del lugar de fabricación o del lugar de importación). Cuando se requiere el sello de garantía , los artículos de arte o joyería semielaborados de metales preciosos pasan por los canales de prueba oficiales donde se analizan o ensayan para determinar su contenido de metal precioso. Si bien diferentes naciones permiten una variedad de pureza legalmente aceptableSí, el ensayador realiza pruebas para determinar que la pureza del producto se ajusta a la declaración o afirmación del fabricante (generalmente mediante el estampado de un número, como 750 para oro de 18 quilates) en el artículo. Antiguamente, el ensayo se realizaba mediante el método de la piedra de toque, pero actualmente (con mayor frecuencia) se lleva a cabo mediante fluorescencia de rayos X (XRF). La XRF se utiliza porque este método es más preciso que la prueba de la piedra de toque. El método de ensayo más exacto se conoce como ensayo al fuego o copelación. Este método es más adecuado para el ensayo de lingotes y existencias de oro que para obras de arte o joyería, ya que es un método completamente destructivo.

El método de la piedra de toque es, con diferencia, el más común y no daña el objeto en cuestión. Se frota el objeto sobre una piedra especial tratada con ácidos y el resultado se compara con el de una muestra de oro de pureza conocida. Para ello se utilizaban sílex radiolario rojo o pizarra silícea negra. ^{[ 4 ]} Mediante esta prueba, se pueden determinar con precisión diferencias en el contenido de metales preciosos de tan solo 10 a 20 partes por mil, utilizando ácidos y muestras de oro de concentración específica y conocida.

La fluorescencia de rayos X (XRF) moderna es una técnica no destructiva adecuada para análisis habituales. Suele tener una precisión de 2 a 5 partes por mil y es idónea para superficies relativamente planas y de gran tamaño. Es una técnica rápida que dura aproximadamente tres minutos y los resultados se pueden imprimir automáticamente mediante ordenador.

Un proceso para el ensayo de fluorescencia de rayos X consiste en fundir el material en un horno y agitarlo para obtener una mezcla homogénea. A continuación, se toma una muestra del centro de la muestra fundida. Las muestras se suelen tomar utilizando un tubo de vacío. ^{[ 5 ]} Posteriormente, la muestra se analiza mediante espectroscopia de fluorescencia de rayos X. Para los ensayos cuantitativos de XRF, la calibración y el control de la geometría de la muestra y los efectos de la matriz son importantes para obtener resultados fiables. ^{[ 6 ]}

El método de análisis de metales preciosos más preciso, aunque totalmente destructivo, es el ensayo al fuego. (También se le conoce por la etapa crítica de copelación que separa el metal precioso del plomo). ^{[ 7 ]} Si se realiza en lingotes según las normas internacionales, el método puede tener una precisión de 1 parte en 10 000 en oro. Si se realiza en materiales de mineral mediante fusión seguida de separación por copelación, la detección puede ser de partes por mil millones. Sin embargo, la precisión en el material de mineral suele estar limitada a entre el 3 y el 5 % del valor declarado. Aunque requiere mucho tiempo, este método es el estándar aceptado para la valoración de mineral de oro, así como de lingotes de oro y plata en las principales refinerías y empresas mineras de oro. En el caso del ensayo al fuego de minerales de oro y platino, el tiempo prolongado necesario para realizar un análisis se compensa generalmente con la realización simultánea de un gran número de análisis, y un laboratorio típico estará equipado con varios hornos de fusión y copelación, cada uno capaz de tomar múltiples muestras, de modo que se pueden realizar varios cientos de análisis al día. La principal ventaja del ensayo al fuego es que permite utilizar muestras grandes, lo que aumenta la precisión en el análisis de minerales de bajo rendimiento en el rango de concentración <1 g/T.

Fusión: el proceso requiere una atmósfera reductora autogenerada, por lo que la muestra de mineral triturado se mezcla con fundentes y una fuente de carbono (por ejemplo, polvo de carbón , carbón vegetal molido, harina, etc.) mezclado con óxido de plomo en polvo (litarro) en un crisol refractario. ^{[ 8 ]} Generalmente, se colocarán varios crisoles dentro de un horno eléctrico equipado con elementos calefactores de carburo de silicio y se calentarán entre 1000 y 1200  °C. La temperatura requerida y el tipo de fundente utilizado dependen de la composición de la roca en la que se concentran los metales preciosos, y en muchos laboratorios se utiliza un enfoque empírico basado en una larga experiencia.

Se produce una reacción compleja en la que la fuente de carbono reduce el óxido de plomo a plomo, que se alea con los metales preciosos; al mismo tiempo, los fundentes se combinan con la roca triturada, reduciendo su punto de fusión y formando una escoria vítrea. ^{[ 8 ]} Cuando la fusión se completa, la muestra se vierte en un molde (generalmente de hierro) donde la escoria flota en la superficie y el plomo, ahora aleado con los metales preciosos, se hunde hasta el fondo, formando un «botón». Tras la solidificación, las muestras se extraen y las balas de plomo se recuperan para su copelación o para su análisis por otros medios.

Los detalles de los métodos para los distintos procedimientos de ensayo al fuego varían, pero la química de concentración y separación generalmente se ajusta a las tradiciones establecidas por Bugby o Shepard y Dietrich a principios del siglo XX. Los avances metodológicos desde entonces se centran principalmente en la automatización del manejo de materiales y las mediciones del acabado final (es decir, el acabado instrumental en lugar del pesaje físico del oro). Podría decirse que incluso estos textos son en gran medida una extensión de las tradiciones detalladas en De re metallica por Agrícola en 1556.

Las desviaciones de las técnicas enseñadas en las adaptaciones estándar modernas de la metodología de ensayo al fuego deben considerarse con precaución. Las tradiciones estándar cuentan con una larga trayectoria de fiabilidad; los nuevos métodos "especiales" suelen asociarse con una menor precisión en los ensayos y con el fraude .

Copelación: las balas de plomo se colocan en crisoles porosos (copeles) de ceniza de hueso u óxido de magnesio y se calientan al aire a unos 1000  °C. Este proceso se suele realizar en un horno de mufla, que contiene una mufla refractaria (generalmente de carburo de silicio con aglutinante de nitruro) calentada externamente por elementos calefactores de carburo de silicio. Un flujo de aire a través de la mufla favorece la oxidación del plomo y transporta los humos para su recolección segura fuera del horno. El plomo se funde y se oxida a óxido de plomo, que a su vez se funde y es atraído hacia los poros del copele por capilaridad. Los metales preciosos permanecen en la base del copele en forma de gránulos, que se envían para el análisis final de su contenido.

En el proceso de ensayo al fuego de lingotes, una muestra del artículo se envuelve en una lámina de plomo con cobre y plata. La muestra envuelta, junto con muestras de control preparadas, se calienta a 898,9  °C (1650  °F; la temperatura varía según el método exacto) en una copela hecha de ceniza de hueso comprimida o polvo de óxido de magnesio. Los metales base se oxidan y se absorben en la copela. El producto de esta copelación (dorado) se aplana y se trata con ácido nítrico para eliminar la plata. El pesaje preciso del contenido de metal de las muestras y los controles del proceso (pruebas) en cada etapa del proceso son la base de la extrema precisión del método. Los ensayadores europeos siguen las tradiciones de lingotes basadas en las normas de contraste . Los ensayadores de lingotes norteamericanos de renombre se ajustan estrictamente a la norma ASTM E1335, el método de ensayo estándar ASTM para determinar el oro en lingotes mediante análisis de copelación por ensayo al fuego. ^{[ 9 ]} Solo los métodos de lingotes validados y trazables a normas internacionales aceptadas obtienen precisiones genuinas de 1 parte en 10 000.

La copelación por sí sola solo puede eliminar una cantidad limitada de impurezas de una muestra. El ensayo al fuego, aplicado a minerales, concentrados o metales menos puros, añade una etapa de fusión o escorificación antes de la copelación.

A menudo se asigna un ensayador de monedas a cada casa de la moneda o oficina de ensayo para determinar y asegurar que todas las monedas producidas en la casa de la moneda tengan el contenido o pureza correctos de cada metal especificado, generalmente por ley, que deben contener. Esto era particularmente importante cuando se producían monedas de oro y plata para la circulación y se usaban en el comercio diario. Sin embargo, pocas naciones persisten en acuñar monedas de plata u oro para la circulación general. Por ejemplo, Estados Unidos dejó de usar oro en la acuñación de monedas en 1933. Estados Unidos fue una de las últimas naciones en dejar de usar plata en monedas de circulación después de su moneda de medio dólar de 1970 d. C., aunque la cantidad de plata utilizada en monedas de menor denominación se eliminó después de 1964. Incluso con el medio dólar, la cantidad de plata utilizada en las monedas se redujo del 90 % en 1964 y años anteriores al 40 % entre 1965 y 1970. Actualmente, el cobre, el níquel, el cuproníquel y las aleaciones de latón predominan en la fabricación de monedas. No obstante, varias casas de moneda nacionales, entre ellas la Casa de la Moneda de Perth en Australia, la Casa de la Moneda de Austria, la Real Casa de la Moneda Británica, la Real Casa de la Moneda de Canadá, la Casa de la Moneda de Sudáfrica y la Casa de la Moneda de Estados Unidos, siguen produciendo monedas de metales preciosos para coleccionistas e inversores. La pureza y el contenido de metales preciosos de estas monedas están garantizados por la casa de la moneda o el gobierno correspondiente, por lo que el análisis de las materias primas y las monedas terminadas constituye un importante control de calidad.

En el Reino Unido, la Prueba del Pyx es un procedimiento ceremonial para garantizar que las monedas recién acuñadas cumplan con los estándares requeridos.

• Bugby, Edward E. Un libro de texto de ensayo al fuego, 3.ª ed. (1940), Colorado School of Mines Press, Golden, Colorado.
• Fulton, HC, Manual de ensayo al fuego , McGraw-Hill Book Company, Inc., Nueva York, NY, 1911.
• Lenahan, WC y Murry-Smith, R. de L., Ensayo y práctica analítica en la industria minera sudafricana , Instituto Sudafricano de Minería y Metalurgia, Johannesburgo, Sudáfrica, 1986.
• Shepard & Dietrich, Un libro de texto sobre ensayo al fuego , McGraw-Hill Book Company, 1940.
• Taylor, PR (ed.), Prisbrey, KA, Williams, JF, Muestreo, preparación, ensayo al fuego y análisis químico de minerales y concentrados de oro y plata , Departamento de Minería, Ingeniería y Metalurgia, Universidad de Idaho, 1981.
• Smith, Ernest A. "Muestreo y análisis de metales preciosos", Met-Chem Research, Inc., Boulder, Colorado, 2.ª ed., 1947.