22.6: Refinación de Metales

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Una vez que se reduce un metal, todavía no es necesariamente lo suficientemente puro para todos los usos a los que podría ser puesto. Un ejemplo obvio es la fragilidad y baja resistencia a la tracción del arrabio, características que lo hacen adecuado para la fundición, pero poco más. Estas propiedades adversas se deben a la presencia de impurezas, un análisis típico de hierro de alto horno que muestra aproximadamente 4% C, 2% P, 2.5%, Si, 2.5% Mn y 0.1% S en peso. El refinamiento adicional para eliminar estas impurezas (especialmente el carbono) produce acero, un material mucho más fuerte y consecuentemente más útil.

La fabricación de acero implica la oxidación de las impurezas en oxígeno básico, solera abierta u hornos eléctricos. Algunos productos de oxidación (CO, CO ₂ y SO ₂) son volátiles y se separan fácilmente. Los otros terminan, junto con algunos óxidos de hierro, en una escoria que flota en la superficie del acero fundido.

En el horno de solera abierta la oxidación se debe al aire en la superficie del metal fundido. Este método de refinación de acero se desarrolló a mediados del siglo XIX, contemporáneo con la revolución industrial. Este método requiere hasta 12 horas, y el gas natural u otro combustible debe quemarse para mantener el metal líquido. Así, el hogar abierto desperdicia grandes cantidades de energía libre. El uso de combustibles fósiles sí permite reciclar hasta el 50 por ciento de chatarra de hierro, sin embargo, y el mayor tiempo de fusión permite un control algo mayor sobre la composición de un lote de acero.

Desarrollado en la década de 1950, el horno de oxígeno básico ha reemplazado al horno de solera abierta como método primario de fabricación de acero. En este proceso, el oxígeno puro se dirige sobre la superficie del arrabio fundido en un crisol grande. Parte del hierro se oxida a Fe ₃ O ₄ y Fe ₂ O ₃, formando una escoria oxidante. Las impurezas, a saber, C, P, Si, Mn y S, se oxidan al mismo tiempo. Dado que todas estas reacciones son espontáneas y exotérmicas, aportan suficiente calor para que hasta un 25 por ciento de chatarra sólida pueda fundirse en el crisol sin enfriarlo hasta el punto en que quedaría el hierro sólido. La oxidación de un lote de arrabio y chatarra normalmente toma algo más de media hora. Así, este método es mucho más rápido que el horno de solera abierta, es tres veces más eficiente.

Ahora se utilizan computadoras para interpretar análisis espectroscópicos de acero en hornos de oxígeno básico, indicando en pocos minutos qué metales deben agregarse para obtener la composición deseada. Esto ha eliminado en gran medida la última ventaja de la solera abierta y aceleró los cambios a oxígeno básico. También ha disminuido el reciclaje del hierro debido a que este último horno no puede manejar tanta chatarra. Gran parte del reciclaje del hierro se hace ahora en hornos de arco eléctrico que pueden fundir una carga de 100 por ciento de chatarra.

Además de las oxidaciones químicas utilizadas en la acería, la oxidación electrolítica y la reducción es bastante importante en el refinamiento de metales. Ya se ha descrito el refinamiento electrolítico del cobre y la producción de aluminio.