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La era de los metales, Edad de Bronce

El cobre, además del oro, también es atractivo a la vista y es muy maleable. Se realizaron con este mineral las primeras armas y fue uno de los metales que más se utilizó durante el neolítico ya que es tan maleable que se puede modelar con martillos. Sólo se utilizó inicialmente en su estado natural, pero debido a su fragilidad no es útil para herramientas de trabajo, más bien se utilizaba para piezas ornamentales y algunas armas. Se han encontrado instrumentos de cobre puro en diferentes partes del globo demostrando que fue un material muy usado y conocido. Más tarde se descubrió accidentalmente que por medio del calor el cobre podía pasar de estado sólido al líquido.

Con el control del calor en el horno se fundieron el cobre y otros metales, así también se descubrieron otros procesos donde se generaban aleaciones como el bronce, que es una aleación de cobre y estaño. Este proceso abrió las puertas a un nuevo mundo donde los materiales se podían crear y diseñar para su uso futuro.

El bronce ofrecía tantas ventajas sobre el cobre puro que generó su propia división en la historia humana según los historiadores, la edad de bronce, material más resistente y con mayores aplicaciones. Además se podían hacer armas más afiladas y más fuertes. Es aquí donde surge uno de los inventos que hoy en día nos parecen más sencillos, pero que revolucionaron la edad de bronce, el clavo. Con este artilugio revolucionario les permitió unir vigas y madera de forma más simple y rígida, permitiendo la creación de estructuras más estables y duraderas. Parece difícil de imaginar, pero una invención tan sencilla como el clavo logró revolucionar la forma en la que se vivía y se hacían las cosas en la época.

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La era de los metales, Acero de Damasco

El hierro esponja son pellets de hierro con cierta cantidad de aire, que se vuelve más manejable y transportable en comparación a lingotes sólidos. Es la materia prima para formar piezas de hierro. Una vez creado el hierro esponja se martilleaba para eliminar las impurezas, una vez purificado se metía en un crisol con polvo de carbón de leña. El crisol se volvía a poner en el horno y se elevaba la temperatura a unos 1200 grados centígrados. Así se formaba el wootz.

Pero, ¿Porque funcionaba tan bien el acero de Damasco y los europeos fracasaron en el uso del wootz? La clave esta en la forja, que es el manejo del acero a base de calor y golpes. Los herreros sirios utilizaban el wootz y forjaban sus aceros a temperaturas de aproximadamente 700 grados centígrados. A esta temperatura este tipo de aleación se vuelve extraordinariamente dúctil, una súper elasticidad para deformarse sin romperse, esta capacidad la aprovechaban para formas sus espadas y utensilios. Los europeos en cambio trataban de manejar el wootz a 1200 grados, a esta temperatura, que era a la que forjaban sus espadas, el wootz se volvía quebradizo y se desintegraba al primer golpe.

Este tipo de espadas de aleación se convirtieron en leyenda, a pesar de que a ciencia cierta, hoy en día no estamos absolutamente seguros de cómo se forjaban. Eran de calidad tan impresionante, que en enfrentamientos con otras civilizaciones como las europeas o mongolas, las espadas de acero de Damasco cortaban y rompían a sus contrapartes. Esto propició que durante la edad media estas piezas de acero se cotizaran altamente entre los nobles europeos y generales de la zona generando historias que se convertirían en la leyenda del acero de Damasco.

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El horno electrico

Así como el alto horno que funde metales con la ayuda de carbón de coque y gas natural, existen otros tipos de hornos con otros materiales como combustibles. Uno de los más interesantes es el horno eléctrico, que como su nombre lo dice utiliza electricidad suministrada a través de electrodos en contacto con el material a fundir para calentar y derretir los metales.

El Horno eléctrico se empezó a utilizar en estados unidos en el año de 1906 y ha alcanzado una gran popularidad ya que su mecanismo provee metales de alta pureza, a diferencia del horno alto, donde el mineral se mezcla con el carbón y al mismo tiempo se contamina por lo que después se debe de procesar para separarse, en el horno eléctrico, como el combustible es la electricidad, esta no contamina el proceso y los materiales retienen la pureza que traían originalmente.

En particular metales como el aluminio que se contaminan muy fácilmente y pierden sus propiedades, o cualquier otro material que resulte más complicado la separación posterior a la fundición.

Con lo que se alimenta el horno eléctrico cuando lo que se qui
ere obtener es hierro fundido es con chatarra que no esté contaminada con otros materiales no ferrosos, como cobre, plomo o aluminio. Así mismo se añaden los fundentes necesarios y las posibles aleaciones deseadas como níquel y cobre para generar aceros alelados, cromo que lo convierte en acero inoxidable o tungsteno, vanadio y molibdeno que sirven para hacer aceros rápidos, de alta dureza y resistencia a la temperatura.

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Creación del Acero Pt.2

En el lugar de tratamiento se añadirán aditivos químicos que producen y aceleran cierto tipo específico de reacciones que logran mantener el acero con la cantidad perfecta de carbono y la consistencia deseada. El tipo de acero depende de la “contaminación” adecuada de carbono, esto es lo que lo diferencia del hierro común y también lo que le da su rigidez y flexibilidad.

De aquí se tiene que transportar a los moldes, principalmente con métodos de extrusión que les dan la forma de lingotes que también los enfrían y los endurecen. Estos lingotes cuadrados tienen aproximadamente diez metros de largo y quince o veinte centímetros de ancho. Como no se pueden utilizar de esta manera se requiere que se modifiquen, esto también se hace en la planta, donde se recalientan los lingotes metiendolos a un horno a casi 2000 grados centígrados por un par de horas para que se vuelva maleable el material.

De ahí los lingotes se meten a los formadores que son rodillos que presionan y modifican el acero, algunos rodillos especiales son tan poderosos que pueden reducir los lingotes de 15 centímetros a llegar hasta los 14 milímetros. También en este proceso se le puede cambiar la forma de la sección transversal, ya sea para volverlas barras cilíndricas o cuadradas o en hojas anchas y largas. El acero es tan maleable que se utiliza para muchos fines, como para carrocerías, varillas, columnas o tornillos. Las barras finalizadas se deben de poner a enfriar en camas de enfriamiento que permite que el enfriamiento se produzca de manera uniforme, ya que si no podría generar torsiones o malformaciones en los materiales.

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Creación del Acero

El Acero, una aleación de hierro y carbón que sirve para hacer rascacielos, puentes o incluso navajas para afeitar es sin duda la columna vertebral de la industria, gracias a su increíble resistencia, maleabilidad y dureza.

Para producir acero se requiere hierro, que normalmente se extrae de una mina, pero también se puede obtener al reciclar el hierro que se recoge de chatarra de autos o latas de desecho. En las plantas de reciclaje se utilizan electroimanes, que pueden cargar hasta cinco toneladas de peso para transportar todos estos pedazos a la planta fundidora. De ahí la chatarra se coloca en cestos de metal que pueden llegar a cargar hasta sesenta toneladas, para transportarlos a hornos siderurgicos especiales. Estos hornos pueden ser de gas o eléctricos y llegan a temperaturas de hasta 1600 grados centígrados. Aquí es donde se vacían los cestos llenos de chatarra que se fundirán en unos sesenta minutos, una vez licuado el metal se recogen muestras que serán analizadas para calcular las impurezas y los posibles tratamientos que se le deban hacer.

A la mezcla ya derretida se le coloca un tubo que le inyecta oxígeno, para homogeneizar el hierro y liberar carbono, así como se hacía en el alto horno, además de que también acelera el proceso. El acero fundido se transporta en unos cucharones que pueden llegar a pesar más de sesenta toneladas y con una capacidad de más de cien toneladas de hierro, estos cucharones lo transportaran con el uso de grúas aéreas a otra zona donde serán tratados.

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El Alto Horno Pt.2

En la parte intermedia, con la ayuda de toberas se inyecta el aire enriquecido con oxígeno, lo que eleva la temperatura a unos dos mil grados centígrados, cuando el oxígeno entra en contacto con el carbón de coque produce monóxido de carbono que al ascender por el horno arranca oxígeno al hierro y se convierte en dióxido de carbono, en un proceso químico que se conoce como reducción.

El aire enriquecido con oxígeno eleva la temperatura a unos dos mil grados centígrados. Alrededor de un cincuenta por ciento del monóxido de carbono se recupera del horno y se utiliza en otros procesos como combustible. Las temperaturas alcanzadas en el etalage permite que se produzca la reducción del óxido de manganeso, se elimina el azufre y se funda el mineral de hierro. Una vez fundido el mineral se le conoce como el arrabio, que cae a la parte inferior del horno que se conoce como crisol, aquí se recoge el hierro fundido y la escoria.

El arrabio es un hierro metálico en forma líquida con un alto contenido de carbono e impurezas. En la parte inferior el arrabio fluye por un canal. Se extrae al romper un tapón de arcilla que esta en el inferior que se llama piquera, de ahí el material es colado a unos contenedores especiales llamados vagones termos. El arrabio tiene entre el 91% y 94% de hierro, y otros porcentajes pequeños de carbono, manganeso, azufre, fósforo y silicio. De aquí el arrabio se transportara a hornos especiales llamados convertidores donde será finalmente transformado en acero.

Fuentes: slideshare.net

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El Alto Horno

El Alto horno es una invención magnífica para el procesamiento del hierro que posteriormente se convertirá en acero. Este tipo de horno es una estructura de 30 metros de alto, al menos, formado por ladrillos resistentes a la temperatura y a la erosión del descenso de las cargas así como de las reacciones químicas recubiertos de una protección de acero que ayuda a mantener la forma y soportar los esfuerzos.

Las materias primas que entran por la parte de arriba al alto horno son el mineral de hierro en forma de pellets, carbón de coque y algún fundente como caliza u óxido de manganeso. Por la parte de en medio se inyecta aire enriquecido con oxígeno y gas natural. El cuerpo del horno está conformado por dos conos, el de abajo esta invertido y es menos alto, formando una parte ancha a aproximadamente una cuarta parte de la altura que se conoce como el vientre del horno. El horno además necesita una estructura para sostenerse así como grúas que estén alimentando constantemente el material a fundir y una infraestructura para procesar el metal ya fundido.

El cono superior se llama cuba, el inferior se llama étalage. Sobre la cuba se encuentra un agujero donde se administra el material llamado tragante, que posee una válvula de doble cierre que evita que escapen los gases del horno. En el tragante la temperatura asciende a unos 150 grados centígrados. Aquí también se encuentran válvulas que atrapan algunos de los gases del horno, que en el futuro se pueden utilizar como combustibles para otros procesos metalúrgicos.

Fuentes: slideshare.net

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Elementos. Circonio (Zr) Parte 1

Usos:

El elemento de número 40 en la tabla periódica es el Circonio (también se escribe como zirconio), de símbolo químico Zr. Su nombre proviene de la palabra árabe “zargun” que significa “color dorado” por las tonalidades de sus óxidos. Descubierto en 1789 por el químico alemán, Martin Heinrich Klaproth, que además también descubrió el uranio y el titanio. Aunque no se pudo obtener como un metal en estado puro hasta 1914.

El circonio se utiliza principalmente en forma de circón, que es silicato de circonio como arena para moldeo, pero su aplicación como metal es como recubrimiento de reactores nucleares por su característica propensión a no capturar neutrones.

Otras aplicaciones de este mineral es como aditivo en aceros ya que los vuelve más resistentes y en aleaciones con el níquel lo hace más resistente a substancias corrosivas. El óxido de circonio impuro se utiliza en la industria de las cerámicas y vidrios para fabricar refractarios resistentes a los cambios bruscos de temperatura.

Biológicamente no representa muchos riesgos pues es bien tolerado por los tejidos humanos por lo que su minería no es peligrosa y además gracias a esto se utiliza en articulaciones artificiales y antitranspirantes o como recubrimiento de piezas dentales, aunque otras aplicaciones militares no presentan una cara tan amable pues se utiliza como elemento incendiario.

Aleado con el elemento niobio del que ya hablamos antes, presenta superconductividad a bajas temperaturas, esto es que no opone resistencia al paso de electricidad, por lo que se le puede dar un uso para la fabricación de imanes superconductores.

Fuentes:
lenntech.es
facts-about.org.uk

Imágenes:
periodictable.com
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sikulan.com

Elementos. Tántalio (Ta) Parte 1

Un singular elemento

Con un número atómico de 73 el tantalio fue nombrado por hijo de zeus que fue invitado a una cena con los dioses donde no se comportó a la altura. También padre de Niobe, que da nombre al niobio, el elemento que se encuentra debajo en el mismo grupo de la tabla periódica. En el cuento mitológico, Tántalo fue castigado a vivir en el infierno muerto de sed y a que nada pudiera saciar, es debido a esta característica que su descubridor, Andres G. Ekeberg, en 1802, lo nombrara así, ya que en una muestra de columbita de finlandia pudo encontrar un material plateado que no se disolvía en ningún ácido.

En si lo que había descubierto era pentóxido de tantalio, un compuesto tan inerte que su resistencia a la corrosión es comparable con la de los gases nobles. Dada su pasividad, es altamente resistente a los ácidos, ni siquiera el agua regia (una combinación de ácidos capaz de disolver el oro o el platino) es capaz de disolverlo. Sólo ciertos ácidos como ácido fluorhídrico, fluoruro de soluciones ácidas y oleum (una mezcla de ácido sulfúrico y trióxido de azufre) logran disolverlo.

Otra característica importante del Tantalio es que tiene el punto de fusión elevadísimo. Es tan alto que sólo el carbono y el tungsteno lo superan. Éste hecho lo convierte en el conductor de calor por excelencia.

Por estas cualidades su uso en la industria esta ampliamente aprovechado, a pesar de que su costo ha ido en aumento ya que tiene otra característica muy importante. Su capacidad para almacenar carga sobre volumen de peso es la mejor entre todos los elementos.

Un capacitor es un dispositivo electrónico que almacena carga y es capaz de liberarla de golpe, como por ejemplo los flashes de las cámaras. El Tantalio es ideal para crear capacitores, por lo que su uso se hace más común en especial en equipos electrónicos de alta capacidad y bajo peso como los celulares. Esto ha empujado los precios del tantalio a nuevos límites, causando resultados desagradables.

Fundiciones de hierro.

La rama de la metalurgia que estudia todo lo relacionado a la extracción, transformación y aplicaciones del mineral de hierro, es la siderurgia.

Los minerales de hierro más empleados para obtener este metal son: magnetita, siderita y la hematita.

El hierro colado o las fundiciones de hierro, son aleaciones que se realizan con otros elementos, y se caracterizan porque se pueden vaciar del horno cubilete para obtener piezas de diferentes tamaños y complejidad y que no pueden ser sometidas a deformaciones plásticas; no son dúctiles ni maleables y poco saldables, pero sí manipulables.

Las fundiciones sobresalen con las siguientes ventajas:

  • Son más fáciles de manipular que los aceros.
  • Para su fabricación no se requiere de equipo costoso.
  • Son resistentes al choque térmico, a la corrosión y al desgaste.

Las fundiciones se fabrican en “altos hornos” (cilíndricos, forrados con un material refractario), que sirve para moldeo.

Se pueden obtener varias clases de hierro colado dependiendo del proceso de fabricación, del enfriamiento, de la materia prima y de la calidad del material.

Ahora bien si está interesado en adquirir un cierto tipo de horno para su industria, ¡contáctenos! Recuerde que uno de nuestros servicios en CIMASA es la fabricación de hornos refractarios en cualquier forma y tamaño.

Vía. arqhys.com / utp.edu.co