thumb|300px|Horno de fundición artesano
La fundición es una forma de metalurgia extractiva. El proceso de fundición consiste en reducir la mena mineral para obtener un metal puro, y separarlo de la ganga y otros posibles elementos. Generalmente se usa como agente reductor una fuente de carbono, como el coque, el carbón o el carbón vegetal en el pasado. El carbono (o el monóxido de carbono generado a partir de él) saca el oxígeno de la mena de los óxidos (o el azufre, carbonato, etc., en los demás minerales), dejando el metal en su forma elemental. Para ello el carbono se oxida en dos etapas, primero produciéndose monóxido de carbono y después dióxido de carbono. Como la mayoría de las menas tienen impurezas, con frecuencia es necesario el uso de un fundente o castina, como la caliza, para ayudar a eliminar la ganga acompañante en forma de escoria.
También se denomina fundición al proceso de fabricar objetos con metales fundidos mediante moldes; que suele ser la etapa siguiente a la fundición extractiva, que es de la que trata este artículo. Las plantas para la reducción electrolítica del aluminio generalmente también se denominan fundiciones, aunque se basan en un proceso físico completamente diferente. En ellas no se funde el óxido de aluminio, sino que se disuelve en fluoruro de aluminio para producir la electrólisis de la mena. Normalmente se utilizan electrodos de carbono, pero en las plantas de diseño más moderno se usan electrodos que no se consuman. El producto final es aluminio fundido.
Proceso thumb|Proceso de fundición realizado en altos hornos. thumb|Esquema de un horno de fundición de cañones de hierro. Se añade alternativamente capas de carbón y mineral de hierro (A). En la parte inferior del horno existían unas toberas por donde se forzaba la entrada de aire mediante unos grandes fuelles (B). En el crisol del horno se encontraba un orificio por el que fluía el arrabio y se dirigía al molde del cañón (C). Encima de esta abertura, pero debajo de las toberas, había otra boca por donde se sacaba la escoria (D). La fundición es un proceso que implica más que la simple fusión del metal para extraerlo de la mena. La mayoría de las menas minerales son compuestos en los que el metal está combinado con el oxígeno (en los óxidos), el azufre (en los sulfuros) o el carbono y el oxígeno (en los carbonatos), entre otros. Para obtener el metal en su forma elemental se debe producir una reacción química de reducción que descomponga estos compuestos. Por ello en la fundición se requiere el uso de sustancias reductoras que al reaccionar con los elementos metálicos oxidados los transformen en sus formas metálicas.
Calcinación La calcinación es el proceso de calentar el mineral hasta altas temperaturas para disipar su materia volátil. En el caso de los carbonatos y sulfatos este proceso sirve para eliminar el azufre y el carbono no deseados, transformándolos en óxidos que pueden reducirse directamente. Por ello la calcinación en estos casos se hace en ambientes oxidantes. Algunos ejemplos prácticos son:
la malaquita, una mena corriente del cobre, es principalmente carbonato de cobre (CuCO3). Este mineral se descompone térmicamente a CuO y CO2 en varias etapas entre los 250 °C y 350 °C. El dióxido de carbono se libera en la atmósfera dejando el óxido de cobre que se puede reducir como se describe en la siguiente sección. la galena, el mineral más común del plomo, se compone principalmente de sulfuro de plomo (PbS). El sulfuro se oxida a sulfito (PbSO3) en su primera etapa de descomposición térmica que origina óxido de plomo y anhídrido sulfuroso gas (PbO y SO2). El dióxido de azufre (como el dióxido de carbono en el ejemplo anterior) se disipa en la atmósfera y el óxido de plomo se reduce incluso en una combustión abierta al aire.
Reducción La reducción es la etapa final a altas temperaturas de la fundición. Aquí es cuando el óxido se convierte en metal elemental. El ambiente reductor (generalmente proporcionado por el monóxido de carbono que se produce por la combustión incompleta del carbono en el interior del horno poco ventilado) saca a los átomos de oxígeno del mineral puro. Las temperaturas necesarias varían en un amplio rango, tanto en la comparación entre los distintos metales como en la relación con el punto de fusión del propio metal. Por ejemplo:
el óxido de hierro se convierte en hierro metálico alrededor de los 1250 °C, casi 300 grados por debajo del punto de fusión del hierro que es de 1538 °C; el óxido de mercurio se convierte en vapor de mercurio cerca de los 550 °C, casi 600 grados por encima de su punto de fusión de -38 °C.
En el caso de la fundición del hierro el coque quemado como combustible para calentar el horno además al arder libera monóxido de carbono, que se combina con los óxidos de hierro del mineral y los reduce a hierro metálico, según la ecuación:
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 ↑
En el caso de la fundición del cobre el producto intermedio producido en la calcinación se reduce según la reacción:
CuO + CO → Cu + CO2 ↑
En ambos casos el gas de dióxido de carbono se disipa en la atmósfera dejando el metal libre.
Fundentes En el proceso de fundición se usan los fundentes con varios propósitos, los principales son catalizar las reacciones deseadas o que se unan químicamente a las impurezas o productos de reacción no deseados para facilitar su eliminación. El óxido de calcio, en forma de caliza, se usa a menudo con este propósito, ya que puede reaccionar con el dióxido de carbono y el dióxido de azufre producidos durante la calcinación y la reducción manteniéndolos fuera del ambiente de reacción.
Los fundentes y la escoria pueden proporcionar un servicio secundario adicional después de que se haya completado la etapa de reducción, recubrir con una capa fundida el metal purificado para evitar que entre en contacto con el oxígeno, que al estar todavía tan caliente se oxidaría rápidamente.
En la fundición del hierro se emplea la caliza al cargar el horno como fuente adicional de monóxido de carbono y como sustancia fundente. Este material se combina con la sílice presente en el mineral (que no se funde a las temperaturas del horno) para formar silicato de calcio, de mayor punto de fusión. Sin la caliza se formaría silicato de hierro, con lo que se perdería hierro metálico. El silicato de calcio y otras impurezas forman una escoria que flota sobre el metal fundido en la parte inferior del horno.
Historia De los siete metales conocidos en la antigüedad (oro, plata, cobre, estaño, plomo, mercurio y hierro) solo el oro se encuentra regularmente en forma nativa en la naturaleza. Los demás se encuentran principalmente formando parte de minerales, aunque todos ellos pueden aparecer en pequeñas cantidades en forma nativa (comercialmente insignificantes). Estos minerales son principalmente óxidos, sulfuros y carbonatos del metal mezclados con otros componentes como sílice y alúmina. Al calcinar los carbonatos y sulfuros en contacto con el aire se convierten en óxidos. Los óxidos no necesitan transformación previa en el proceso de fundición. El monóxido de carbono (CO) era (y es) el principal agente reductor elegido para la fundición. Se produce fácilmente durante el proceso de combustión usado para calentar los minerales en el horno y como es un gas entra en contacto con la mena mineral directamente.
En el Viejo Mundo el ser humano aprendió a obtener metales mediante fundición en la prehistoria, alrededor del VII milenio a. C. El descubrimiento y uso de los metales útiles para la fabricación de herramientas, el cobre y el bronce primeramente, y posteriormente el hierro, causaron un gran impacto en las sociedades humanas de la época. El efecto fue tan generalizado que los historiadores han dividido la historia de la antigüedad en Edad de Piedra, Edad del Bronce y Edad del Hierro.
En América, las sociedades prehispánicas de los Andes centrales del actual Perú consiguieron la fundición del cobre y la plata independientemente al menos seis siglos antes de que empezara la colonización europea del .An Ancient Inca Tax And Metallurgy In Peru Science daily. 24 de abril 2007.
Estaño y plomo Los primeros metales obtenidos por fundición en la prehistoria fueron el estaño y el plomo. Los vestigios de plomo más antiguos conocidos son abalorios encontrados en el yacimiento de Çatalhöyük en Anatolia (Turquía), que están datados alrededor del 6400 a. C., aunque es probable que la fundición de este metal sea más antigua. Como el descubrimiento de la fundición de ambos metales se produjo varios milenios antes de la invención de la escritura, no existen registros de cómo se produjo; pero como la fundición tanto del plomo como del estaño se puede producir simplemente poniendo alguna roca de sus menas sobre una pira de madera, posiblemente su descubrimiento fuera accidental.
Aunque el plomo es un metal común su descubrimiento tuvo relativamente poco impacto en el mundo antiguo. Es demasiado blando para ser el componente estructural de herramientas o armas, salvo para la fabricación de proyectiles para las hondas que se hacían de plomo por su característica de ser excepcionalmente pesado, y que es otro impedimento para los demás usos de este metal. Posteriormente como era fácil de obtener y de dar forma, en antigüedad clásica de Grecia y Roma se utilizó para fabricar tuberías y recipientes para el agua (se desconocía que este uso era tóxico). También se usó el plomo como juntura en los edificios de piedra y en las vidrieras.
El estaño es mucho menos abundante que el plomo y solo un poco más duro que él, por lo que las consecuencias que produjo por sí mismo fueron incluso menores, hasta el descubrimiento del bronce. thumb|Reconstrucción en miniatura de un horno de fundición de la Edad del Bronce.
Cobre y bronce
Tras el estaño y el plomo el siguiente metal que se consiguió obtener por fundición fue el cobre. Cómo pudo descubrirse es objeto de debate. Las hogueras se quedan 200 °C por debajo de la temperatura necesaria, así que se especula que la primera fundición de cobre pudo haberse logrado en el interior de un horno de cerámica. El posterior descubrimiento de la fundición del cobre en los Andes podría haber sucedido del mismo modo aunque se desarrolló de forma independiente a la del Viejo Mundo. Los primeros vestigios de fundición de cobre, datados entre el 5500 a. C. y 5000 a. C., se han encontrado en Pločnik y Belovode, Serbia.Ancient metal workshop found in Serbia 9 de octubre de 2007.Belovode site in Serbia may have hosted first copper makers Archaeology daily new. 27 de junio de 2010. Se ha encontrado una cabeza de mazo en Can Hasan, Turquía, datada en el 5000 a. C., esta herramienta es la más antigua de cobre encontrada, aunque se cree que podría haberse forjado con cobre nativo.H. G. Bachmann, Thilo Rehren, Robert Maddin, Andreas Hauptmann, James David MuhlyMetallurgica antiqua: in honour of Hans-Gert Bachmann and Robert Maddin, Volumen 8, p. 4