Fundición

En el caso de sulfuros y carbonatos, un proceso llamado " tostación " elimina el carbono o azufre no deseado, dejando un óxido más adecuado para la reducción a metal. La tostación se suele realizar en un ambiente oxidante. Algunos ejemplos prácticos:

Para los minerales de sulfuro, la tostación produce la sustitución del sulfuro, parcial o totalmente, por óxido. Para el disulfuro de molibdeno, el principal mineral de Mo, la tostación se lleva a cabo de la siguiente manera: ^{[ 4 ]}

MoS₂ + _3O₂ → _{MoO₂ +} 2SO₂_​

La reducción es la etapa final a alta temperatura en la fundición, en la que el óxido se convierte en el metal elemental. Un ambiente reductor (a menudo proporcionado por monóxido de carbono, producido por combustión incompleta en un horno con poco aire) extrae los últimos átomos de oxígeno del metal en bruto. La fuente de carbono actúa como reactivo químico para eliminar el oxígeno del mineral, obteniendo como producto el elemento metálico purificado. La fuente de carbono se oxida en dos etapas. Primero, el carbono (C) se quema con el oxígeno ( _O₂ ) del aire para producir monóxido de carbono (CO). Segundo, el monóxido de carbono reacciona con el mineral (por ejemplo, Fe₂O₃ ) _y elimina uno de sus átomos de oxígeno, liberando dióxido de carbono ( CO₂ ). Tras sucesivas interacciones con _{el monóxido de carbono, se elimina todo el oxígeno del mineral, dejando el elemento metálico en bruto (por ejemplo ,} Fe). ^{[ 5 ]} Como la mayoría de los minerales son impuros, a menudo es necesario utilizar un fundente , como la caliza (o la dolomita ), para eliminar la ganga de roca que los acompaña en forma de escoria. Esta reacción de calcinación emite dióxido de carbono.

La temperatura requerida varía tanto en términos absolutos como en función del punto de fusión del metal base. Ejemplos:

• El óxido de hierro se convierte en hierro metálico a aproximadamente 1250  °C (2282  °F o 1523  K), casi 300 grados por debajo del punto de fusión del hierro de 1538  °C (2800  °F o 1811  K). ^{[ 6 ]}
• El óxido mercúrico se convierte en mercurio gaseoso cerca de los 550  °C (1022  °F o 823  K), casi 600 grados por encima del punto de fusión del mercurio de -38  °C (-36,4  °F o 235 K), y también por encima del punto de ebullición  del mercurio . ^{[ 7 ]}

Los fundentes son materiales que se añaden al mineral durante la fundición para catalizar las reacciones deseadas y unirse químicamente a las impurezas o productos de reacción no deseados. El carbonato de calcio o el óxido de calcio en forma de cal se utilizan con frecuencia para este fin, ya que reaccionan con las impurezas de azufre, fósforo y silicio, permitiendo su fácil separación y eliminación en forma de escoria. Los fundentes también pueden servir para controlar la viscosidad y neutralizar ácidos no deseados.

El fundente y la escoria cumplen una función secundaria una vez finalizada la etapa de reducción: forman una capa fundida sobre el metal purificado, impidiendo el contacto con el oxígeno mientras aún está lo suficientemente caliente como para oxidarse fácilmente. Esto evita la formación de impurezas en el metal.

Los minerales de metales base suelen ser sulfuros. En los últimos siglos, se han utilizado hornos de reverbero para mantener la carga a fundir separada del combustible. Tradicionalmente, se empleaban para la primera etapa de la fundición: la formación de dos líquidos, uno una escoria de óxido que contiene la mayor parte de las impurezas, y otro una mata de sulfuro que contiene el valioso sulfuro metálico y algunas impurezas. Estos hornos de reverbero miden hoy en día unos 40  metros de largo, 3  metros de alto y 10  metros de ancho. El combustible se quema en un extremo para fundir los concentrados de sulfuro secos (generalmente después de un tostado parcial), que se introducen a través de aberturas en el techo del horno. La escoria flota sobre la mata, más pesada, y se retira y desecha o se recicla. La mata de sulfuro se envía entonces al convertidor . Los detalles precisos del proceso varían de un horno a otro según la mineralogía del yacimiento.

Si bien los hornos de reverbero producían escorias con muy poco cobre, eran relativamente ineficientes energéticamente y desprendían una baja concentración de dióxido de azufre que era difícil de capturar; una nueva generación de tecnologías de fundición de cobre los ha reemplazado. ^{[ 9 ]} Los hornos más recientes utilizan la fundición en baño, la fundición con lanza de chorro superior, la fundición instantánea y los altos hornos. Algunos ejemplos de fundiciones en baño incluyen el horno Noranda, el horno Isasmelt , el reactor Teniente, la fundición Vunyukov y la tecnología SKS. Las fundiciones con lanza de chorro superior incluyen el reactor de fundición Mitsubishi. Las fundiciones instantáneas representan más del 50% de las fundiciones de cobre del mundo. Hay muchas más variedades de procesos de fundición, incluidos Kivset, Ausmelt, Tamano, EAF y BF.

El cobre fue el primer metal en fundirse. ^{[ 11 ]} Se debate cómo se produjo el descubrimiento. Las fogatas tienen  una temperatura unos 200 °C inferior a la necesaria, por lo que algunos proponen que la primera fundición de cobre pudo haber ocurrido en hornos de cerámica . ^{[ 12 ]} (El desarrollo de la fundición de cobre en los Andes, que se cree que ocurrió independientemente del Viejo Mundo , pudo haber ocurrido de la misma manera. ^{[ 10 ]} )

La evidencia más antigua actual de fundición de cobre, que data de entre 5500  a. C. y 5000  a. C., se ha encontrado en Pločnik y Belovode, Serbia. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Una cabeza de maza encontrada en Turquía y datada en 5000  a. C., que antes se creía que era la evidencia más antigua, ahora parece ser de cobre nativo martillado. ^{[ 15 ]}

Los bronces de cobre y estaño, más duros y duraderos, se desarrollaron alrededor del 3500  a. C., también en Asia Menor. ^{[ 16 ]}

Actualmente, el producto directo de las fundiciones de cobre es el cobre anódico , cuya pureza oscila entre el 98,5 y el 99,8 %. ^{[ 17 ] [ 18 ]} El cobre anódico puede luego ser electrorefinado para producir cobre catódico con una pureza del 99,99 %. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

Se creía que las cuentas de plomo fundido más antiguas conocidas se encontraban en el yacimiento de Çatalhöyük , en Anatolia ( Turquía ), y databan de alrededor del 6500  a. C. ^{[ 19 ]} Sin embargo, investigaciones recientes han descubierto que no se trataba de plomo, sino de cerusita y galena, minerales ricos en plomo, pero distintos de este. ^{[ 20 ]}

Dado que el descubrimiento tuvo lugar varios milenios antes de la invención de la escritura, no existe ningún registro escrito de cómo se produjo. Sin embargo, el estaño y el plomo pueden fundirse colocando los minerales en un fuego de leña, lo que deja abierta la posibilidad de que el descubrimiento haya ocurrido por accidente. ^{[ 21 ]} No obstante, estudios recientes han puesto en duda este hallazgo. ^{[ 22 ]}

El plomo es un metal común, pero su descubrimiento tuvo un impacto relativamente pequeño en el mundo antiguo. Es demasiado blando para usarlo en elementos estructurales o armas, aunque su alta densidad en comparación con otros metales lo hace ideal para proyectiles de honda . Sin embargo, debido a su facilidad de fundición y moldeo, los trabajadores del mundo clásico de la Antigua Grecia y la Antigua Roma lo utilizaron ampliamente para canalizar y almacenar agua. También lo emplearon como mortero en edificios de piedra. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

El estaño era mucho menos común que el plomo, es solo ligeramente más duro y, por sí solo, tuvo un impacto aún menor.

La evidencia más antigua de la producción de hierro es un pequeño número de fragmentos de hierro con las cantidades apropiadas de mezcla de carbono encontrados en las capas protohititas de Kaman-Kalehöyük y datados entre 2200 y 2000  a. C. ^{[ 25 ]} Souckova-Siegolová (2001) muestra que los utensilios de hierro se fabricaban en Anatolia Central en cantidades muy limitadas alrededor del 1800 a. C. y eran de uso generalizado entre las élites, aunque no entre la gente común, durante el Imperio Nuevo Hitita (~1400–1200 a. C.). ^{[ 26 ]}

Los arqueólogos han encontrado indicios de la metalurgia del hierro en el Antiguo Egipto , entre el Tercer Período Intermedio y la XXIII Dinastía (aprox. 1100-750  a. C.). Sin embargo, resulta significativo que no hayan hallado evidencia de fundición de mineral de hierro en ningún período (premoderno). Además, se han encontrado ejemplos muy tempranos de producción de acero al carbono hace unos 2000 años (alrededor del siglo I d . C.) en el noroeste de Tanzania , basados ​​en complejos principios de precalentamiento. Estos descubrimientos son importantes para la historia de la metalurgia. ^{[ 27 ]}

La mayoría de los procesos iniciales en Europa y África implicaban la fundición del mineral de hierro en un horno de refinación , donde la temperatura se mantenía lo suficientemente baja como para que el hierro no se fundiera. Esto producía una masa esponjosa de hierro llamada refinación, que luego debía consolidarse con un martillo para producir hierro forjado . Algunas de las primeras evidencias hasta la fecha de la fundición de hierro en horno de refinación se encuentran en Tell Hammeh , Jordania, con una datación por radiocarbono de aproximadamente el 930 a . C. ^{[ 28 ]}

Se tiene constancia de que Lejja, una aldea en Nsukka, estado de Enugu, Nigeria, se dedicaba a la fundición de hierro ya antes del año 2000 a. C. ^{[ 29 ]}

Desde la época medieval, un proceso indirecto comenzó a reemplazar la reducción directa en hornos de fundición. Este proceso utilizaba un alto horno para producir arrabio , que luego debía someterse a un proceso adicional para obtener hierro forjable en barra. Los procesos para la segunda etapa incluyen el refinado en una fragua de refinamiento . En el siglo XIII, durante la Alta Edad Media, China introdujo el alto horno, que ya utilizaba desde el año 200 a. C. durante la dinastía Qin . El pudelado también se introdujo en la Revolución Industrial .

Ambos procesos están ahora obsoletos, y el hierro forjado rara vez se fabrica. En su lugar, el acero dulce se produce mediante un convertidor Bessemer o por otros medios, incluidos procesos de reducción por fundición como el proceso Corex .

Los contaminantes atmosféricos generados por las fundiciones de aluminio incluyen sulfuro de carbonilo , fluoruro de hidrógeno , compuestos policíclicos , plomo, níquel , manganeso , bifenilos policlorados y mercurio . ^{[ 34 ]} Las emisiones de las fundiciones de cobre incluyen arsénico, berilio , cadmio , cromo , plomo, manganeso y níquel. ^{[ 35 ]} Las fundiciones de plomo suelen emitir arsénico, antimonio , cadmio y diversos compuestos de plomo. ^{[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]}

Los contaminantes de las aguas residuales descargadas por las acerías incluyen productos de gasificación como benceno , naftaleno , antraceno , cianuro , amoníaco , fenoles y cresoles , junto con una gama de compuestos orgánicos más complejos conocidos colectivamente como hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP). ^{[ 39 ]} Las tecnologías de tratamiento incluyen el reciclaje de aguas residuales; tanques de sedimentación , clarificadores y sistemas de filtración para la eliminación de sólidos; desnatadores y filtración de aceite; precipitación química y filtración para metales disueltos; adsorción de carbono y oxidación biológica para contaminantes orgánicos; y evaporación. ^{[ 40 ]}

Los contaminantes generados por otros tipos de fundiciones varían según el mineral del metal base. Por ejemplo, las fundiciones de aluminio suelen generar fluoruro , benzo(a)pireno , antimonio y níquel, además de aluminio. Las fundiciones de cobre suelen descargar cadmio, plomo, zinc , arsénico y níquel, además de cobre. ^{[ 41 ]} Las fundiciones de plomo pueden descargar antimonio , amianto, cadmio, cobre y zinc, además de plomo. ^{[ 42 ]}

Los trabajadores que laboran en la industria de la fundición han reportado enfermedades respiratorias que limitan su capacidad para realizar las tareas físicas que exigen sus trabajos. ^{[ 43 ]}

En Estados Unidos, la Agencia de Protección Ambiental ha publicado reglamentos de control de la contaminación para las fundiciones.

• Normas de contaminación del aire según la Ley de Aire Limpio ^{[ 44 ]}
• Normas de contaminación del agua ( directrices sobre efluentes ) en virtud de la Ley de Agua Limpia . ^{[ 45 ] [ 46 ]}