Fundición (metalurgia): qué es y cómo se obtienen los metales
Fundición (metalurgia): conoce cómo se obtienen hierro, cobre, aluminio y otros metales, procesos (altos hornos, electrólisis), fundentes y aprovechamiento de la escoria.
La fundición (o fundido metalúrgico) es el término general para obtener un metal a partir de su mineral natural. El oro es una excepción frecuente, porque suele encontrarse como metal puro (nativo). Otros metales —como el hierro, el cobre, el zinc y la plata— deben obtenerse a partir de minerales que contienen compuestos del metal (óxidos, sulfuros, carbonatos, etc.).
Conceptos básicos y etapas de la extracción
La metalurgia extractiva suele comprender varias etapas sucesivas:
- Concentración del mineral (beneficiación): separación de la mena útil de la ganga mediante trituración, molienda, flotación, separación magnética o gravimétrica.
- Tratamientos previos: calcinación o tostación para transformar sulfuros en óxidos o eliminar agua y volátiles.
- Reducción/smelting (fundición): eliminación química del oxígeno, azufre u otros elementos para obtener el metal metálico. Esta etapa suele requerir calor y, a veces, un agente reductor como coque o carbón vegetal.
- Refinación: eliminación de impurezas restantes por métodos físicos o electroquímicos (p. ej. electrólisis para cobre o electrólisis en celdas de Hall-Héroult para aluminio tras el proceso Bayer).
- Moldeo y aleación: conformado del metal fundido en lingotes, planchas o piezas y su posterior tratamiento térmico o aleación para obtener las propiedades deseadas.
Reacciones y papel del fundente
La mayoría de los minerales son óxidos, sulfuros o carbonatos. Para separar el metal se aplica calor y se provoca una reacción redox: por ejemplo, óxidos de hierro o cobre pueden reducirse con monóxido de carbono o carbono:
- Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
- MO + C → M + CO (de forma simplificada)
Los minerales no son puros, por lo que se añade un fundente para facilitar la eliminación de las impurezas (ganga). La piedra caliza es un fundente habitual: reacciona con sílice y otras impurezas formando una fase líquida menos densa llamada escoria, que flota sobre el metal fundido y puede separarse. La escoria puede procesarse y utilizarse en la fabricación de ladrillos, cemento o como material de relleno y revestimiento de carreteras.
Hornillos y métodos principales
Existen distintos procesos industriales según el metal y el tipo de mineral. A continuación se describen los más relevantes:
Hierro (altos hornos y continuación hacia acero)
El hierro se produce a partir del mineral de hierro en grandes instalaciones llamadas altos hornos. Un alto horno es una estructura vertical que se alimenta continuamente con coque, mineral de hierro y piedra caliza. Al introducir aire caliente (o gas) en la parte inferior, el coque arde y genera monóxido de carbono, que reduce los óxidos de hierro a hierro metálico:
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
El hierro reducido se funde y se recoge en el crisol inferior en fase líquida (arrabio). La piedra caliza se encargará de eliminar gran parte de la roca madre formando escoria. El arrabio puede convertirse posteriormente en acero mediante procesos como el convertidor básico (proceso Bessemer histórico o procesos modernos de oxígeno básico) que ajustan el contenido de carbono y otras impurezas. Entre los métodos anteriores y primitivos está el Bloomery, un horno más pequeño usado en la antigüedad que producía hierro esponjoso o forjado.
Aluminio (Bayer + Hall-Héroult)
El aluminio raramente se obtiene directamente por simple fundición del mineral. Primero se extrae la alúmina (Al2O3) del bauxita mediante el proceso Bayer. Después la alúmina se reduce por electrólisis en la celda Hall-Héroult: la alúmina disuelta en criolita fundida se somete a una corriente eléctrica que separa el oxígeno del aluminio metálico, depositándose éste en el cátodo. Estas celdas son consumidores intensivos de energía eléctrica y se realizan en grandes baterías de celdas electrolíticas.
Cobre (tostación, fundición y refinación electrolítica)
El cobre se suele obtener por una combinación de tostación de sulfuros (para convertir sulfuros en óxidos y expulsar azufre como SO2), fundición para separar metal y escoria, y posterior refinación. En la fundición se "queman" o eliminan al fuego el azufre y otras impurezas, obteniéndose cobre bruto (mata). La electrólisis es luego empleada para la refinación electrolítica: el cobre impuro actúa como ánodo, y en grandes tanques con una solución conductora (el electrolito) la corriente eléctrica hace que el cobre se disuelva en el ánodo y se deposite puro en el cátodo. Este cobre electrolítico alcanza muy alta pureza (>99,99 %).
Otros metales y técnicas modernas
Para metales como zinc o el plata, las rutas pueden combinar pirometalurgia (calor y fundición) y electrometalurgia (electrólisis). Además, han cobrado gran importancia técnicas hidrometalúrgicas como la lixiviación (heap leaching) para recuperar oro, cobre y uranio a partir de menas de baja ley, así como la biolixiviación que emplea microorganismos para lixiviar ciertos metales de sulfuros.
Impacto ambiental y medidas
La fundición y la minería tienen impactos ambientales significativos: emisiones de dióxido de carbono y dióxidos de azufre (SO2), generación de colas y relaves, contaminación de aguas (drainaje ácido de minas) y consumo intensivo de energía. Para mitigarlos se aplican:
- Sistemas de depuración de gases (filtros, depuradores y tratamientos para SO2).
- Gestión segura de relaves y rehabilitación de canteras.
- Reciclado de metales (recuperación de chatarra) que consume menos energía que la extracción primaria.
- Mejoras en eficiencia energética y captura de CO2.
Importancia histórica
La metalurgia, y especialmente la fundición, fue clave en el desarrollo de las primeras civilizaciones. Los primeros indicios de fundición de cobre datan entre el 5500 y el 5000 a.C.; y algunos de los yacimientos más antiguos se encuentran en Pločnik y Belovode (Serbia). El dominio de la fundición permitió fabricar herramientas, armas y elementos estructurales que transformaron sociedades y economías.
Reciclaje y futuro
Hoy una parte creciente de la demanda de metales se cubre mediante reciclaje de chatarra: este proceso reduce el consumo de mineral, la energía y las emisiones. Al mismo tiempo, la investigación en nuevas técnicas (hidrometalurgia avanzada, electrólisis con electricidad renovable, y procesos menos contaminantes) busca hacer la obtención de metales más sostenible.
En resumen, la fundición abarca una variedad de procesos (pirometalurgia, electrometalurgia e hidrometalurgia) y etapas (concentración, tostación/calcificación, reducción, refinación) adaptadas a cada metal y mineral, y su práctica equilibrada con la protección ambiental es un desafío tecnológico y social clave en la industria moderna.
Chimenea de fundición de cobre - geograph.org.uk - 827814
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es la fundición?
R: La fundición es el proceso de extracción de un metal a partir de su mineral natural.
P: ¿Qué metales requieren fundición?
R: Los metales como el hierro, el cobre, el zinc y la plata necesitan ser extraídos de su mena mediante la fundición.
P: ¿Qué se utiliza en el proceso de fundición?
R: El proceso de fundición suele implicar el calentamiento del mineral y también puede utilizar un agente reductor como el coque o el carbón vegetal. Se añade un fundente como la piedra caliza para arrastrar las impurezas.
P: ¿Cómo se produce el hierro a partir de su mena?
R: El hierro se produce a partir de su mineral utilizando un alto horno que consiste en alimentarlo con coque, mineral de hierro y piedra caliza. A continuación, se insufla aire caliente en el horno para que el coque arda y reduzca el oxígeno del mineral produciendo hierro desnudo y dióxido de carbono, mientras que la piedra caliza aglutina cualquier resto de roca madre. El hierro se funde en caliente en el fondo del horno y puede entonces trabajarse para convertirlo en acero.
P: ¿Cómo se extrae el aluminio de su mineral?
R: El aluminio se extrae de su mineral utilizando hornos eléctricos llamados hornos de arco eléctrico en los que el mineral de aluminio se vierte en el fondo del horno y la corriente eléctrica lo atraviesa dando lugar a altas temperaturas que separan el oxígeno dejando tras de sí aluminio metálico.
P: ¿Cómo se extrae el cobre de sus menas?
R: El cobre se extrae de sus minerales vertiéndolo sobre una llama desnuda que quema el azufre y otras impurezas dejando tras de sí cobre en bruto o por electrólisis que utiliza una corriente eléctrica para separar el cobre en grandes piscinas que contienen una solución de agua llamada electrolito con todo el cobre reunido en un electrodo llamado cátodo.
P: ¿Cuándo comenzó la metalurgia?
R: La metalurgia comenzó alrededor del 5500 a.C.-5000 a.C. cuando se encontraron pruebas de fundición de cobre en yacimientos de Pločnik y Belovode, Serbia
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