Proceso metalúrgico de fundición INGENIERÍA MECÁNICA AUTOMOTRIZ

La fundición es una forma de metalurgia extractiva. El proceso de fundición implica calentar y reducir la mena mineral para obtener un metal puro, y separarlo de la ganga y otros posibles elementos. Generalmente se usa como agente reductor una fuente de carbono, como el coque, el carbón o el carbón vegetal en el pasado. El carbono (o el monóxido de carbono generado a partir de él) saca el oxígeno de la mena de los óxidos (o el azufre, carbonato, etc... en los demás minerales), dejando el metal en su forma elemental. Para ello el carbono se oxida en dos etapas, primero produciéndose monóxido de carbono y después dióxido de carbono. Como la mayoría de las menas tienen impurezas, con frecuencia es necesario el uso de un fundente o castina, como la caliza, para ayudar a eliminar la ganga acompañante en forma de escoria. También se denomina fundición al proceso de fabricar objetos con metales fundidos mediante moldes, que suele ser la etapa siguiente a la fundición extractiva

 El proceso más común es la fundición en arena, por ser ésta un material refractario muy abundante en la naturaleza y que, mezclada con arcilla, adquiere cohesión y moldeabilidad sin perder la permeabilidad que posibilita evacuar los gases del molde al tiempo que se vierte el metal fundido. La fundición en arena consiste en colar un metal fundido, típicamente aleaciones de hierro, acero, bronce, latón y otros, en un molde de arena, dejarlo solidificar y posteriormente romper el molde para extraer la pieza fundida.  Colada. Vertido del material fundido. La entrada del metal fundido hacia la cavidad del molde se realiza a través de la copa o bebedero de colada y varios canales de alimentación. Estos serán eliminados una vez solidifique la pieza. Los gases y vapores generados durante el proceso son eliminados a través de la arena permeable.

PROCESO La fundición es un proceso que implica más que la simple fusión del metal para extraerlo de la mena. La mayoría de las menas minerales son compuestos en los que el metal está combinado con el oxígeno (en los óxidos), el azufre (en los sulfuros) o el carbono y el oxígeno (en los carbonatos), entre otros. Para obtener el metal en su forma elemental se debe producir una reacción química de reducción que descomponga estos compuestos. Por ello en la fundición se requiere el uso de sustancias reductoras que al reaccionar con los elementos metálicos oxidados los transformen en sus formas metálicas.

CALCINACIÓN  La calcinación es el proceso de calentar el mineral hasta altas temperaturas para disipar su materia volátil. En el caso de los carbonatos y sulfatos este proceso sirve para eliminar el azufre y el carbono no deseados, transformándolos en óxidos que pueden reducirse directamente. Por ello la calcinación en estos casos se hace en ambientes oxidantes. Algunos ejemplos prácticos son:  la malaquita, una mena corriente del cobre, es principalmente carbonato de cobre (CuCO 3 ). Este mineral se descompone térmicamente a CuO y CO 2 en varias etapas entre los 250°C y 350°C. El dióxido de carbono se libera en la atmósfera dejando el oxido de cobre que se puede reducir como se describe en la siguiente sección.  la galena, el mineral más común del plomo, se compone principalmente de sulfuro de plomo (PbS). El sulfuro se oxida a sulfito (PbSO 3 ) en su primera etapa de descomposición térmica que origina oxido de plomo y anhídrido sulfuroso gas (PbO y SO 2 ). El dióxido de azufre (como el dióxido de carbono en el ejemplo anterior) se disipa en la atmósfera y el oxido de plomo se reduce incluso en una combustión abierta al aire.

REDUCCIÓN  La reducción es la etapa final a altas temperaturas de la fundición. Aquí es cuando el óxido se convierte en metal elemental. El ambiente reductor (generalmente proporcionado por el monóxido de carbono que se produce por la combustión incompleta del carbono en el interior del horno poco ventilado) saca a los átomos de oxígeno del mineral puro. Las temperaturas necesarias varían en un amplio rango, tanto en la comparación entre los distintos metales como en la relación con el punto de fusión del propio metal. Por ejemplo:reducción  el óxido de hierro se convierte en hierro metálico alrededor de los 1250°C, casi 300 grados por debajo del punto de fusión del hierro que es de 1538°C;  el óxido de mercurio se convierte en vapor de mercurio cerca de los 550°C, casi 600 grados por encima de su punto de fusión de -38°C.

FUNDENTES  En el proceso de fundición se usan los fundentes con varios propósitos, los principales son catalizar las reacciones deseadas o que se unan químicamente a las impurezas o productos de reacción no deseados para facilitar su eliminación. El óxido de calcio, en forma de caliza, se usa a menudo con este propósito, ya que puede reaccionar con el dióxido de carbono y el dióxido de azufre producidos durante la calcinación y la reducción manteniéndolos fuera del ambiente de reacción.  Los fundentes y la escoria pueden proporcionar un servicio secundario adicional después de que se haya completado la etapa de reducción, recubrir con una capa fundida el metal purificado para evitar que entre en contacto con el oxígeno, que al estar todavía tan caliente se oxidaría rápidamente.  En la fundición del hierro se emplea la caliza al cargar el horno como fuente adicional de monóxido de carbono y como sustancia fundente. Este material se combina con la sílice presente en el mineral (que no se funde a las temperaturas del horno) para formar silicato de calcio, de mayor punto de fusión. Sin la caliza se formaría silicato de hierro, con lo que se perdería hierro metálico. El silicato de calcio y otras impurezas forman una escoria que flota sobre el metal fundido en la parte inferior del horno.

METALES COMUNES  Las menas de los metales comunes suelen ser sulfuros. Para su obtención en los últimos siglos se ha usado el horno de reverbero. Estos mantienen el combustible y los minerales de fundición separados. Tradicionalmente se usaban para realizar la primera etapa: la formación de dos líquidos, una escoria oxidada que contenga la mayor parte de las impurezas y una mata de sulfuro que contiene el sulfuro del metal deseado y algunas impurezas. Estos hornos de fundición actualmente miden unos 40 m de largo, 3 m de alto y 10 metro de ancho. El combustible que se quema en un extremo y su calor funde los sulfuros concentrados (generalmente tras una calcinación parcial), que se alimenta a través de la apertura del techo del horno. La escoria flota sobre la mata que es más pesada, y es eliminada para su desecho o reciclado. Entonces la mata de sulfuro es enviada a un convertidor metalúrgico. Los detalles de este proceso varían entre hornos dependiendo de las propiedades de los minerales que componen la mena y de su concentración.mata

Productos metalúrgicos  Productos útiles Están constituidos por los metales útiles o sus aleaciones, que en general se obtienen al estado líquido (vía seca) o en forma de lodos, grumos o placas catódicas (vía electroquímica o húmeda).  Productos intermedios Son aquellos en los que se encuentra el metal úLl liberado de la mayor parte de las impurezas que le acompañaban en la mena y posee, por tanto, una riqueza más elevada en el metal. Reciben distinta denominación según el Lpo de combinación química en que se encuentre el metal útil. Si el metal está en forma de sulfuro, el producto intermedio se conoce por el nombre de "mata". Si está en forma de arseniuro o antimoniuro, recibe el nombre de "speiss”