El vanadio como motor del acero
2002/03/01 Rodriguez Ibabe, Jose Maria | Florez Esnal, M.A. Iturria: Elhuyar aldizkaria
Incidencias del descubrimiento
El Vanadio fue comunicado por primera vez en 1801. Andrés Manuel del Río descubrió el vanadio en las minas de plomo de Zimapa, en México, que dependían entonces de España. Este geólogo y químico madrileño fue nombrado profesor del “Real Seminario de Minas” que dirigía Fausto Elhuyar en México en 1795 y, junto con Fausto, comenzó a mejorar la explotación de las minas mexicanas. Así, Andrés Manuel del Río descubrió que en el plomo mineral extraído de las minas de Zimapán había otro elemento hasta entonces desconocido. Al principio llamó a este nuevo elemento ‘pancromo’, pero más tarde, viendo que al calentarse adquiría un color rojizo, le llamó ‘eritronio’.
Un año después, del Río entregó a su amigo Alexander von Humboldt unas muestras de las que Humboldt envió Collet-Desotils al prestigioso químico francés de la época. Collet-Desotils, que enseñaba en París, confirmó la propia investigación de los elementos de cromo e iridio descubiertos años antes. Por tanto, su opinión era valorable. Collet-Desotils cuestionó la obra de Río, argumentando que el nuevo elemento no era más que un cromato de plomo. Parece que a Del Río también le surgieron dudas y se olvidaron las vicisitudes del nuevo elemento.
En 1831 el investigador sueco Sefstrom reidentificó el vanadio. Su descubrimiento se produjo al analizar el hierro extraído del mineral obtenido de la mina de Taberg. Alumno del prestigioso investigador sueco Sefstrom Berzelius, fue el encargado de difundir internacionalmente los resultados del joven Sefstrom. El nombre de Vanadio también lo pusieron los suecos, basándose en la diosa sueca de la belleza y la fecundidad ‘Vanadis’.
Poco después, el investigador alemán Wöhler (y antiguo alumno del laboratorio de Berzeilus en Estocolmo) afirmó que el eritronio y el vanadio eran el mismo elemento. Para ello utilizó muestras recogidas por Humboldt 30 años antes. Sin embargo, pasaron otros 30 años hasta que el químico inglés Sir Henry Roscoe consiguió aislar el vanadio.
Todas estas incidencias hacen que, aunque para algunos el descubridor del vanadio sea del Río, en algunas publicaciones sólo se mencionan los resultados de Sefstrom. Sin embargo, en la mayoría de las referencias se considera el año 1801 como la fecha del descubrimiento del vanadio. En la actualidad, un importante premio de investigación mexicano lleva el nombre de Del Río, y del Río y Fausto Elhuyar se consideran creadores de la ciencia y la investigación mexicanas.
Minas y producción
Las principales minas de vanadio se encuentran en Australia, China, Rusia y la República Sudafricana. En este momento se prevé que las reservas económicamente útiles ascienden a 63 millones de toneladas. Teniendo en cuenta que el consumo anual es de 40.000 toneladas, se puede afirmar que en los próximos años no habrá problemas de suministro.
En Rusia, China y la República Sudafricana, el vanadio se encuentra en la magnetita mineral. Por tanto, el vanadio se obtiene conjuntamente con el hierro. El hierro se obtiene mediante la reducción de la magnetita en alto horno o en estado sólido, siendo en ambos casos el 1,5% del hierro extraído. El vanadio sale del hierro como escoria.
Además de las minas de hierro, existen otras fuentes para la obtención de vanadio. En Estados Unidos, por ejemplo (Colorado), el vanadio suele ir acompañado de uranio mineral, mientras que en el Caribe y Venezuela, el petróleo.
En general, se puede decir que el vanadio se produce como óxido. Este óxido se utiliza en la producción de ferrobanadio y aleaciones de vanadio-aluminio, los productos más interesantes desde el punto de vista del uso industrial.
La producción de vanadio creció poco a poco. a lo largo del siglo XX. A principios de siglo la producción era muy reducida, y hasta 1920 la producción mundial no llegó a las 200 toneladas. Dos años después, la producción se multiplicó por diez, pero hasta el comienzo de la Segunda Guerra Mundial no superó las 5.000 toneladas.
Por otro lado, en esta década se ha duplicado el consumo, pasando de 20.400 toneladas en 1991 a 40.000 toneladas en 2001.
Aplicaciones del vanadio
Los estudios de Seftrom y Roscoe se centraron únicamente en el uso de la vanadio en componentes químicos, lo que supuso su primera aplicación. Hasta 1900 el vanadio era muy caro y bastante curioso, por lo que su aplicación era reducida. Más tarde, XX. A principios del siglo XX, tras encontrar grandes cantidades de vanadio en algunas minas, su precio se redujo notablemente y comenzó a utilizarse industrialmente.
En aquellos años se descubrió en Alemania que las sales de vanadio podían ser utilizadas como catalizadores en algunas reacciones químicas, siendo ésta la primera aplicación industrial importante del vanadio. La catálisis sigue siendo la principal aplicación química del vanadio. En aquella época se avanzó bastante el proceso metalúrgico del vanadio y se comenzaron a producir comercialmente diferentes tipos de ferroaleaciones. Así, en Gales se construyó la primera unidad productiva que utilizó el vanadio como elemento de aleación en los aceros. Asimismo, se solicitó al profesor Arnold de Sheffield que analizara la influencia del vanadio en diferentes tipos de acero. Arnold se dio cuenta de que el vanadio era un elemento muy apropiado para aumentar la resistencia de los aceros de herramienta, retrasando el efecto de ablandamiento que sufren estos materiales a alta temperatura. Estas características convierten al vanadio en uno de los componentes de las herramientas de corte.
Como resultado de estas y otras investigaciones, Inglaterra y Francia comenzaron a incorporar el vanadio en las cigüeñas de acero de los automóviles para aumentar la resistencia de los cigüeñales. Y entonces se produjo una casualidad que revolucionó el uso y el mercado del vanadio. Henry Ford descubrió que en una carrera de coches celebrada en Florida el chasis de un coche francés era diferente. Varias piezas de acero del coche eran más pequeñas que las vistas hasta el momento y, además, tres veces más resistentes que las convencionales. El propio Ford dirigió la investigación sobre las características de estas piezas de acero y descubrieron que el acero de los coches de carreras franceses tenía vanadio.
En el famoso modelo T realizado por Ford, por primera vez se utilizaron piezas de acero aleadas por vanadio en un coche convencional (y no para carreras). Y no sólo eso. En la propaganda de despido del automóvil se atribuían al vanadio las ventajas del coche. De hecho, en el anuncio que aparece en el primer número de octubre de 1908 de la revista Life se mencionan expresamente las propiedades extraordinarias del ‘acero Ford Banadio’. El modelo T comenzó a fabricarse en 1908 y hasta 1927 Henry Ford no vio la necesidad de crear un nuevo modelo. Durante este periodo se vendieron 15 millones de coches de este modelo. En aquella época, en Estados Unidos no sabían cómo fabricar acero con vanadio y se ocupó también de la producción de acero Henry Ford.
El siguiente gran reto del vanadio debe relacionarse con las mejoras del acero para estructuras. Como consecuencia de la Segunda Guerra Mundial, la soldadura se convirtió en el principal procedimiento de unión de los países occidentales. Los técnicos pronto se dieron cuenta de que no todos los aceros eran aptos para soldar (recordad, si no, cuántos accidentes y averías sufrieron los barcos estadounidenses Liberty durante la guerra, que estaban cargados de grietas y defectos por las soldaduras).
Para que el acero fuera soldable, se consideró conveniente reducir la cantidad de carbono y ajustar la composición química, perdiendo resistencia el acero. Se idearon varios procedimientos para producir acero soldable sin pérdida de resistencia, siendo una de las más importantes la fabricación de microaleaciones de acero y vanadio.
Este tipo de aceros se denominan ahora “aceros microaleados de alta resistencia”. La importancia económica de estos aceros ha aumentado año tras año. No todos los aceros de esta familia de acero tienen vanadio, ya que el niobio y el titanio también son muy utilizados en microaleaciones, pero los aceros de vanadio se pueden encontrar en cualquier lugar.
Al igual que en la época de Henry Ford, muchos componentes de acero de los coches (empezando por el cigüeñal) siguen teniendo vanadio. También en el campo de la construcción, un importante método para aumentar la resistencia de las vigas metálicas se basa en el vanadio. De hecho, si se consigue aumentar la resistencia de vigas y pilares, éstos podrán ser más estrechos, facilitando los procedimientos de soldadura y reduciendo los costes de construcción. Por estas razones, el uso del vanadio es cada vez mayor.
Como se puede observar, el aumento de la resistencia del acero es un objetivo urgente y, con el uso del vanadio, se puede hacer fácil y barato. En muchos aceros de distinta calidad el vanadio es un aditivo importante, ya que añadiendo pequeñas cantidades de vanadio aumenta considerablemente la resistencia del acero. En peso, la cantidad de vanadio suele ser del 0,1% y es muy raro que contenga más del 0,2% en peso. Todos estos productos se producen en varias acerías del País Vasco.
Estas ventajas hacen que el vanadio se utilice principalmente en el sector del acero, lo que supone el 85% del vanadio consumido. En el caso de los aceros, su uso se centra principalmente en aceros microaleados para estructuras (65%), el resto se consume en aceros de herramientas, aceros de alta temperatura, etc. El consumo de vanadio y la producción de acero están por tanto estrechamente relacionados. En la última década se utiliza una media de 0,05 kg de vanadio por tonelada de acero.
En aeronáutica también se utiliza mucho el vanadio, en aleaciones de titanio, para aumentar la resistencia de la aleación.
De cara al futuro, no parece que haya grandes cambios a corto plazo, por lo que se puede decir que el vanadio se utilizará principalmente para aumentar la resistencia del acero. Sin embargo, a la vista de los resultados de algunas investigaciones y pruebas industriales parece posible abrir nuevas puertas. El uso del pentóxido de vanadio para la producción de baterías permite, con éxito, modificar drásticamente el mercado del vanadio.
Perspectivas económicas
Preguntando al responsable de cualquier acería del País Vasco sobre el vanadio, responderá inmediatamente que el principal problema del vanadio es el coste. Y así es. De hecho, teniendo en cuenta que en las acerías se producen cada año miles de toneladas de acero, aunque se añaden pequeñas cantidades de vanadio, es caro.
Una de las características del precio del vanadio es su variabilidad. Para entenderlo hay que tener en cuenta el desequilibrio entre producción y consumo. Dado el bajo consumo mundial de vanadio, el sistema se desequilibra con relativa facilidad en la comercialización de stocks o en la puesta en marcha de nuevas minas, lo que se traduce en un importante desequilibrio. Por ejemplo, en la década de 1970 se descubrieron nuevas minas en China y en la República Sudafricana, dando lugar a una sobreproducción. En las dos próximas décadas, la Unión Soviética comercializó sus stocks a un precio inferior al de mercado, lo que redujo los precios por debajo de los 3 dólares.
A finales de los años 80 y siguientes, el aumento de la producción de acero provocó un aumento del consumo y una disminución de las reservas en Rusia, Sudáfrica y Estados Unidos. En 1997 se registró una situación bastante grave, ya que el consumo de pentóxido de vanadio alcanzó las 80.000 toneladas, lo que supuso el vaciado de stocks de casi todo el mundo. Piénsese que el gobierno estadounidense lanzó el vanadio guardado en el National Defense Stockpile. En los próximos meses el precio del vanadio se vendió más caro que nunca, pero desde entonces el precio ha disminuido considerablemente debido a la reducción del consumo en Rusia.
Dependiendo del uso al que se destine, el vanadio se vende como pentóxido y ferrobanadio. Por tanto, en el mercado se utilizan los precios de estos dos productos y no sólo de la distribución. La República Sudafricana es la que produce más pentóxido de vanadio, con casi un 60% de comercialización. El coste de producción de la libra ronda los 1,8-2 dólares.
Actualmente el precio base del vanadio es de 2,5 dólares. Cuando el precio baja de este límite, algunos fabricantes cortan la producción hasta que el precio vuelve a alcanzar su valor mínimo. Como se puede apreciar en la figura, en los últimos meses el pentóxido está muy barato y el precio del ferrobanadio también decae. Los precios bajos incentivarán el consumo de vanadio. Sin embargo, a la vista de la tendencia al alza que muestra la producción de aceros microaleados, a pesar de que los precios suben a valores más normales, se prevé que en los próximos años el consumo crezca lentamente.
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