LOS METALES Dpto. de Tecnología del I.E.S. Trassierra. Córdoba. 1. Definición 2. Extracción minas a cielo abierto mina subterránea

Transcripción

1 1. Definición Los metales son materiales que se caracterizan principalmente por: - Conducir bien a su través el calor y la electricidad. - Tener un brillo característico (en una zona rayada o cortada sin óxido ni pintura). - Ser sólidos a temperatura ambiente (excepto el mercurio, Hg) y por tanto impermeables. 2. Extracción Los metales son materiales que se obtienen a partir de los minerales que forman parte de las rocas. La extracción se realiza en minas a cielo abierto, si la capa de mineral se halla a poca profundidad; si el yacimiento o filón es profundo, la excavación se lleva a cabo bajo tierra y recibe el nombre de mina subterránea. En ambos tipos de explotaciones se hace uso de explosivos, excavadoras, taladradoras y otra maquinaria, con el fin de arrancar el mineral de la roca. Seguidamente se transporta por diferentes medios (cintas transportadoras, camiones gigantes, y ferrocarril o barcos) a las fundiciones para producir el metal correspondiente. 3. Tipos de metales Existen varios criterios de clasificación de los metales. Si nos atenemos a su composición, los metales pueden clasificarse en férricos y no férricos: Metales férricos: son aquellos cuyo componente principal es el hierro (Fe). En la corteza terrestre hay gran cantidad de minerales que contienen hierro; tras su extracción se someten a diferentes procesos para obtenerlo. El hierro casi no se utiliza puro (además de ser costoso obtenerlo como tal, no goza de buenas propiedades para las aplicaciones comerciales y se corroe con facilidad), sino en aleaciones (mezclas de dos o más elementos químicos, uno de los cuales, al menos, ha de ser un metal, para mejorar sus propiedades). Las aleaciones del hierro de mayor uso son las que contienen carbono (derivado de la producción en el alto horno). Según el porcentaje de dicho elemento, los metales férricos se clasifican en: Hierro puro. La proporción de carbono (C) se sitúa entre el 0,008% y el 0,03%. Aceros. En este caso oscila entre el 0,03% y el 1,75 %. Aceros inoxidables. La misma concentración y un mín. del 12% de cromo (Cr). Fundiciones. La concentración de carbono se encuentra entre el 1,76 y el 6,67 %. Metales no férricos: son aquellos en cuya composición no está el hierro, como son: ALUMINIO (Al), COBRE (Cu), NÍQUEL (Ni), PLOMO (Pb), ESTAÑO (Sn), ZINC (Zn), etc. y sus aleaciones. Aunque los metales férricos son los más utilizados en la actualidad, algunas de sus propiedades hacen que resulten poco adecuados para determinados usos, por ello se utilizan otros muchos materiales metálicos no procedentes del hierro. Estos metales tienen una gran variedad de aplicaciones, sin embargo, su obtención es, por lo general, muy costosa debido a la pequeña concentración de sus menas y al elevado consumo energético necesario para su obtención. 4. Obtención de los metales férricos HIERRO (Fe).- Los principales minerales son el oligisto, la pirita, la limonita, la magnetita y la siderita. Tras su extracción, el mineral se transforma a partir de dos procesos básicos de fusión: A) EN ALTO HORNO Consiste en introducir, por la parte superior de un horno como el de las ilustraciones, los siguientes productos: - El mineral de hierro. - Carbón (coke: hulla desengrasada para facilitar al máx. la combustión) para alimentar el fuego y fundir. - Fundentes que favorecen el proceso y separan los desechos (escorias). 1 de 8

2 Todo ello en las adecuadas cantidades y estado (triturado, en polvo, etc.). Cerca de la base del horno se inyecta aire caliente (con oxígeno y hasta gas natural) para favorecer la combustión del carbón que genera calor suficiente como para fundir el mineral de hierro, siendo separado el metal de otros productos de desecho (escoria) que tiene el mineral. El metal obtenido (arrabio, con un altísimo contenido de carbono) se envía en estado de fusión a otros hornos, como los que se describen a continuación, para eliminar la cantidad de carbono que convenga y, si se desea, producir aleaciones añadiendo otros materiales. B) EN HORNOS ELÉCTRICOS O DE GAS Estos hornos se diferencian de los anteriores en que no utilizan carbón como combustible. El calor para elevar la temperatura del horno y fundir el mineral de hierro se produce mediante resistencias o arcos eléctricos o mediante quemadores de gas. Tiene la ventaja sobre los altos hornos de que contaminan menos y que se introducen menos impurezas en el metal fundido, con lo que se consigue antes y mejor el metal que deseamos obtener. El mayor inconveniente es que el producto resulta más caro porque lo es la fuente de energía y se requiere más tiempo por cada tonelada producida; aunque esto puede mejorarse porque al mismo tiempo al hierro fundido se le pueden añadir los materiales necesarios para producir aleaciones. Finalmente, al metal se le da forma de lingotes (barras de hierro para su posterior transformación en frío o en caliente: moldeo, mecanizado y conformado) o se vierte en moldes para que cuando se enfríe y solidifique tome su forma (moldeo por fundición). 5. Obtención de los metales no férricos A los minerales correspondientes hay que quitarles las impurezas para que quede el metal correspondiente, lo que se hace mediante las siguientes operaciones: molido lavado (para eliminar tierras y otros elementos extraños) con agua o ácidos filtrado secado fundición en hornos (sistema semejante al del hierro); para obtener las aleaciones se funden los metales, se mezclan homogéneamente en el horno y luego se enfría y solidifica en moldes. en otros casos, como los del cobre y el aluminio, se añade la electrólisis (descomposición por paso de la electricidad). Una vez obtenido el metal puro o la aleación se trabaja como en los férricos para obtener objetos. 2 de 8

3 6. Propiedades de los metales PROPIEDADES FÉRRICOS NO FÉRRICOS Mecánicas (fuerzas) Térmicas (calor) Eléctricas y magnéticas Otras Tenacidad: resistencia a deformarse o romperse bajo la acción de una fuerza; influye en el conformado, sobre todo en frío (aplanado, hilado, plegado, enrollado) y en la resistencia mecánica a esfuerzos de tracción, compresión, flexión, etc. Plasticidad: capacidad para deformarse permanentemente (sin romperse) bajo la acción momentánea de una fuerza; maleabilidad si es en láminas (chapas) y ductilidad si es en hilos (cables o alambres). Elasticidad: capacidad de recuperar la forma y tamaño iniciales tras una deformación Dureza: resistencia a ser rayado o desgastado por rozamiento; influye en el mecanizado (aserrado, taladrado, limado.) Conductividad térmica: capacidad para transmitir el calor a su través Dilatación y contracción: variación del tamaño con la temperatura Punto de fusión: temperatura (en ºC) a la que funde; influye en la soldadura y en el coste de fabricación de objetos (se gasta energía para fundir...). Conductividad eléctrica: capacidad para transmitir corrientes eléctricas a su través Magnetización: capacidad para ser magnetizado Resistencia a la corrosión: capacidad para resistir la degradación por oxidación, por ataque de sustancias ácidas o salinas, etc. Acústica: conducción/emisión de sonido (campanas diversas). Aumenta con el contenido de carbono, si bien también lo hace la fragilidad (facilidad con que se pueden romper al sufrir fuertes impactos). Disminuye con el aumento en el contenido de carbono Aumenta con el contenido de carbono Aceptable Notable En torno a los 1500 Aceptable Alta. Baja en general; mejora con el contenido en carbono y es muy buena en el acero inoxidable. Buenos. Densidad: masa/volumen (Kg/m 3 ) 7800 Reciclabilidad Aspecto superficial 3 de 8 En general son < en los férricos, si bien los aleados como el duraluminio (AlCu) destacan a pesar de su ligereza; mayores aún en el bronce (CuSn). Excepto el bronce, en general > en los férricos En general < en los férricos Excepto el bronce, en general < en los férricos En general mucho mejor que en los férricos Excepto el bronce, en general < en los férricos Cobre: 1080 Níquel: 1000 Aluminio: 660 Cinc: 420 Estaño: 232 En general mucho mejor que en los férricos: platino (Pt) > oro (Au) > plata (Ag) > cobre > estaño > aluminio Excepto cobalto (Co) y níquel (Ni), no magnetizables. En general mucho mejor que en los férricos, especialmente el plomo (Pb); reaccionan fácilmente con el oxígeno y se cubren de una capa de óxido al poco tiempo de estar a la intemperie. Destaca el bronce. Cobre: 8500 Aluminio: 2700 Bronce: 8900 Los metales, una vez desechados, pueden volverse a procesar industrial e indefinidamente (fundiéndolos) para nuevos usos. Por su brillo y color, incluso oxidados, son muy utilizados en ornamentación, especialmente los no férricos: latón, bronce, alpaca, etc., si bien ya se usa bastante el acero inoxidable.

4 7. Técnicas de trabajado con herramientas manuales Marcado Botador, buril o granete Compás de puntas Se utiliza para marcar puntos en láminas y barras, fundamentalmente para iniciar taladrados. Se utilizan para marcar líneas rectas y arcos de circunferencias sobre planchas metálicas. Se utilizan para doblar el material. Doblado o plegado y curvado Alicates y martillo de nailon Tijeras de chapa Se emplean para cortar láminas blandas y flexibles, de pequeño grosor. Corte ES VITAL SUJETAR LA PIEZA CON EL TORNO DE BANCO O LOS SARGENTOS Y SIMILARES AL USAR LAS SIERRAS! Sierra de arco Sierra de calar y radial Se utiliza cuando los cortes requieren precisión. Máquinas eléctricas para cortar planchas o láminas delgadas de grandes dimensiones. Perforado ÍDEM Taladrador de mano o vertical Permite realizar agujeros en un metal mediante una broca que gira a la vez que avanza. Desbastado ÍDEM Lima Lijadora Con ella es posible arrancar el material sobrante de la pieza manualmente. Es una máquina eléctrica que se emplea para arrancar el material sobrante y pulir. 4 de 8

5 8. Uniones 8.1. Uniones desmontables. Permiten la unión y separación de las piezas mediante elementos roscados, sin que se produzca rotura de los elementos de unión ni deterioro de las piezas. Tornillo pasante con tuerca Éste tornillo atraviesa por un lado las piezas que se van a unir, y la tuerca se enrosca a la parte del tornillo que sobresale por el otro lado. Tornillo de rosca cortante El tornillo se enrosca en una de las piezas que se van a unir, pero la rosca se realiza a medida que el tornillo se va introduciendo en la pieza Uniones fijas. A diferencia de las anteriores, en las uniones fijas no es posible separar las piezas sin que estas se deterioren o se produzca la rotura del elemento de unión. Se utilizan cuando no se prevé la separación o desmontaje de las piezas unidas. Se trata de una pieza cilíndrica que presenta en uno de sus extremos una cabeza; ésta se introduce en los orificios de las piezas que se van a unir; a Remache continuación, con una herramienta llamada remachadora, se expande dicha cabeza ocupando todo el espacio, de modo que las dos piezas queden unidas. Adhesivos Son sustancias capaces de producir una unión permanente cuando se interponen entre dos superficies metálicas. Hay adhesivos termofusibles, de dos componentes e instantáneos. Es la unión de materiales por medio de la aplicación de calor y presión sobre sus superficies. Es necesaria la aportación de material. Si el material que hay que aportar es de la misma naturaleza que el de las piezas que se van a unir, se denomina soldadura homogénea. Si el material es de distinta naturaleza, se llama Soldadura soldadura heterogénea. Dentro de este tipo, tenemos la soldadura blanda (entre 100 y 200ºC) o fuerte (por encima de 500ºC). En la soldadura blanda se utiliza un soldador eléctrico y como material de aportación, una aleación de estaño y plomo, que se comercializa en forma de carrete. 9. Acabado. El acabado de un producto consiste en la aplicación de lacas, pinturas y esmaltes con una doble finalidad: por un lado, protegerlo de la humedad y la corrosión; por el otro, embellecerlo al proporcionar brillo y color al objeto acabado. Antes de aplicar la pintura o laca, es importante limpiar el metal de grasas y suciedad. Después se lima la pieza hasta que esté uniforme. Este proceso se puede hacer con una máquina lijadora o a mano. En este último caso se utiliza una tela de esmeril que actúa de lima, a la que se añade un abrasivo. La superficie del metal se debe frotar siempre con movimientos circulares. Una buena capa de pintura proporciona excelente protección a la superficie del metal. Hay una gran variedad de colores y texturas. Antes de pintar, conviene añadir un producto anticorrosivo para que la protección sea más duradera. De este modo, aun en el caso de que la pintura se elimine, el metal seguirá protegido. 5 de 8

6 6 de 8 En ciertos metales, como el cobre y el latón, es más frecuente la utilización de lacas, que retardan la desaparición de su brillo característico. Los pinceles, las brochas y los rodillos son utensilios que se utilizan para aplicar pinturas y otros productos a los materiales. Están compuestos por un mechón de cerda o fibras, sujeto al extremo de una varilla o mango. Se fabrican de distintos tamaños y calidades. 10. COSTES AMBIENTALES DE LA PRODUCCIÓN Y USO DE LOS METALES FASE PROBLEMA SOLUCIÓN EXTRACCIÓN (Minería) PRODUCCIÓN (Metalurgia) RESIDUOS (Desechos) Impacto visual o paisajístico de la mina, normalmente a cielo abierto: grandes hoyos artificiales y aterrazados, que en algunos casos pueden ser gigantescos. Degradación del entorno y de las aguas por depósito de escombros y polvo derivado del tráfico de acarreo de tierras. Contaminación de tierras y aguas por lavado de minerales (lodos). Impacto visual o paisajístico de instalaciones industriales: tinglados y estructuras diversas, grandes chimeneas, almacenaje de materiales al aire libre, etc. Polvo y humos en ambiente que precipitan manchándolo todo y que la lluvia arrastra. Producción de óxidos de azufre (SO x ), que da lugar a la lluvia ácida al quemar carbón, en unos casos y dióxido de carbono (CO 2 ), que contribuye al efecto invernadero como consecuencia de afinos y combustiones, en general. Manejo de sustancias tóxicas y con alto riesgo contaminante o de incendio: combustibles, oxígeno (O 2 ), metales pesados en polvo, etc. Elevado consumo energético: Sólidos (carbón) Combustibles: Líquidos(petrolíferos) Gases (Gas Natural) Electricidad: En el caso del aluminio, para producir de 80 a 100 Kg, se consume tanta energía como en un hogar medio durante un año. Desperdicio energético al tirar latas de aluminio y hojalata. Plomo de perdigones para cazar en el campo: alteraciones en la composición natural de tierra, plantas y animales. Normalmente se aprovechan cobre, aluminios, aceros y fundiciones como chatarra porque son los más rentables, dejándose todo lo demás. Restauración del paisaje (rellenado del hoyo) con el avance de la explotación y, al final, regeneración de suelos, creación de lagos, repoblación forestal adecuada, etc. Ubicación y cuidado apropiados de escombreras, evitando escorrentías a cauces de agua. Riego de caminos con agua. Depuración y almacenaje apropiado de aguas de lavado (el suceso de las minas de Aznalcóllar en 1998). Instalación en zonas preparadas al efecto (polígonos industriales, alejados de zonas habitadas y/o verdes, especialmente de las protegidas). Cubrición de tinglados y estructuras. Plantación de árboles apropiados (cortina verde). Instalación de filtros en escapes y reutilización de lo recuperado. Uso de carbones más libres de azufre (S) u otros combustibles mejores. Purificación de gases combustión con agua-lluvia artificial o con cal pulverizada, en cuyo caso se obtiene yeso. Contra la producción de CO 2, sólo se puede reducir la combustión en lo posible, mejorando el rendimiento del proceso. Aplicación estricta de normas de seguridad y supervisión técnica rigurosa por la administración. Mejora del rendimiento de los procesos para reducir al mínimo posible el consumo. Reciclaje de basuras. Empleo de otros materiales no contaminantes. Investigación y desarrollo de nuevas ideas.

7 ACTIVIDADES 1. Describe una mina a cielo abierto (busca información en la red). 2. Explica cuál es la diferencia entre dureza y tenacidad. 3. Completa la siguiente tabla acerca de los metales férricos: Metal férrico Hierro puro Fundición % de carbono Entre 0,03 % y 1,75 % 4. Indica cuáles son las aleaciones del cobre, así como su composición y los usos de cada una de ellas (Busca esta in formación en la red, por ejemplo en Wikipedia). 5. De qué metal fabricarías los siguientes artículos? Razona tu respuesta refiriéndote a las propiedades que se precisan en función de lo que deben soportar/ofrecer los materiales en cada caso: a) Una cafetera. b) Unos alicates. c) Unas tijeras. d) La bola y la punta de un bolígrafo. e) Una broca para perforar metales 7 de 8

8 f) Un tenedor. g) Una reja de ventana con filigranas (adornos) h) Interior de la batería de un coche. i) Un tornillo. j) El tambor de una lavadora. k) Una bicicleta de carreras. l) Una espumadera para frituras. m) Una placa con el nombre de una calle. n) Un motor de un coche o de una motocicleta. o) Cables eléctricos. 6. El caballo del Gran Capitán de la plaza de las Tendillas de Córdoba es de bronce; indica por qué, a tu entender, no se ha elegido otro. 7. En ciertos muebles dotados de puertas, para que éstas puedan permanecer cerradas pero sin fijarlas con llave, se disponen imanes en algún punto del marco correspondiente para que al cerrarlas se peguen a aquéllos mediante unas plaquitas metálicas que les quedan enfrentadas. De qué metal se hacen y por qué? 8. Qué diferencias existen entre el tornillo pasante con tuerca, el tornillo de unión y el tornillo de rosca cortante? 9. Qué son los remaches? 10. Busca en Wikipedia, Wiki-Tecnología y en la Red datos e imágenes sobre el desastre de Aznalcóllar, instalaciones mineras y siderúrgicas para hacerte una idea del aspecto que tienen y su funcionamiento. 8 de 8