La metalurgia de producción es la rama de la metalurgia que convierte minerales, concentrados o chatarra reciclada en metal que puede venderse y utilizarse. Cubre todo entre la mina y la acería: extraer y triturar la materia prima, separar minerales valiosos de los desechos, extraer el metal de sus compuestos químicos, refinarlo hasta una pureza controlada y, finalmente, agregar elementos de aleación en la forma y el orden correctos. La disciplina suele dividirse en tres familias de procesos y la mayoría de los diagramas de flujo industriales combinan las tres.
Qué cubre la producción metalúrgica
La metalurgia extractiva y de producción a menudo se usan indistintamente, pero producción tiene un significado más amplio: incluye los pasos de conversión que siguen a la extracción, como la fundición, el dimensionamiento y la fabricación de aleaciones maestras. Las tres familias de procesos son:
Pirometalurgia:Tratamiento a alta temperatura, incluyendo tostación, fundición, conversión y refinación al fuego. Domina la producción de hierro, acero, plomo y ferroaleaciones.
Hidrometalurgia:tratamiento en solución acuosa, incluyendo lixiviación, extracción con disolventes y precipitación. Es la ruta estándar para el zinc y para muchos metales raros y refractarios.
Electrometalurgia:Tratamiento mediante energía eléctrica, incluido el refinado electrolítico y la electroobtención. De esta forma se producen cátodos de cobre y zinc y aluminio primario.
La elección entre ellos depende de la química del mineral y del coste de la energía. Los minerales de sulfuro generalmente se funden porque el azufre puede capturarse como ácido sulfúrico, mientras que los minerales de óxido que son difíciles de reducir térmicamente se lixivian con mayor frecuencia.
Rutas de metales ferrosos y no-ferrosos
Los metales se dividen primero en ferrosos, los que se basan en hierro, y no-ferrosos, todos los demás. El siguiente cuadro resume el recorrido de los principales metales industriales.
| Metal | Materia prima típica | Ruta de producción principal | Forma de producto primario |
|---|---|---|---|
| hierro y acero | Mineral de hematita y magnetita | Alto horno, horno básico de oxígeno. | Arrabio, acero, ferroaleaciones. |
| Cobre | concentrado de sulfuro | Flotación, fundición, electrorefinación. | Cobre catódico, alambrón |
| Zinc | Mineral de sulfuro | Tostación, lixiviación, electroobtención. | Zinc especial de alta calidad |
| Aluminio | Bauxita | Refinación de alúmina, electrólisis de sales fundidas. | Lingote de aluminio primario |
| Titanio | Rutilo e ilmenita | Cloración, reducción de magnesio. | Esponja de titanio |
La producción de ferrosos tiene el mayor tonelaje por un amplio margen, y también es la más estrechamente relacionada con la adición de aleaciones, porque casi todo el acero se ajusta en su composición antes de ser fundido. Las rutas no-ferrosas suelen organizarse en torno a un solo metal, y los subproductos-se recuperan como fuente de ingresos secundaria.
Del mineral al metal: los pasos del proceso
Aunque los diagramas de flujo difieren, la mayoría de las operaciones metalúrgicas de producción siguen la misma secuencia de pasos:
Preparación de minería y materias primas:El mineral se perfora, se vola y se transporta, luego se mezcla para que la ley que ingresa a la planta se mantenga constante.
Transformación en polvo:La trituración y molienda liberan los valiosos granos minerales de la roca circundante y entre sí.
Beneficio y separación:Los métodos de gravedad, magnéticos y de flotación concentran el valioso mineral y rechazan la ganga como relave.
Extracción:el concentrado se reduce, funde o lixivia para que el metal abandone su compuesto huésped en forma metálica o disuelta.
Refinación:el refinado al fuego, la electrólisis o la destilación eliminan las impurezas residuales hasta los límites requeridos por la especificación.
Aleación y fundición:el metal refinado se ajusta, se desgasifica y se moldea en lingotes, palanquillas o aleaciones maestras para su posterior procesamiento.
Cada paso tiene una cifra de recuperación adjunta y el producto de esas cifras da el rendimiento general. Una planta que recupera el 92 por ciento del metal en beneficio y el 94 por ciento en fundición devuelve sólo alrededor del 86 por ciento del metal contenido en el mineral, razón por la cual el control de pérdidas se trata como una función central de producción en lugar de un detalle contable.
Ferroaleaciones: el puente entre el mineral y el acero
La mayoría de los elementos de aleación no se pueden agregar al acero en su forma pura: se funden a temperaturas muy altas, se oxidan fácilmente o su refinación es demasiado costosa. En lugar de ello, se añaden como ferroaleaciones, aleaciones maestras producidas por reducción carbotérmica del óxido junto con el hierro. Aunque estas aleaciones representan una pequeña fracción del tonelaje de fabricación de acero, no se puede terminar ninguna pieza de acero sin ellas.
| Ferroaleación | Contenido típico del elemento principal | Función en la fabricación de acero |
|---|---|---|
| ferrosilicio | Silicio 74 a 80 por ciento | Desoxidación y aleación de silicio. |
| Ferromanganeso con alto contenido de carbono- | Manganeso 76 a 82 por ciento | Aleación de manganeso, control de azufre. |
| Ferrovanadio | Vanadio 50 a 80 por ciento | Microaleaciones para acero estructural de alta-resistencia |
| ferrotungsteno | Tungsteno 70 a 85 por ciento | Acero para herramientas y acero{0}}resistente al calor |
| Ferromolibdeno | Molibdeno 55 a 65 por ciento | Templabilidad y resistencia a la fluencia |
Las tasas de adición se establecen mediante un sencillo balance de masa. Para poner 0,5 por ciento de manganeso en una tonelada de acero, se necesitan cinco kilogramos de manganeso en la masa fundida; con ferromanganeso con alto contenido de carbono-, 78 por ciento de manganeso y una recuperación de alrededor del 95 por ciento, la carga se divide cinco por 0,78 y luego se divide por 0,95, lo que da aproximadamente 6,7 kilogramos por tonelada de acero. La misma aritmética aplicada a cada elemento da el equilibrio de carga para un calor.
El orden de la suma importa tanto como la cantidad. Los desoxidantes se añaden antes de los elementos de aleación para que el oxígeno no consuma las adiciones más caras, y los elementos con alta afinidad por el oxígeno se añaden más tarde en el proceso, bajo una escoria que los protege de la atmósfera.
Control de calidad, formularios y estándares de productos.
La producción metalúrgica es una industria basada-en especificaciones, por lo que el análisis y el muestreo se integran en el proceso en lugar de agregarse al final. La composición química se confirma mediante espectrometría en cada colada y la distribución del tamaño se controla mediante cribado porque el comportamiento de disolución de una ferroaleación depende en gran medida del tamaño de las partículas. Los clientes suelen exigir sistemas de gestión como ISO 9001 y competencia de laboratorio de pruebas según ISO/IEC 17025, mientras que los productos individuales se compran según estándares nacionales o internacionales como GB/T 2272 para ferrosilicio, GB/T 3795 para ferromanganeso y GB/T 3648 para ferrotungsteno.
Las formas de los productos siguen el proceso posterior: material en trozos para el taller de fundición, grados granulados y en polvo para consumibles de soldadura y colada continua, y formas de alambre en briquetas o con núcleo donde se necesita una adición controlada y de baja-pérdida en la cuchara. El empaque se elige para limitar la absorción de humedad, ya que las adiciones húmedas pueden causar reacciones violentas en la masa fundida.
Preguntas frecuentes
P: ¿Cuál es la diferencia entre metalurgia de producción y metalurgia extractiva?
La metalurgia extractiva se detiene en el punto en que se obtiene el metal de su mineral. La metalurgia de producción incluye ese paso pero también cubre el refinado, la aleación y la fundición en formas comercializables.
P: ¿Qué familia de procesos se utiliza más en la industria?
Por tonelaje, la pirometalurgia lleva la delantera, porque el hierro, el acero, las ferroaleaciones y la mayoría de los metales básicos se fabrican en hornos a altas temperaturas. La hidrometalurgia y la electrometalurgia manejan materias primas de menor-grado y más complejas.
P: ¿Por qué los metales se alean en forma de ferroaleaciones?
Las ferroaleaciones reducen el punto de fusión y la densidad de la adición, reducen las pérdidas por oxidación y entregan el elemento en una forma que se disuelve de manera predecible en acero líquido. También son más baratos que refinar el elemento puro.
P: ¿Qué determina la recuperación de un elemento de aleación?
La recuperación depende de la afinidad del elemento por el oxígeno, la química de la escoria, la temperatura de adición y el tamaño de partícula de la ferroaleación. La adición tardía bajo una escoria protectora proporciona la mayor recuperación.
P: ¿Cómo se verifica la calidad del producto en la metalurgia de producción?
Cada modelo se analiza para determinar su composición química y el tamaño, la humedad y la densidad aparente se comparan con las especificaciones de compra. Los registros de trazabilidad vinculan el lote entregado con el calor y el lote de materia prima.
P: ¿Puede la chatarra reciclada reemplazar el mineral en la producción metalúrgica?
Sí, y en la fabricación de acero ya hace una gran parte del trabajo. Las rutas basadas en chatarra-evitan por completo la minería y la reducción, pero dependen de la clasificación para mantener elementos no deseados como el cobre y el estaño fuera de la masa fundida.
