Innovaciones en el proceso de fabricación: ¿un "momento Bessemer" para el titanio?

Instalación piloto de titanio IperionX en Salt Lake City, Utah, construida con fondos del programa ARPA-E del Departamento de Energía de EE. UU.

Siempre estoy atento a las principales innovaciones en los procesos de fabricación porque pueden ser muy perjudiciales para las empresas establecidas. A menudo cambian la economía al permitir métodos de producción a menor escala o menos costosos, tal vez utilizando menos energía o produciendo menos subproductos no deseados. La otra razón por la que las innovaciones de procesos pueden ser particularmente emocionantes es que los fabricantes establecidos suelen tardar en adoptar los nuevos procesos, a menudo porque tienen equipos de producción existentes que es posible que aún no se hayan depreciado por completo. O podrían estar completamente depreciados y, por lo tanto, el costo marginal de usarlos es muy bajo. Esto deja el campo abierto para que los advenedizos les causen dolor y sufrimiento, porque los recién llegados no tienen activos existentes para proteger que puedan nublar su juicio. ¿Está a punto de ocurrir esto en la producción del estratégico metal titanio?

Recientemente tuve la oportunidad de hablar con Anastasios "Taso" Arima, fundador y director ejecutivo de la empresa emergente de titanio IperionX, que está ampliando un nuevo proceso de producción. Arima comenzó nuestra discusión relatando un ejemplo de la importancia de las innovaciones de proceso. Explicó que el acero existe desde hace 3.000 años, pero hasta 1856 era un producto de nicho porque era muy caro de fabricar. Por lo general, eran los militares de todo el mundo quienes podían permitirse el lujo de usarlo para fabricar espadas y armaduras, aunque la gente también lo usaba para cortar herramientas como cuchillos, hachas y sierras. En el siglo XVIII y principios del XIX, la invención de los hornos de charcos convirtió a Inglaterra en la capital mundial del acero, aunque de una manera muy intensiva en mano de obra y energía. En 1854, Henry Bessemer, que estaba trabajando en necesidades militares al estallar la guerra de Crimea, descubrió que soplar aire en hierro fundido lo convertía rápidamente en acero. Sin embargo, fue un proceso violento, y Bessemer lo resolvió pasándolo dentro de una olla cilíndrica de acero a la que llamó convertidor. Esto condujo a un aumento de siete veces en la productividad, lo que redujo drásticamente el costo del acero. Pero fue en Estados Unidos donde ocurrió la verdadera expansión cuando la construcción del ferrocarril después del final de la Guerra Civil provocó un auge de la demanda de acero. Entre 1864 y 1876, se construyeron 13 fábricas de procesos Bessemer en los EE. UU. a medida que la producción de acero estadounidense se multiplicó por 87. Y a medida que el precio del acero cayó, este maravilloso material se volvió mucho más utilizado.

El proceso del acero Bessemer: vaciado de un convertidor. Ilustración del Archivo Bettmann.

Llamé a Taso para hablar sobre la innovación de su proceso para fabricar titanio. Se trata de un nuevo método que utiliza hidrógeno en lugar de carbono: la reducción metalotérmica asistida por hidrógeno (HAMR). HAMR promete ser tanto respetuoso con el medio ambiente como con un coste mucho menor, lo que Arima llama el "momento Bessemer" del titanio. El proceso fue desarrollado por el metalúrgico y profesor de ingeniería metalúrgica de la Universidad de Utah, Dr. Z. Zak Fang, bajo el patrocinio del programa ARPA-E del Departamento de Energía de EE. UU., su versión de DARPA. "Nuestra planta piloto produce seis toneladas por año", explicó Arima sobre su instalación prototipo en Utah. "Pero ese horno es uno viejo que no tiene enfriamiento activo. Para los nuevos, no solo buscamos triplicar la capacidad, sino que también reduciremos el tiempo del ciclo de tres días a un día". El nuevo horno producirá 125 toneladas por año y la estrategia de escalamiento será simplemente agregar hornos en paralelo. Esa fácil escalabilidad es importante porque la empresa puede agregar capacidad según lo requiera la demanda, en lugar de invertir para construir una gran fábrica y luego tener que encontrar clientes para mantenerla en funcionamiento.

Como escribí recientemente después de que Rusia (de donde obteníamos mucho titanio) invadiera Ucrania, el titanio es un metal bastante singular. Tanto él como sus aleaciones son livianos, altamente resistentes a la corrosión, pueden soportar altas temperaturas y tienen una relación muy alta de resistencia a peso. Esto lo hace muy popular en la industria aeroespacial, pero generalmente es demasiado caro para usarlo en productos de consumo. La razón por la que la producción convencional es costosa es porque utiliza el proceso Kroll para convertir primero los minerales de titanio usando coque (de carbón metalúrgico) y cloro en tetracloruro de titanio (TiCl4). Luego, el TiCl4 debe destilarse al vacío para purificarlo, y el vapor se alimenta a un recipiente de reacción que contiene magnesio fundido cubierto con gas argón inerte y se calienta a 800 - 1000ºC durante aproximadamente dos días. Esto produce una esponja de titanio que debe triturarse para eliminar las sales de magnesio. El proceso HAMR, por el contrario, utiliza la mitad de la energía, reduce las emisiones en más de un 30 % (y potencialmente a cero si se utiliza energía renovable) para alimentar los hornos. Reduce sustancialmente el costo de producción de titanio. La mayoría de los ahorros provienen de eliminar tanto el paso de cloración como la destilación al vacío.

La empresa también puede utilizar chatarra de titanio como materia prima. La industria aeroespacial produce piezas de aleación de titanio a partir de lingotes forjados, y una gran proporción de los materiales se mecanizan y se convierten en chatarra. Una estimación fue que de las 90 a 120 toneladas de piezas de aleación de titanio utilizadas en la producción de un Boeing 787, el 85% se convirtió en "viruta": las virutas de metal eliminadas por las herramientas de corte. Las virutas se recogen y limpian, y luego se pueden volver a fundir. Pero inevitablemente, la concentración de oxígeno es demasiado alta, por lo que es difícil producir titanio de alta calidad a partir de chatarra. El proceso HAMR cambia esto porque puede reducir el contenido de oxígeno en esa chatarra mientras la procesa.

El polvo de titanio esférico IperionX se puede utilizar en la fabricación aditiva de fusión por láser.

El polvo esférico de titanio, el material que produce el proceso HAMR, está listo para su uso directo en la fabricación aditiva. Por lo general, se vende entre $ 150 y $ 250 por kilo, según Arima. Él cree que podrán reducir los costos de fabricación en más del 75%. Curiosamente, la empresa no tiene como objetivo las aplicaciones aeroespaciales. "Lleva demasiado tiempo calificar para las solicitudes de vuelo", me dijo. En cambio, están buscando aplicaciones de peso ligero en el sector automotriz y productos de consumo. Me gusta mucho esa estrategia porque significa que podrán "practicar" y refinar sus procesos para clientes menos exigentes que "pagarán su matrícula" por ellos mientras aprenden. Luego, a medida que mejoren, tal vez puedan ir tras la industria aeroespacial. Todavía tengo mi Mac PowerBook G4 con cubierta de titanio alrededor de 2005, pero Apple AAPL cambió a aluminio, probablemente porque el titanio era demasiado caro en ese momento. Tal vez IperionX cambie todo esto y vuelva a ser práctico. Le dije a Taso que lo que realmente quería eran paneles laterales de titanio para mi automóvil. De esa manera me sentiría más resistente conduciendo en medio del tráfico de Boston.