Metalurgia

El nacimiento de Química Física

La civilización moderna hace un amplio uso de los metales para la fabricación de herramientas, estructural y electrónica propósitos, sin embargo, los orígenes de la potencia audaz dela mente humana para crear el metal brillante de la piedra opaca son casi totalmente desconocido para la mayoría. Usamos acero en automóviles y los marcos de edificios, las uñas para carpintería, cables de electricidad, tuberías para el agua, el metal latas y papel de aluminio para alimentos, remaches y cremalleras en ropa y joyería. La disposición ocasional de aluminio papel después de un uso podría sorprender cualquier farmacia de la1800, cuando era uno de los metales más difíciles deProduce

El desarrollo de la metalurgia requiere muchas individuotécnicas, desde el comercio de metales individuales y minerales para bombas de agua para minas, desde la prospección de herrería,pero, sobre todo, se requiere la aplicación de absolutamente enormes cantidades de calor. Mientras que un fuego de leña quema caliente suficiente para cocinar la carne (y matar a los parásitos dentro de ella), ella temperatura no es suficiente para fundir cobre y producir el bronce para la colada. Para esto, la energía superior densidad de carbón vegetal es requerido. Cada ciudad tuvo sus carboneros ,que produciría el combustible parcialmente por leña en un oxígeno-pobres entorno de una pila de la madera ardiendo cubierta con césped. El carbón resultante quemado mucho más caliente, y mucho más limpio que hizo el original madera. Los calores alcanzable con carbón vegetal incendios permitieron la de trabajo del bronce, y, con los siglos después técnica de los altos hornos, lo que obligó a más aire en el fuego, los calores obligados a derretir incluso hierro y acero.

La producción de acero moderna hace uso de la química precisa ensayos para el control de los procesos de gestión y de aleación contenido de carbono, lo que permite la especialidad aceros con singular propiedades para diferentes entornos, tales como acero inoxidable, acero destinados a ser utilizados bajo el agua, y de alta calidad de ultra acero para aplicaciones tales como aerospace.2 Totalmente nuevas técnicas para la metalurgia, como el procesamiento de plasma con la separación magnética de metal a partir de oxígeno, podría reducir drásticamente la complejidad del proceso, haciendo la utilización in situ de recursos en el espacio una posibilidad real. El desarrollo de la metalurgia, desde la prehistoria hasta nuestros días para el futuro, proporciona una imagen emocionante del hombre la creador, y uno de nuestros más grandes usos de "fuego". Sin la potencia necesaria para procesamiento de minerales enterrados en la especialidad aleaciones, nos gustaría ser, literalmente, en la edad de piedra!

Metales "nativos"

En la llamada Edad de Piedra (historia de la humanidad hasta aproximadamente 3200 aC en Europa), se utilizó el fuego para cocinar, hornear, madera de trabajo, la cerámica, el endurecimiento de la piedra herramientas, tierra-claro, el calor y la luz. El uso del fuego era extendido a trabajar con los metales conocidos para la antiguos. incluso antes el advenimiento de metalurgia extractiva alrededor de 3200 aC, hubo cierta tipos de metales que se pudo encontrar en una , el estado "nativo" puro. Estos oro incluido, cobre, plata, y, en forma de meteoritos, incluso iron.3 diferencia otros materiales, oro era brillante, hizo no decaer ni se corroe, y podría ser en forma de en cualquier forma deseada a golpe de martillo. Herramientas de cobre podría hacerse casi tan agudo como herramientas de piedra, pero podría durar más tiempo. Increíblemente raro meteorítico hierro fue utilizado para dagas y ornamentación en el antiguo Egipto, y aunque inconcebible hoy en día, el cobre se encuentra en la naturaleza, como uno podría encontrar una roca de cuarzo en nuestro dia.

Estos primeros metales llevaron al desarrollo de las primeras habilidades para trabajar el metal: martilleo, curling, y el uso de fuego a recocido de metal que se había vuelto difícil a golpe de martillo. En busca de más de estos metales, se crearon las minas, en el que las venas puros de valiosa materiales tales como oro podrían ser reunidos.

Sin embargo, la mayoría de los metales utilizados hoy no provienen de las venas puros: que no provienen de nativo metales. Más bien, se crean a partir de minerales. Pero la mayoría de los minerales no lo hacen mirar el metálico más mínimo. mientras puede ser ninguna sorpresa que metalizado galena (PbS) era una fuente de conducir, que se le ocurriría utilizar rocas, como la malaquita verde o azul azurita para producir cobre, o hematita de hierro? En este punto, sólo podemos especular. quizás malaquita (que fue utilizado por los egipcios como un cosmético) fue utilizado para pintar una pieza de cerámica, y transformado al cobre en el horno. La creación de metales a partir de minerales que no guardan parecido con los metales que podrían ser extraídos de ellos, marcó el inicio de la metalurgia extractiva.

Metal a partir de minerales:

La Edad del Bronce (3200 AC-1200 AC)

Como la mayoría de los minerales metálicos son compuestos de la deseada elemento de metal, ya sea con oxígeno o azufre, alguna técnica debe ser aplicada para liberar el metal de estas otras elementos. La técnica principal de milenios ha sido el uso de carbono para extraer el oxígeno mediante la formación de carbono dióxido. Aunque esta teoría química no era conocida en el momento, los procesos por los que los metales podrían ser extraídos de sus minerales, eran.

Tomamos como ejemplo, la transformación impresionante de malaquita (Cu2CO3 (OH) 2) al cobre, que se realizó mediante el uso de carbón tanto para proporcionar la necesaria calor, y para eliminar el oxígeno. Al establecer capas de malaquita entre las capas de la quema de carbón y permitir el calor necesario para construir, el monóxido de carbono formado por el carbón

parcialmente quemado reaccionará con malaquita, extrayendo el oxígeno ya que forma dióxido de carbono.A medida que el proceso llega a la terminación, la malaquitase habrá transformado encobre. Tal carbón como combustiblehornos también podrían llegar a la temperaturarequerida para fundir cobre(1,083ºC), por lo que es posibleverter el cobre a cabo en un molde,producir una forma de cobre fundido.Ya fue desarrollado originalmentea partir de minerales, que también conteníanestaño, o por medio de intencionalexperimentación de combinarmetales, estaño de mezcla (o mineral de estaño) concobre fue descubierto para produciruna sustancia nueva, superioren todos los aspectos. Este nuevo material,bronce, era mucho más fuerteque el cobre, podría ser trabajado paraun borde más afilado, y funde a unatemperatura más baja, por lo que es fácilpara formar fundido * objects.6 bronceMuchas de las herramientas que utilizamos hoy-incluyendo el martillo, hacha,cincel y escofina de carpintero, fuerondesarrollada en la Edad del Bronce,como fue la técnica de fundición conocido comoel proceso de la cera perdida. En esta técnica,un modelo de cera de la deseadaformar al ser echado en bronce se produce,con canales de cera adicionales o guías (llamados bebederos)añadido a la misma. Este modelo de cera se recubre de yeso osílice, que establece, y cuando se cuece, se funde la ceraa cabo. Este molde puede entonces ser llenado con el bronce fundido,dejó enfriar, y luego la arcilla puede ser interrumpida,dejando el objeto de bronce fundido restante. Esta técnicatodavía se utiliza hoy en día para la fundición de bronce sculptures.7Mientras que el cobre se pudo encontrar en el Mediterráneo, el estañono podía, y la producción de bronce requería importarestaño de las rutas comerciales que se extiende a lo que son hoy en día elIslas Británicas, si no further.8 El desglose de estas comerciorutas, y la falta de estaño disponibles, hacen la producciónde bronce imposible alrededor de 1200 aC.

Metal a partir de minerales:La Edad del Hierro (1200BC-)

El próximo gran avance en la metalurgia fue la introducciónde una nueva fuente de metal, conocido hoy serel metal más abundante en la corteza de nuestro planeta: el hierro. Mientrashierro requiere mayores temperaturas y más extensade trabajo que el bronce con el fin de ser tan útil, esto es másque compensado por su espectacular mayor abundance.9Hierro fue producido inicialmente en un "horno Bloomery"en el que el mineral de hierro y carbón vegetal se calentaron juntos,la producción de monóxido de carbono que retira el oxígenode la plancha, como en la fundición de cobre discutidoarriba. El calor para el proceso químico por lo general se amplificómediante el uso de un fuelle para forzar más aire en el horno.Este proceso no alcanzó temperaturas suficiente para grandesfundir el hierro, sin embargo, y la floración resultante (conocido comoHierro "esponja") tuvo que ser trabajado para eliminar las impurezas,muchos de los cuales hicieron derretir a estas temperaturas, ypodría ser sacado de la floración por martilleo repetido.Después de muchos ciclos de calentamiento y martilleo, elfloración se trabajó lo suficiente ("forjado") y relativamentepuro hierro forjado * fue el resultado. Este uso intensivo de mano de obraproceso dio como resultado un producto que podría ser formado enmuchas formas y cuyo mineral era más abundante quecobre, sin embargo, no se podía hacer tan agudo como el bronce, yera más débil.Implementos de hierro forjado eran útiles, pero la producciónde acero fue el avance que hizo el hierro un reemplazo completopara bronze.10 Acero * fue hecha por el

cuidadoAdemás de carbono al hierro forjado, por la cementaciónsuperficie de un hierro implementar martillando en carboncillo,o al hacer esto repetidamente con láminas de hierro, hastatodo el material se había convertido en acero.

Los avances modernos: En la era industrial Altos hornos, lo que obligó el aire caliente en el horno columna, se introdujo en Europa en el siglo XII Temperaturas AD y alcanzados suficientemente caliente para derretir hierro, producción de arrabio, * que contenía un alto nivel de carbono de la carbón vegetal (o, más tarde, coque) que era rodeado. Esta arrabio sería entonces trabajaba en una forja galas (o posterior una fragua encharcamiento) para introducir oxígeno para eliminar el carbono de la plancha (invirtiendo el proceso de fundición inicial).

Un problema importante en la producción de hierro y acerofue el intenso uso de carbón vegetal: producción de 10.000toneladas de acero podrían requerir 100.000 hectáreas de árboles aconvertir a carbón en el Recall Medio Ages.11que la madera, que se quemó a una temperatura demasiado baja, yhabían demasiadas impurezas, podrían ser convertidos en carbónpara la producción de acero. Carbón tenía los mismos problemascomo madera de una temperatura demasiado baja y demasiado muchas impurezas.Estos problemas fueron resueltos con carbón por elindustria cervecera: que se purificó de una manera similar aque hacer con la transformación de la madera en carbón vegetal.El carbón fue quemado en un ambiente bajo en oxígeno para producircoque, de la misma manera que el carbón vegetal fue producidode la madera. Esta invención hace posible la producciónde mucha más hierro para la sociedad, y se guarda bosques europeosen el proceso. Aun así, no todo el coque de carbón hecho de que eraaceptable para el hierro-trabajo. Las impurezas en el carbón (en particularfósforo) no se quita todo en el coque productorasproceso, y sólo el carbón "metalúrgico" era aceptable.En comparación, el carbón vegetal es casi completamentecarbono puro. El beneficio de coque no era en su Producingmás calor, pero en su ser mucho más fácil de produce.12El siguiente avance importante fue el uso de la Bessemerproceso (inventado en el medio de la diecinueveavosiglo), en la que el aire se soplado en fundido rico en carbono arrabio. El oxígeno en el gas reacciona con el carbono (y de silicio) en el arrabio, produciendo más calor y permitiendo que el proceso continúe sin combustible adicional. Este proceso provocó una enorme (casi ) Reducción de orden de magnitud de los costos de acero, y su uso se expandió dramáticamente en aplicaciones que habían pedido forjado hierro antes. Con el proceso de Bessemer, acero ya no era producido por la adición de carbono de hierro forjado, pero podría ser producido de cerdo descarburada iron.13 vez más, la necesaria de carbono para el acero (en torno a 1%) requerido añadir carbono al hierro forjado (que había casi ninguna de carbono), o sacarlo de cerdo hierro (que era 2-4% de carbono).

Avances posteriores en la fabricación de acero construidas sobreLa técnica de Bessemer; más fácil de productos de cerdohierro se convertiría en la principal fuente dehierro para el acero, en lugar de hierro forjado. Loshorno de hogar abierto (utilizado en el Siemens-Proceso Martin) fue similar a la Bessemerproceso, pero operado más lentamente, y se utilizamineral de hierro como una fuente de oxígeno, en lugar deaire (que tenía el problema de incorporardemasiado nitrógeno en el metal). Porquede su velocidad más lenta (unas ocho horas, en lugarde media hora por Bessemer lotes), Openhearthfabricación de acero podría reducir el carbonocontenido de hierro en lingotes a

la cantidad adecuada parael acero se desea, el corte de la recarburaciónsalir del proceso. Es decir, el Bessemerproceso requiere tres pasos: creararrabio en un alto horno, retirartodo el carbono soplando aire a travésarrabio fundido, y luego añadir carbonode nuevo para producir acero; mientrasel proceso de hogar abierto tenía sólo dosetapas: la producción de lingotes de hierro en un alto horno,y retirar el apropiadocantidad de carbono en el hogar abiertopara producir acero.

Con un mejor control sobre el básico proceso de fabricación de acero, y el más largo tiempo de proceso del horno de hogar abierto, aleaciones específicas, "sintonizados" de acero se convirtió en una parte cada vez mayor de la producción. El ejemplo más impresionante era el desarrollo de los años 1910 de acero acero, que contiene una gran cantidad de cromo (más de diez por ciento) en el acero aleado. Este formas de cromo una capa de película de óxido de cromo, que protege contra la corrosión y el óxido que de otro modo con el tiempo destruir acero. Debido a que el cromo se mezcla en el acero, en lugar de sólo recubriéndolo, 14 arañazos y abolladuras son auto-sanación: la recién expuesta también de acero que contiene cromo oxida rápidamente, formando una nueva protectora capa. Otros metales de aleación comunes son níquel, molibdeno, y manganeso. como el uso de energía per cápita (por fuente), por la que sirve como una importante economía física indicador del desarrollo, de acero inoxidable el consumo per cápita refleja la alta tecnología actividad económica.

Hoy en día, el horno de hogar abierto ha sidoreemplazado por la fabricación de acero de oxígeno básico (BOS,desarrollado en el medio de los vigésimosiglo) que es bastante similar a la de Bessemerproceso, pero utiliza oxígeno puro (no disponibleen las cantidades necesarias en Bessemer dedía) en lugar de aire. Usando turboexpandergeneratedoxígeno líquido, BOS siderurgiapuede transformar arrabio en acero en una fraccióndel tiempo requerido por el horno de solera abierta,y es el principal método de produciracero hoy, capaz de operar en el metalchatarra y arrabio. Los avances en la químicay la instrumentación espectroscópica hacenposible BOS fabricación de acero para detener a tan sóloel punto correcto, cuando el nivel de carbono deseadose alcanza, a pesar de que se produce el proceso derápidamente.Casi un tercio de la producción de aceroproviene de reciclado de chatarraen hornos de arco eléctrico (HAE), quepasar una corriente eléctrica a través de lametal, directamente calentándola en el proceso.15 Este proceso de la electricidad intensaconsume alrededor de 400kWh de electricidadpor tonelada de acero, y puede ser fácilmentereducido de pequeños lotes de la especialidadacero. Obviamente, un totalmente nucleareconomía y la electricidad más barata(Y calor de proceso para pre-calentamiento)haría que los hornos de arco eléctricomucho más barato (físicamente) con respecto acoque disparó-altos hornos.

Reemplazar totalmente los altos hornos y el uso de coque requiereotro avance. A pesar de que los EAF pueden alcanzargrandes calores, el otro aspecto de procesamiento de mineral está reduciendo *químicamente: retirar el oxígeno a la que el hierro estáatado. Este es el papel química de coque en el alto horno,Además de su papel de calefacción. Un horno de arco eléctrico no puede realizaresta reducción química, y por lo tanto sólo es útil,En la actualidad, para el procesamiento de metales, pero no minerales.En una plataforma económica capaz de despliegue a gran escalade sopletes de plasma, la reducción de minerales podríallevarse a cabo sin necesidad

de utilizar coque en absoluto, como el producto químicocambio puede ser provocada directamente, sin carbono paravínculo con el oxygen.16 El metal todavía tiene que serseparado del oxígeno, que se produce actualmente por unacambio de fase (la producción de gas dióxido de carbono), pero quepodría ser realizada por la ionización del metal y separarcon un imán, antes de que se enfríe fuera de su estado de plasmay recombina con el oxígeno. Con este tipo de tecnologías,múltiples procesos podrían combinarse en una sola: elhornos de coque necesarios para producir coque, los altos hornospara producir arrabio, los procesos de refinación para eliminar carbono,e incluso totalmente diferente de la tecnología utilizada paraproducir aluminio, podrían todos han realizado sus tareaspor un tal "máquina universal", que opera con plasmas

Metalurgia en la Edad Moderna: laFuturo de Metales y Metalurgia

Hasta los últimos dos siglos casi el único uso demetales discutidos aquí habían sido durante estructural, en lugar deuso específicamente química. Las características del metalque se buscó fueron propiedades físicas, tales comofuerza, flexibilidad, dureza, densidad y ductilidad. Avancesen la comprensión química dio nuevos usos a los metalesy aleaciones, y con el advenimiento de la era eléctrica,enteramente nuevas características de los metales se convirtieron importante.El empleo de motores eléctricos, en lugar de vapormotores en las fábricas, los metales necesarios que eran económicos,viable, y llevado a cabo bien la electricidad. La excelenteconductividad eléctrica del cobre (sólo superada porplata) y su flexibilidad hace que el metal primario utilizadopara la construcción de cableado. Cuando el peso y el costo son un problema(Como en alta tensión líneas de transmisión), se utiliza aluminio.Cambiar las recientes décadas 'en las aplicaciones dela electricidad ha traído a la vida con anterioridad unconsideredpropiedades de los metales y elementos similares. La invencióndel transistor en 1947 marcó el comienzo de la intensauso de materiales semiconductores, en el que la eléctricapropiedades del silicio (un metaloide) están diseñadas porla incorporación de otros elementos, con el fin de llevar a cabopropiedades eléctricas muy específicas. Computer-automatizadoel control de los procesos de mecanizado e industriales fue posiblea gran escala con el desarrollo de semiconductorcircuitos integrados. Metales relativamente raras, cuyacaracterísticas estructurales en aleaciones son a veces impresionante,cada vez más se están utilizando para su química ycaracterísticas eléctricas, sirviendo funciones especializadas comocatalizadores químicos, fósforos, los imanes, y motores.Y ahora, los avances de ingeniería y cienciashecho posible por estos componentes cada vez más precisasabrir el camino a "máquinas universales" que opera conplasmas y separación magnética, máquinas que puedenfundamentalmente transformar la manera en metales, tanto comunesy rara, se forman en productos útiles. Estos cambiantefunciones de los metales son un caso específico del descubrimiento denuevos tipos de principios físicos, como provocados por elcreación de la química moderna y la electrodinámica.