Actualidad

La metalurgia en la sociedad actual

La producción de componentes a partir de metales se divide tradicionalmente en varias categorías:

  • Procesamiento de minerales: implica la recolección de productos minerales de la corteza terrestre.
  • Metalurgia extractiva: estudio y aplicación de los procesos utilizados en la separación y concentración de materias primas. Las técnicas incluyen el procesamiento químico para convertir minerales de compuestos inorgánicos en metales útiles y otros materiales.
  • Metalurgia física: vincula la estructura de los materiales (principalmente metales) con sus propiedades. Conceptos como el diseño de aleaciones y la ingeniería microestructural ayudan a vincular el procesamiento y la termodinámica con la estructura y las propiedades de los metales. A través de estos esfuerzos, se producen bienes y servicios.

Los ingenieros metalúrgicos están involucrados en todos los aspectos del mundo moderno y se esfuerzan por satisfacer las necesidades de la sociedad moderna de una manera ambientalmente responsable mediante el diseño de procesos y productos que minimizan los desechos, maximizan la eficiencia energética, aumentan el rendimiento y facilitan el reciclaje.

Metales y productos minerales nos rodean en todas partes: en casa, en el camino hacia y desde el trabajo, y en nuestras oficinas o fábricas. Forman la columna vertebral de los aviones, automóviles, trenes, barcos y vehículos recreativos sin fin modernos; edificios; dispositivos implantables; cubiertos y utensilios de cocina; monedas y joyas; armas de fuego e instrumentos musicales. Los usos son infinitos. Si bien abundan las amenazas de la elección de materiales alternativos, los metales continúan a la vanguardia y son la única opción para muchas aplicaciones industriales.

Desarrollar nuevos materiales, nuevos procesos para hacerlos y probar nuevas teorías y modelos para comprenderlos son los puntos focales del metalúrgico actual. Tenemos los medios para medir propiedades a escala macro, micro, nano y atómica, lo que nos brinda un acceso sin precedentes para impulsar nuevos desarrollos. La fuerte dependencia de nuestra sociedad de los metales le da a la profesión de ingeniería metalúrgica su importancia sostenida en el mundo moderno.

La mayoría cree que nuestro progreso económico y técnico en el siglo XXI dependerá en gran medida de los avances en la tecnología de metales y minerales. Por ejemplo, los avances en las tecnologías energéticas, como el uso generalizado de la fusión nuclear, solo serán posibles mediante desarrollos de materiales que aún no existen. El futuro es realmente brillante para los científicos de materiales de hoy y aquellos ingenieros que eligieron la metalurgia como sus opciones de carrera.

Desarrollo

Desarrollo de la metalurgia moderna

No fue hasta el siglo XIV que se construyeron hornos de fundición de hierro capaces de fundir hierro en Europa. Estos hornos se conocían como altos hornos y eran sustancialmente más grandes que los hornos anteriores. Los altos hornos tenían fuelles accionados por agua que producían temperaturas de horno mucho más altas ya que los fuelles producían un flujo continuo y fuerte de aire a través de las toberas hacia el horno. Las temperaturas más altas permitieron que el hierro absorbiera una pequeña cantidad de carbono, lo que redujo el punto de fusión del hierro a una temperatura que el alto horno podría obtener. El hierro fundido, conocido como arrabio, podría verterse en moldes o podría fundirse y forjarse en cualquier forma; el carbono en el arrabio podría eliminarse para producir hierro forjado que era más maleable que el arrabio.

Se realizaron mejoras sustanciales en los altos hornos entre 1500 y 1700. Los hornos reverberatorios, sin chimeneas y que utilizan tuberías subterráneas para llevar aire, alcanzaron temperaturas más altas con techos abovedados revestidos de arcilla que reflejan el calor en el horno. Los procesos continuos de fundición, que implicaban que el mineral y el combustible se alimentaran continuamente al horno para proporcionar un suministro continuo de hierro, aumentaron considerablemente la eficiencia y la producción.

El uso de coque, carbón bituminoso purificado, en los altos hornos comenzó alrededor de 1709 y aumentó considerablemente después de 1760, cuando se descubrió un método para eliminar el silicio del hierro producido en los altos hornos con coque; a finales del siglo XVIII, el coque reemplazó al carbón vegetal en la mayoría de los altos hornos británicos. James Neilsen inventó en 1829 una mejora adicional para los altos hornos que permite temperaturas aún más altas y un menor uso de combustible; la invención de Neilsen implicó el uso de gases propios de los hornos para precalentar el aire antes de que ingresara al horno. El precalentamiento de la explosión de aire fue mejorado aún más por Edward Cowper en 1860 cuando inventó la estufa de explosión. 

El hierro forjado fue el material principal de la Revolución Industrial; el acero era un material mejor, pero era demasiado caro para un uso generalizado. No fue hasta la segunda mitad del siglo XIX que se inventó un proceso para crear acero barato: el proceso Bessemer fue patentado en 1856 y utilizó un recipiente llamado convertidor en el que se vertió arrabio fundido. William y Frederick Siemens inventaron en 1864 un método alternativo para fabricar acero, conocido como el proceso de hogar abierto, y luego Pierre y Emile Martin lo mejoraron.

La invención de generadores eléctricos condujo al uso de electricidad para calentar hornos. El primer horno de arco eléctrico comenzó a funcionar en 1902 y, aunque era más costoso que el Bessemer y los procesos de hogar abierto, pudo producir acero de mejor calidad debido a que tenía menos impurezas que el acero que había estado en contacto con el combustible. Los hornos eléctricos podían producir mayor calor y las temperaturas podían controlarse más fácilmente que con los hornos ordinarios. El uso de de estos hornos debía dar como resultado la producción a gran escala de metales como tungsteno, cromo y manganeso que, cuando se agregaban al acero, le daban propiedades útiles, como una mayor dureza y resistencia al desgaste; también permitió la producción en masa de aluminio. El aluminio está muy extendido en la Tierra, pero era difícil y costoso extraerlo de su mineral, la bauxita, antes de la invención del horno eléctrico; éste produce aluminio mediante un proceso de electrólisis a alta temperatura que produce aluminio fundido en grandes cantidades, aunque el proceso utiliza cantidades sustanciales de electricidad.

Antecedentes

Los orígenes de la metalurgia

Ninguna sustancia ha sido tan importante como el metal en la historia del control del hombre sobre su entorno. Los avances en la agricultura, la guerra, el transporte e incluso la cocina son imposibles sin los diferentes tipos de metales.

La naturaleza atrae al hombre a la aventura de la metalurgia con un regalo inicial de un encanto casi mágico. El oro, el más atractivo y precioso de los metales en toda sociedad, es también el más fácil de adquirir para el hombre primitivo. Este metal es brillante, incorruptible, maleable y aparece en forma pura en los lechos de las corrientes. Una vez visto, adquirirlo es solo cuestión de recogerlo.  El oro puro también tiene la calidad de suavidad: se puede moldear fácilmente martilleandolo, pero esta maleabilidad lo hace inútil para fines prácticos. Comienza como ha continuado: un artículo de lujo. Las primeras joyas de oro que sobreviven son de Egipto, aproximadamente del 3000A.C.

Desde aproximadamente el año 7000 A.C., algunas comunidades neolíticas comienzan a martillear cobre en cuchillos y hoces en bruto, que funcionan tan bien como sus equivalentes de piedra y duran mucho más; algunos de los primeros objetos de este tipo se han encontrado en el este de Anatolia. Este período intermedio entre la Edad de Piedra (cuando todas las armas y herramientas son de sílex) y la primera tecnología de metal segura (la Edad del Bronce ) se ha denominado con la combinación algo incómoda de los materiales: se llama el período calcolítico, del griego chalcos (cobre) y litos (piedra).

El uso del fuego hace posible dos nuevos pasos importantes en el desarrollo de la metalurgia: la fundición del metal, vertiéndolo en moldes preparados; y la fundición de minerales para extraer metal. En Irán se conocen objetos hechos de cobre fundido, desde el 3800 A.C. Muchos minerales se encuentran en la superficie de la tierra, en afloramientos de roca; extraerlos para conseguir la carga de metal, conduce inevitablemente a otro avance tecnológico: el desarrollo de la minería.

Para el año 4000 a. C. se excavaron pozos profundos en la ladera de Rudna Glava, en los Balcanes, para excavar mineral de cobre. Este robo de los tesoros de la tierra se lleva a cabo con la debida solemnidad. Las macetas finas, que producen productos del mundo de la luz del día, se colocan en las minas como una forma de recompensa para propiciar los espíritus del oscuro interior de la tierra. Alrededor del 3800 a. C. también se explotan minas de cobre en la península del Sinaí. Los crisoles encontrados en el sitio revelan que la fundición se lleva a cabo como parte del proceso de minería.

La aleación fundida de cobre y estaño es bronce, una sustancia tan útil para los seres humanos que todo un período de la civilización temprana se conoce como la Edad del Bronce . Una cuchilla de bronce tendrá un borde más afilado que el cobre y la mantendrá más tiempo. Y los adornos y recipientes de bronce se pueden fundir para una amplia variedad de propósitos. El próximo gran desarrollo en metalurgia involucra un metal que es el más abundante en la superficie de la tierra pero que es mucho más difícil de trabajar que el cobre o el estaño. Es hierro, con un punto de fusión demasiado alto para que los hornos primitivos lo extraigan en forma pura de su mineral. Lo mejor que se puede lograr es un grupo de glóbulos de hierro mezclados con impurezas fangosas. Esta sustancia poco prometedora se puede convertir en un metal útil calentando y martillando repetidamente, hasta que las impurezas se eliminen literalmente.

En el siglo XI A.C. se descubrió que el hierro puede mejorarse mucho. Si se recalienta en un horno con carbón vegetal (que contiene carbono), parte del carbono se transfiere al hierro. Este proceso endurece el metal; y el efecto es considerablemente mayor si la temperatura del metal caliente se reduce rápidamente, por lo general, al enfriarlo en agua. El nuevo material es el acero; se puede trabajar (o ‘forjar’) al igual que el hierro más blando, y mantendrá un borde más fino, capaz de afilarse hasta la nitidez. Poco a poco, desde el siglo XI en adelante, el acero reemplaza a las armas de bronce en el Medio Oriente, lugar de nacimiento de la Edad del Hierro . A partir de ahora, es esencial tener una buena cuchilla de acero en lugar de una suave e indiferente.