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lunes, 23 de enero de 2017

El convertidor en el metalurgia del cobre (desde el punto de vista de los ingenieros de la industrialización)




El 4 de enero de 1856, Henry Bessemer inscribió una patente (adelantándose a Kelly, tal vez su primerísimo inventor) que revolucionaría el desarrollo histórico de la siderurgia y la metalurgia: había ideado un conversor en el que se introducía hierro y se obtenía acero (Simpson 1948, 201; Yorke 2007, 42-45). El milagro se obraba en un tiempo muy breve y con un consumo de combustible mínimo, lo que se conseguía inyectando aire u oxígeno en el hierro fundido (vid. Scoffern et al. 1857, 255).

Convertidores Bessemer para la fabricación de acero: durante la descarga (izq.) y en funcionamiento (dcha.) (Horne 1913, anteportada)

El éxito que alcanzó el proceso Bessemer para eliminar los metaloides en el hierro por oxidación condujo a que pronto se experimentara con su aplicación en el tratamiento de los minerales de cobre sulfurosos, primero, y de las matas, después. Así, el convertidor Bessemer se adoptó en y adaptó a la metalurgia del cobre (vid. Hiorns 1901, 311; Rhead 1907, 172; Huntington y McMillan 1904, 326).
La llegada del convertidor a las fundiciones de cobre transformó su refino de manera significativa. Las palabras de L. García Alix (1910, 33) dan buena cuenta de ello: “Modernamente la introducción en la Metalurgia del cobre del procedimiento del convertidor Bessemer propiamente dicho o con sus perfeccionamientos y modificaciones ha ocasionado una verdadera revolución y ha disminuido el número de operaciones hasta llegar al resultado final, á la vez que permite mayores economías, puesto que el costo de aparatos y máquinas para suministrar el aire necesario no llega ni con mucho á los gastos de combustible, aparatos y mano de obra de los otros procedimientos; además la rapidez y simplificación del método justifica su rápida adaptación en todos los lugares donde se obtiene cobre”.
Con todo, fue preciso salvar varios obstáculos. En 1880, por ejemplo, Manhes logró solucionar un importante problema: la obstrucción de las toberas de inyección de aire con el metal que se solidificaba al enfriarse. Manhes diseñó convertidores en los que las toberas se disponían a los lados y a suficiente altura del fondo para que el cobre producido quedara por debajo de ellas. En su convertidor, la oxidación de la mata y la reacción entre sulfuros y óxidos generaba suficiente calor como para mantener el total de la carga fundida, mientras que el cobre, reducido, se hundía hacia el espacio muerto en el fondo del convertidor, fuera del campo de acción de los chorros de aire (Huntington y McMillan 1904, 327; Rhead 1907, 172).
Los convertidores para cobre, que funcionaban mejor con una mata al 50-55% Cu (Huntington y McMillan 1904, 327), presentaban aproximadamente forma de barril, con las toberas dispuestas, como decimos, a cierta distancia del fondo o bien en el lado contrario al de inclinación del aparato (Huntington y McMillan 1904, 330; Rhead 1907, 172). Se construían generalmente en tres secciones con hierro colado o forjado. Las carcasas o armazones externos solían ser de unos 8 pies (2,43 m) de altura por 5 pies (1,52 m) de diámetro. Se mantenían suspendidos sobre 2 muñones, uno a cada lado. Los recubrimientos internos, que debían ser remplazados con frecuencia, estaban compuestos por cuarzos triturados y cerca de un 20% de arcilla plástica; alcanzaban las 18 pulgadas (45,72 cm) en la parte baja (Huntington y McMillan 1904, 328).

Convertidor Peirce-Smith para la obtención de cobre blíster: secciones y vista lateral
(Pyne 1945, 242-43, Figs. 3a, 3b)

La manera de operar con un convertidor como el descrito era, grosso modo, la que sigue (Huntington y McMillan 1904, 329):
1. El convertidor se colocaba en posición horizontal y la carga era introducida a través de su pico de colada o trompa (nose), al tiempo que soplaba un chorro de aire ligero.
2. Cargado el convertidor y en posición horizontal, el chorro de aire se aplicaba con toda su fuerza (c. 11 libras por pulgada cuadrada -4,98 kg por 2,54 cm2-). La inyección de aire continuaba prácticamente hasta que todo el hierro contenido en la mata se convertía en óxido.
3.  El óxido de hierro se unía a la sílice del revestimiento, produciéndose una escoria fundida que era retirada de la superficie o vertida inclinando de nuevo el convertidor. Esta escoria, que podía contener alrededor de un 2% Cu, era devuelta al horno para su refundición. Una pequeña cantidad de mata podía caer junto a la escoria, pero era fácilmente recuperable una vez enfriada.
4.  El convertidor se colocaba de nuevo en posición vertical y la inyección de aire continuaba hasta que casi la totalidad del azufre se oxidaba y se obtenía un cobre blíster con una pureza del 99%.
5. Finalizado el proceso, el convertidor se volcaba de nuevo, vertiendo su contenido en moldes de cobre.

Convertidor de cobre en el momento de la carga, en una imagen de mediados del siglo XX
(C.D.A. 1952, 28, fig. 21)

El proceso descrito solo requería, en condiciones normales, entre una y dos horas para convertir la mata en blíster (vid. Huntington y McMillan 1904, 229-330), lo que supuso un importante avance en la producción industrial de cobre refinado. Además, el convertidor vino acompañada de otra serie de innovaciones que simplificaron los procesos de producción de cobre metálico. De esta forma, a mediados del siglo XX la extracción de cobre por la vía pirometalúrgica se había reducido a tres pasos: calcinación del mineral en horno de reverbero, fundición para obtener mata y conversión de la mata en cobre blíster (vid. C.D.A. 1952, 23 ss).



Para saber más:
  • C.D.A. (Copper Development Association) (1952): Copper. Its ores, mining and extraction, Radlett.
  • GARCÍA ALIX, L. (1910): Proyecto de aprovechamiento de piritas, Escuela Especial de Minas de Madrid, Hemeroteca de la E.T.S.I. de Minas de la Universidad Politécnica de Madrid.
  • HIORNS, A. H. (1901): Principles of Metallurgy, Londres.
  • HORNE, A. R. (1913): The Age of Machinery. The Forces of Nature turned to the Service of Man, Glasgow.
  • HUNTINGTON, A. K.; McMILLAN, W. G. (1904): Metals. Their properties and treatment, Londres, Nueva York y Bombay.
  • PYNE, F. R. (1945): “The metallurgy of copper”. In: LIDDELL, D. M. (Ed.): Handbook of Nonferrous Metallurgy. Recovery of the metals, Nueva York y Londres.
  • RHEAD, E. L. (1907): Metallurgy. An elementary text-book, Londres y Becles
  • SCOFFERN, J. et al. (1857): The useful metals and their alloys, including mining ventilation, mining jurisprudence and metallurgic chemistry, employed in the conversion of iron, copper, tin, zinc, antimony, and lead ores; with their applications to the industrial arts, Londres.
  • SIMPSON, B. L. (1948): Development of the Metal Casting Industry, Chicago.
  • YORKE, S. (2007): The Industrial Revolution explained, Cambridge.


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