Titanio: propiedades clave, aplicaciones e usos industriales

Introducción

El titanio es conocido como un metal de transición en la tabla periódica de elementos denotado por el símbolo Ti. Es un material ligero, gris plateado, con número atómico 22 y peso atómico 47,90. Tiene una densidad de 4510 kg/m³, situándose entre las densidades del aluminio y el acero inoxidable. Tiene un punto de fusión de aproximadamente 1667°C (3032°F) y un punto de ebullición de 3287°C (5948°F). Se comporta químicamente similar al circonio y silicio. Tiene excelente resistencia a la corrosión y una alta relación resistencia-peso.

El titanio es el cuarto metal más abundante, constituyendo aproximadamente 0,62% de la corteza terrestre. Raramente se encuentra en forma pura, el titanio típicamente existe en minerales como anatasa, brookita, ilmenita, leucoxena, perovskita, rutilo y esfena. Aunque el titanio es relativamente abundante, sigue siendo costoso porque es difícil de aislar. Los principales productores de concentrados de titanio incluyen Australia, Canadá, China, India, Noruega, Sudáfrica y Ucrania. En Estados Unidos, los principales estados productores de titanio son Florida, Idaho, Nueva Jersey, Nueva York y Virginia.

Miles de aleaciones de titanio han sido desarrolladas y pueden agruparse en cuatro categorías principales. Sus propiedades dependen de su estructura química básica y la forma en que se manipulan durante la fabricación. Algunos elementos usados para hacer aleaciones incluyen aluminio, molibdeno, cobalto, circonio, estaño y vanadio. Aleaciones de fase alfa tienen la resistencia más baja pero son conformables y soldables. Aleaciones alfa más beta tienen alta resistencia. Aleaciones casi alfa tienen resistencia media pero buena resistencia a fluencia. Aleaciones de fase beta tienen la resistencia más alta de cualquier aleación de titanio pero también carecen de ductilidad.

Las aplicaciones del titanio y sus aleaciones son numerosas. La industria aeroespacial es el mayor usuario de productos de titanio. Es útil para esta industria por su alta relación resistencia-peso y propiedades a alta temperatura. Se usa típicamente para piezas de avión y sujetadores. Estas mismas propiedades hacen al titanio útil para producción de motores de turbina de gas. Se usa para partes como álabes de compresor, carcasas, capotas de motor y escudos térmicos.

Dado que el titanio tiene buena resistencia a la corrosión, es un material importante para la industria de acabado de metales. Aquí se usa para hacer serpentines de intercambiadores de calor, plantillas y revestimientos. La resistencia del titanio al cloro y ácido lo hace importante en procesamiento químico. Se usa para diversas bombas, válvulas e intercambiadores de calor en la línea de producción química. La industria de refinación de petróleo emplea materiales de titanio para tubos de condensador por su resistencia a la corrosión. Esta propiedad también lo hace útil para equipos usados en procesos de desalinización.

El titanio se usa en producción de implantes humanos porque tiene buena compatibilidad con el cuerpo humano. Uno de los usos más notables recientes del titanio es en corazones artificiales implantados por primera vez en un humano en 2001. Otros usos del titanio son en reemplazos de cadera, marcapasos, desfibriladores y articulaciones de codo y cadera.

Finalmente, los materiales de titanio se usan en producción de numerosos productos de consumo. Se usa en fabricación de cosas como zapatos, joyas, ordenadores, equipamiento deportivo, relojes y esculturas. Como dióxido de titanio, se usa como pigmento blanco en plástico, papel y pintura. Incluso se usa como colorante alimentario blanco y como protector solar en productos cosméticos.

Historia

La mayoría de historiadores creditan a William Gregor por el descubrimiento del titanio. En 1791, trabajaba con menacanita (un mineral encontrado en Inglaterra) cuando reconoció el nuevo elemento y publicó sus resultados. El elemento fue redescubierto unos años después en el mineral rutilo por M. H. Klaproth, un químico alemán. Klaproth nombró el elemento titanio en honor a los gigantes mitológicos, los Titanes.

Tanto Gregor como Klaproth trabajaron con compuestos de titanio. El primer aislamiento significativo de titanio casi puro se logró en 1875 por Kirillov en Rusia. El aislamiento del metal puro no se demostró hasta 1910 cuando Matthew Hunter y sus asociados reaccionaron tetracloruro de titanio con sodio en una bomba de acero calentada. Este proceso produjo piezas individuales de titanio puro. A mediados de los años 20, un grupo de científicos holandeses creó pequeños alambres de titanio puro conduciendo una reacción de disociación en tetraioduro de titanio.

Estas demostraciones motivaron a William Kroll a experimentar con diferentes métodos para aislar titanio eficientemente. Estos primeros experimentos llevaron al desarrollo de un proceso para aislar titanio por reducción con magnesio en 1937. Este proceso, ahora llamado proceso Kroll, sigue siendo el proceso primario para producir titanio. Los primeros productos hechos de titanio se introdujeron alrededor de los años 40 e incluían cosas como alambres, láminas y varillas.

Mientras el trabajo de Kroll demostró un método para producción de titanio a escala de laboratorio, tomó casi una década más antes de que pudiera adaptarse para producción a gran escala. Este trabajo fue conducido por la Oficina de Minas de EE. UU. de 1938 a 1947 bajo la dirección de R. S. Dean. Para 1947, habían hecho varias modificaciones al proceso de Kroll y producido casi 2 toneladas de metal de titanio. En 1948, DuPont abrió la primera operación de fabricación a gran escala.

Este método de fabricación a gran escala permitió el uso de titanio como material estructural. En los años 50, se usó principalmente por la industria aeroespacial en construcción de aeronaves. Dado que el titanio era superior al acero para muchas aplicaciones, la industria creció rápidamente. Para 1953, la producción anual había alcanzado 907.200 kg (2 millones de lb) y el cliente principal para titanio era el ejército de EE. UU. En 1958, la demanda de titanio cayó significativamente porque el ejército cambió su enfoque de aviones tripulados a misiles para los que el acero era más apropiado. Desde entonces, la industria del titanio ha tenido varios ciclos de alta y baja demanda. Numerosas nuevas aplicaciones e industrias para titanio y sus aleaciones han sido descubiertas a lo largo de los años. Hoy, aproximadamente 80% del titanio es usado por la industria aeroespacial y 20% por industrias no aeroespaciales.

Materias primas

El titanio se obtiene de varios minerales que ocurren naturalmente en la tierra. Los minerales primarios usados para producción de titanio incluyen ilmenita, leucoxena y rutilo. Otras fuentes notables incluyen anatasa, perovskita y esfena.

La ilmenita y leucoxena son minerales titaníferos. La ilmenita (FeTiO₃) contiene aproximadamente 53% dióxido de titanio. La leucoxena tiene composición similar pero tiene aproximadamente 90% dióxido de titanio. Se encuentran asociados con depósitos de roca dura o en playas y arenas aluviales. El rutilo es dióxido de titanio relativamente puro (TiO₂). La anatasa es otra forma cristalina de dióxido de titanio y se ha convertido recientemente en una fuente comercial significativa de titanio. Ambos se encuentran principalmente en depósitos de playa y arena.

La perovskita (CaTiO₃) y la esfena (CaTi-SiO₅) son minerales de calcio y titanio. Ninguno de estos materiales se usa en producción comercial de titanio debido a la dificultad de remover el calcio. En el futuro, es probable que la perovskita se use comercialmente porque contiene casi 60% dióxido de titanio y solo tiene calcio como impureza. La esfena tiene silicio como segunda impureza que hace aún más difícil aislar el titanio.

Además de los minerales, otros compuestos usados en producción de titanio incluyen gas cloro, carbono y magnesio.

El titanio se usa para una amplia variedad de artículos, como cuadros de bicicleta, implantes de cadera, monturas de gafas y aretes.

El proceso de fabricación

El titanio se produce usando el proceso Kroll. Los pasos involucrados incluyen extracción, purificación, producción de esponja, creación de aleación y conformado. En Estados Unidos, muchos fabricantes se especializan en diferentes fases de esta producción. Por ejemplo, hay fabricantes que solo hacen la esponja, otros que solo funden y crean la aleación, y aún otros que producen los productos finales. Actualmente, ningún fabricante único completa todos estos pasos.

Extracción

• 1 Al inicio de producción, el fabricante recibe concentrados de titanio de minas. Mientras el rutilo puede usarse en su forma natural, la ilmenita se procesa para remover el hierro de modo que contenga al menos 85% dióxido de titanio. Estos materiales se ponen en un reactor de lecho fluidizado junto con gas cloro y carbono. El material se calienta a 900°C (1652°F) y la reacción química resultante crea tetracloruro de titanio impuro (TiCl₄) y monóxido de carbono. Las impurezas son resultado de que dióxido de titanio puro no se usa al inicio. Por lo tanto, los varios cloruros metálicos no deseados producidos deben removerse.

Purificación

• 2 El metal reaccionado se pone en grandes tanques de destilación y se calienta. Durante este paso, las impurezas se separan usando destilación fraccionada y precipitación. Esta acción remueve cloruros metálicos incluyendo los de hierro, vanadio, circonio, silicio y magnesio.

Producción de la esponja

• 3 Luego, el tetracloruro de titanio purificado se transfiere como líquido a un recipiente reactor de acero inoxidable. El magnesio se añade y el contenedor se calienta a unos 1100°C (2012°F). Argón se bombea al contenedor para que el aire sea removido y la contaminación con oxígeno o nitrógeno se prevenga. El magnesio reacciona con el cloro produciendo cloruro de magnesio líquido. Esto deja titanio puro sólido ya que el punto de fusión del titanio es más alto que el de la reacción.
• 4 El sólido de titanio se remueve del reactor por taladrado y luego se trata con agua y ácido clorhídrico para remover exceso de magnesio y cloruro de magnesio. El sólido resultante es un metal poroso llamado esponja.

Creación de aleación

• 5 La esponja de titanio pura puede luego convertirse en una aleación usable vía horno de arco de electrodo consumible. En este punto, la esponja se mezcla con las varias adiciones de aleación y chatarra metálica. La proporción exacta de esponja a material de aleación se formula en laboratorio previo a producción. Esta masa se prensa en compactos y se suelda junto, formando un electrodo de esponja.
• 6 El electrodo de esponja se coloca luego en un horno de arco al vacío para fundición. En este contenedor de cobre refrigerado por agua, un arco eléctrico se usa para fundir el electrodo de esponja formando un lingote. Todo el aire en el contenedor es removido (formando vacío) o la atmósfera se llena con argón para prevenir contaminación. Típicamente, el lingote se refunde una o dos veces más para producir un lingote comercialmente aceptable. En EE. UU., la mayoría de lingotes producidos por este método pesan unos 4082 kg (9000 lb) y tienen 76,2 cm (30 pulg) de diámetro.
• 7 Tras hacerse un lingote, se remueve del horno e inspecciona por defectos. La superficie puede acondicionarse según requerido para el cliente. El lingote puede entonces enviarse a un fabricante de productos terminados donde puede fresarse y fabricarse en varios productos.

Subproductos/Residuos

Durante la producción de titanio puro se produce una cantidad significativa de cloruro de magnesio. Este material se recicla en una celda de reciclaje inmediatamente después de producirse. La celda de reciclaje primero separa el metal magnesio luego el gas cloro es colectado. Ambos componentes se reusan en la producción de titanio.

El futuro

Futuros avances en fabricación de titanio probablemente se encuentren en el área de producción mejorada de lingotes, desarrollo de nuevas aleaciones, reducción de costos de producción y aplicación a nuevas industrias. Actualmente, hay necesidad de lingotes más grandes que los que pueden producirse con hornos disponibles. La investigación está en curso para desarrollar hornos más grandes que puedan satisfacer estas necesidades. También se trabaja en encontrar la composición óptima de varias aleaciones de titanio. Finalmente, los investigadores esperan que materiales especializados con microestructuras controladas sean producidos fácilmente. Finalmente, investigadores han investigado diferentes métodos para purificación de titanio. Recientemente, científicos de la Universidad de Cambridge anunciaron un método para producir titanio puro directamente de dióxido de titanio. Esto podría reducir sustancialmente costos de producción y aumentar disponibilidad.

Para saber más

Libros

Othmer, K. Encyclopedia of Chemical Technology. Nueva York: Marcel Dekker, 1998.

U.S. Department of the Interior U.S Geological Survey. Minerals Yearbook Volume 1. Washington, DC: U.S. Government Printing Office, 1998.

Publicaciones periódicas

Freemantle, M. "Titanium Extracted Directly from TiO2." Chemical and Engineering News (25 septiembre 2000).

Eylon D. "Titanium for Energy and Industrial Applications." Metallurgical Society AIME (1987).

Otros

WebElements Web Page. Diciembre 2001. https://www.webelements.com.

Perry Romanowski