Descripción y características técnicas

El zinc es un metal blanco ligeramente azulado y brillante. Es un metal quebradizo cuando esta frío, pero se vuelve maleable y dúctil entre 100 y 150°C. En un ambiente húmedo, se cubre de una fina capa de hidrodrocarbonato que lo patina y lo protege contra la oxidación.

La palabra zinc viene del alemán "zinke" que significa punta en español. Aunque no representa más que el 0,012% de la corteza terrestre, está presente en el agua, el suelo y el aire, siendo un componente esencial e indispensable para el cuerpo humano. Se considera que podría actuar de forma positiva en los fenómenos de envejecimiento y participar en la regulación de la glucemia. Las necesidades cotidianas medias de un individuo se sitúan entre 9 y 15 mg, según se trate de un niño o de un adulto.

En la naturaleza, el zinc se encuentra generalmente asociado a otros metales como el cobre o el plomo. Los yacimientos de zinc están ampliamente repartidos por el mundo. En los lugares en los que aparece en gran cantidad, la proporción de impurezas en la roca es a menudo considerable. El principal mineral es la blenda (oesfalerita) que contiene como impurezas al cobre, el manganesio, el calcio, el cobalto, la plata etc. Las grandes explotaciones se sitúan en Canadá (Columbia británica), en Estados Unidos (Utah, Colorado, Idaho), en Perú (Cerro de Pasco) y en Australia.

El zinc es particularmente apreciado en diferentes sectores donde sus características tanto químicas como físicas, le permiten ser asociado a numerosas aplicaciones, beneficiándose de la reputación de ser un "metal ecológico".

Símbolo químicoNúmero atómicoMasa atómicaEstructura cristalinaDensidad (a 25°C)Temperatura de fusiónTemperatura de ebullición (760mm Hg)Dureza Vickers NoResistividad eléctrica (20°C)Resistencia a la tracciónConductibilidad térmica: sólido 18°CConfiguración electrónicaIsótopos

Zn30

65,37Hexagonal, dihexagonal,

dipiramidal7133 kg/m³

419°C (692,7°K)907°C (1180°K)

2-6 ypsum5,96.µ ohm.cm 

19 daN/mm²113 W / m.K [2,8,18]4s2 

60 a 73

El zinc no es considerado como tóxico, aunque cuando se inhala óxido de zinc recién formado, se pueden observar desórdenes fisiológicos. Como consecuencia, la tasa máxima de óxido de zinc recomendada en los lugares de tratamiento es de 5mg porm³ de aire.

Origen e historia

Siglos antes de haber sido descubierto en su forma "pura", el mineral de zinc era conocido en forma de aleaciones con el cobre y el estaño. Igualmente, se utilizaba para el cuidado de las heridas abiertas o de dolores oculares. Se encuentran ejemplos de los diferentes empleos en tiempos del emperador romano Augusto, que reinó entre el año veinte antes de nuestra era y el año cuarenta después de J.C.

Las primeras experiencias de fundición y de extracción fueron realizadas en China e India (1000 antes de J.C.). No obstante, el descubrimiento moderno del zinc se atribuye al químico alemán del siglo XVIII Andreas Marggraf, quien le dió, especialmente, su nombre. El primer procedimiento industrial fue inventado por un químico de Lieja (Bélgica), el abad Daniel Dony, a quien Napoleón 1º concedió la mina de Moresnet (en la región de Namur) con la misión de encontrar la manera de extraer el mineral. La primera fábrica de fundición del zinc a gran escala en el mundo occidental fue construida en Bristol, Inglaterra, en 1743.

Sectores de utilización

La galvanización de metales

Antes de enumerar los usos del zinc, es importante recordar que la galvanización es un procedimiento de recubrimiento de metales ferrosos que se hace, sea por inmersión de las piezas en un baño de zinc fundido, sea por electrolisis. El proceso de galvanización se presenta en la sección tecnología de esta ficha.

La galvanización tiene como principal objetivo paliar las consecuencias negativas que puede tener el aire sobre el acero, la corrosión. Esta actividad representa el 48% del consumo de zinc en el mundo. Aparte de la protección contra la corrosión, el procedimiento de galvanización tiene también como ventaja el permitir una reducción considerable de los costos. Por ejemplo, para un país como Francia, la corrosión del acero y la subsiguiente sustitución acarrearía un costo suplementario equivalente a entre 2,5 y 4% de su PNB.

Los usos que ofrece esta técnica cubren tres ámbitos ( ver gráfico al lado). Los productos que se galvanizan con mayor frecuencia son el acero en láminas y en flejes, los tubos, los hilos y los cables metálicos.

La construcción

Las piezas fabricadas en zinc y, en particular las chapas onduladas galvanizadas son utilizadas en arquitectura para la construcción de estructuras o fachadas. Este material tiene una duración de más de cincuenta años. El zinc también se utiliza para la fabricación de clavijas, que representan elementos importantes de la estructura. Estas piezas cilíndricas, cuyos extremos están aterrajadas permiten ligar dos elementos de techo entre ello.

La industria automotriz

Este sector representa alrededor del 40% del mercado de piezas galvanizadas. En la actualidad, aproximadamente nueve de cada diez coches en circulación en el continente norteamericano contienen una o varias piezas galvanizadas, lo que representa, en promedio, 15 kilos de zinc por vehículo.

Debido a sus características intrínsecas, las baterías de zinc, son más eficaces que los otros sistemas actuales. Esto podría influir principalmente en el sector de coches eléctricos. Los representantes de esta industria cuentan con un crecimiento del mercado de entre 5 y 10% en los próximos diez años.

Electrodomésticos

El zinc interviene en este sector, principalmente por su presencia en electrodomésticos, tales como las refrigeradoras o los lavaplatos. Sin embargo, la principal innovación se encuentra en el sector de la informática.

En la industria de la informática el zinc se emplea fundamentalmente en los nuevos tipos de pilas que han reemplazado progresivamente las pilas de mercurio: las baterías "zinc-aire" que, además de mejorar las capacidades de autonomía de los aparatos en los que son integradas, son más respetuosas del medio ambiente que sus predecesoras. Las pilas a base de zinc tienen como principal ventaja la posibilidad de ser recicladas sin límite, sin perder ni sus cualidades químicas, ni sus cualidades físicas. El zinc representa una fuente de energía limpia y duradera para el futuro. Sin embargo, el impacto que podría tener el zinc sobre el medio ambiente no se conoce todavía, por lo que se están desarrollando algunos estudios sobre este tema en la actualidad. Los resultados tendrán probablemente consecuencias en el sector de aceros galvanizados destinados a la construcción y que representan actualmente casi la mitad del mercado para el zinc.

Se estima que aproximadamente un tercio del zinc consumido, se produce a partir del reciclado del zinc usado.

Fundición & Aleaciones

El latón (llamado también cobre amarillo) es la más conocida de las aleaciones del zinc. Está formada por entre 55 y 90% de cobre, siendo el resto de zinc. La producción de latón representa el segundo mercado para el zinc.

En función de las propiedades que se desea atribuir, las proporciones de la mezcla varían y se pueden agregar otros elementos como el níquel o el estaño. Estas aleaciones se emplean en ámbitos tan variados como el de la construcción naval o la fontanería. Agregando una parte de estaño a la mezcla (sin exceder el 2%), estas aleaciones podrán resistir a la corrosión causada por la sal de mar y podrán ser utilizadas en la industria naval. Por otra parte, añadiendo aluminio a la mezcla (menos de 3% de la mezcla), la aleación será suficientemente resistente como para ser empleada en la fabricación de conductos de tuberías, etc.

Algunos ejemplos menos conocidos:

Maillechort : aleación inalterable de cobre, zinc y níquel. Su nombre viene de la unión de los nombres de sus inventores, Maillet y Chorier (1827). Es una aleación blanca cuyo aspecto es parecido al de la plata por lo que también se le conoce con el nombre de argentán. Se utiliza particularmente en la fabricación de piezas de orfebrería o de instrumentos científicos.

Metal inglés : aleación a base de zinc y de antimonio. Es utilizado sobre todo por los ingleses, lo que justifica su nombre. Esta mezcla contiene entre 70 y 94 % de estaño, 5 a 24 % de antimonio, hasta 5 % de cobre y algunas veces hasta 9% de plomo. Se emplea principalmente en la la fabricación de vajilla, cubiertos o teteras.

Tombac ( tambac en Taï) : Se le da este nombre a distintas aleaciones a base de cobre y de zinc (latones) que contienen más de 80-83% de cobre y que pueden contener pequeñas cantidades de estaño. Es originaria de Oriente Medio y tiene un color cercano al oro. Es utilizado a menudo en joyería bajo la forma de bandas o de hilos.

Zamak : (marca registrada) es la denominación comercial que designa una aleación a base de zinc, aluminio (3,9-4,3%), magnesio (0,03 -0,06%) y eventualmente de cobre (1-3%). En la industria automotriz, es utilizado en la fabricación de manijas, de cuerpos de surtidores y de carburadores. En la industria radio-eléctrica y de telefonía móvil, sirve para realizar pequeñas piezas. Finalmente, tiene un vasto abanico de mercados en la cerrajería y la ferretería.

Utilizaciones de derivados del zinc

El 75% del zinc se consume bajo su forma metálica y el 25 % restante se emplea bajo las formas de óxido o de sulfuro de zinc. 

El óxido de zinc (ZnO) es utilizado en la fabricación de, pinturas, productos a base de caucho, plásticos, tintas de impresión, productos textiles, cosméticos, jabones y productos farmacéuticos (el zinc esta naturalmente presente en nuestro organismo y representa el segundo oligoelemento después del hierro).

El sulfuro de zinc se utiliza principalmente en la confección de cuadrantes luminosos, pantallas de televisores, pinturas (poco tóxicas) y luces fluorescentes

Producción

El zinc ocupa el cuarto lugar a nivel de producción de metal en el mundo después del hierro, del aluminio y del cobre. Aunque se explota en mas de 50 países, los cinco primeros países productores (China, Australia, Perú, Canadá y Estados Unidos) producen alrededor del 65% de la producción mundial. El mineral de zinc representa el 50% de la demanda mundial de zinc. En los Estados Unidos por ejemplo, dos terceras partes del zinc se producen a base del mineral mientras que el tercio restante proviene del reciclado de residuos y desechos. La progresión de la oferta de zinc es impulsada, entre otros factores, por los mercados potenciales y el fuerte crecimiento del sector de la construcción en los países industrializados desde los años 1970.

Producción mundial de zinc en miles de toneladas en el período 1900-2005*

Consumo

A principios del siglo XX el consumo del zinc representaba 500.000 toneladas de metal .La demanda de zinc para realizar aleaciones de laton y de bronce no ha aumentado mucho entre 1991 & 2001 . por el contrario , la galvanización que representa el que representa el primer mercado del zinc con 47% del consumo mundial de este metal ha pasado de 2.5 millones de toneladas utilizados en 1991 a aproximadamente 3.3 millones en 2001. El zinc es considerado un metal con futuro & demanda debería seguir progresando en los próximos años

Esquema de la cadena

Las diferentes etapas de la producción de zinc

La extracción del zinc puede efectuarse en las minas a cielo abierto o en yacimientos profundos. La elección del tipo de explotación depende del entorno y del capital invertido. Cuando se decide explotar una mina a cielo abierto, los mineros cavan huecos con la ayuda de taladros neumáticos manuales, en los que colocan cargas explosivas. Una vez extraídas, las rocas son transportadas hasta la fábrica de transformación, que generalmente se encuentra en la misma mina, para comenzar la fase de concentración.

Separación de concentrados de zinc

En esta etapa, el mineral es triturado con el fin de obtener partículas muy finas que, según la naturaleza del mineral, van a ser sometidas a diversos tratamientos químicos . Se trata de extraer del mineral un máximo de elementos extraños e impurezas. Más tarde, los diferentes concentrados presentes en la roca son separados por un proceso de flotación como en el caso de la familia de los platinoides (platino y paladio). Esta técnica se basa en el hecho de que cuando están en suspensión, las partículas minerales recubiertas de ciertos productos químicos se aglutinan en forma de burbujas de aire que son insufladas por la parte de abajo de la célula de flotación, para subir luego a la superficie. Se forma entonces en la superficie, un depósito espumoso que será recuperado y enviado a través de varios filtros. A la salida de este proceso, se recogen diferentes concentrados de zinc.

Refinado

Esta es sin duda la más importante etapa del proceso. Con el fin de obtener el metal bruto, la industria metalúrgica del zinc utiliza dos procedimientos: la hidrometalurgia y la pirometalurgia.

La extracción por vía húmeda (por electrólisis o hidrometalurgia )

La hidrometalurgia consiste en la producción, purificación o la eliminación de metales o de componentes de metales a través de reacciones químicas. Este método es principalmente utilizado en el tratamiento de las rocas que tienen un alto contenido de hierro. Se desarrolla en cuatro fases que son respectivamente: el tueste, la lixiviación, la purificación y la electrólisis.

- El tueste: El tueste transforma el sulfuro de zinc en óxido. El dióxido de azufre obtenido permitirá obtener ácido sulfúrico que, por una parte entrará en el proceso de fabricación de agentes fertilizantes, y por otra parte continuará su proceso hacia la etapa siguiente denominada lixiviación.

 

° El dióxido de azufre que se obtiene gracias a este proceso es transformado en ácido sulfúrico.° El mineral de zinc, después de la tostación, es llamado calcina.

 

- LixiviaciónDurante la fase de lixiviación, la calcina es tratada mediante una solución diluída de ácido sulfúrico (180-190 g/l). Esta operación se realiza a una temperatura de aproximadamente 60°C y dura entre una y tres horas. En esta fase, queda todavía un porcentaje que varía entre 10 y 25% de zinc insoluble que va a ser recuperado gracias a una operación complementaria.

- Purificación de la soluciónDespués de la lixiviación, algunos elementos externos están todavía presentes en la solución. Su eliminación se realizará con la ayuda de polvo de zinc. La cantidad necesaria de polvo de zinc depende del porcentaje de impurezas que contiene la solución. Esta purificación dura entre una y ocho horas. Al final del proceso, se recuperan las partículas de zinc por filtración.

- ElectrolisisUna vez purificada la solución, se vierte en depósitos de electrolisis (tanques de cemento revestidos de PVC), constituidos por ánodos de plomo y de cátodos de aluminio. Esta operación necesita entre 30 y 40°C y va a permitir al zinc depositarse en el cátodo de dónde se le despegará por pelaje (o stripping) cada 24, 48 o 72 horas, según el caso.

 

° La producción por celda que contiene hasta 86 cátodos de 1,6 m², puede alcanzar 3 t/día° El zinc obtenido es muy puro (99,995 %). Contiene menos de 50 ppm de impurezas, siendo el plomo la principal.

 

Finalmente el zinc obtenido es fundido y moldeado en lingotes, que es como será comercializado en el mercado industrial.

La extracción por vía seca (conocida también como vía térmica o pirometalurgia)

Esta reducción concierne principalmente a los concentrados ricos en plomo y otras impurezas metálicas que pueden tener valor. La pirometalurgia es la técnica tradicional de extracción de metales. Permite obtener metales a partir de sus minerales o de sus concentrados por medio del calor. Se trata principalmente de extraer el metal del mineral, eliminar la ganga del mineral y purificar los metales. Históricamente, este procedimiento fue el primero en aparecer. Las operaciones se efectúan entre 950 y 1000°C. El zinc obtenido por este método contiene entre 0,5 y 1,5% de impurezas, principalmente de plomo o de hierro y, raramente, cadmio, arsénico, antimonio o cobre. Para obtener un zinc de mayor pureza (alrededor del 99.99%), se debe refinar por licuado en un horno de reverberación con solera y/o por destilación fraccionada.

Tecnología

La galvanización en caliente

Tal como se menciona en la sección sobre las utilizaciones del zinc, la galvanización es un procedimiento de recubrimiento de metales ferrosos por inmersión en un baño de zinc fundido o por electrólisis. Para este procedimiento es necesario que la superficie de las piezas a cubrir esté cuidadosamente preparada, con el fin de permitir la reacción del zinc y del acero. Es por esto que antes de la inmersión en el baño de zinc, las piezas a galvanizar pasan primero, por tres etapas:

 El desengrase

Esta etapa tiene como objetivo eliminar todos los elementos extraños que podrían impedir la disolución de los óxidos de hierro presentes en la superficie de la pieza a tratar. Para ello, se sumerge el acero en una solución de carbonato de sodio, de soda, de detergentes y de tensoactivos calentados a una temperatura de entre 60 y 80°C. Una vez desengrasadas, las piezas se enjuagan con agua. 

El decapado

Se efectúa con la ayuda de ácido clorhídrico adicionado con un inhibidor (entre 3 y 6 mol / l) y permite eliminar la calamina y algunos de los demás óxidos presentes en la superficie. Al finalizar esta etapa, se enjuagan de nuevo las piezas con agua. Esta etapa química se sustituye a veces por un procedimiento mecánico: el granallado, que va a permitir la eliminación de silicio presente en la superficie. Esta técnica se emplea sobre todo en el caso de la fundición.

Aplicación del flujo

La última etapa antes de comenzar la galvanización es una etapa de prevención de la reoxidación del acero. Las piezas son sumergidas en una solución acuosa doble de cloruro de amonio y de zinc calentado a 60°C aproximadamente. Las cenizas liberadas por la operación, que remontan a la superficie, serán retiradas usando la técnica del espatulado, para ser a continuación secadas en una estufa a una temperatura de 120°C aproximadamente.

Tras estas etapas preparatorias, el acero es sumergido en un baño de zinc en fusión (temperatura comprendida entre 440 y 460°C). La duración de esta inmersión depende del volumen de la pieza a galvanizar y puede durar entre tres y quince minutos según se trate de un tornillo o de una pieza de estructura pesada. Con el fin de uniformizar el espesor del depósito, la pieza debe ser retirada del baño a unavelocidad que varía entre 0,5 y1 m.min aproximadamente (lentamente). El revestimiento aplicado de esta manera proporciona al acero una protección tanto física, aislándolo del medio exterior, como electroquímica, en el caso en que este fuese agredido o perdiera su capa exterior.

A continuación se presenta, a título ilustrativo, la composición de la microestructura de un revestimiento de zinc después de la inmersión.

Capa % zinc % hierroDurezaVickers

1/ ETA +/- 100 < 0,03 70

2/ DZETA 94 a 95 5 a6 179

3/ DELTA 88 a 93 7 a 12 244

4/ GAMA 72 a 79 21 a 28 400 a 500

5/ ACERO 0 +/- 100 159

La galvanización en frío (galvanoplastia)

Electroplating en inglés. Esta técnica nació, científicamente hablando, a principios del siglo XIX. La galvanoplastia consiste en el depósito de una capa metálica sobre un objeto aplicándole una carga negativa y submergiéndolo en una solución que contiene una sal de metal a depositar ( zinc en este caso).

Los iones metálicos de la sal están cargados positivamente y son atraídos hacia el objeto de carga negativa. Cuando entran en contacto con el cátodo este produce electrones que van a reducir los iones cargados positivamente en el metal. La galvanoplastia puede ser empleada en casos tan variados como la protección de metales contra la corrosión o la decoración.

El procedimiento de Sendzimir

Este procedimiento fue desarrollado en el transcurso de los años 30. Las chapas provenientes de bobinas se desenrollan progresivamente, se desengrasan y se precalientan (600 à 650°C). Posteriormente se calientan a una temperatura que puede variar entre 750 y 850°C y se enfrían en una atmósfera protectora (N2, H2). A continuación se sumergen en un baño de zinc cuya temperatura se sitúa entre 450 y 500°C durante un tiempo muy corto, de aproximadamente tres segundos. Cuando se sacan de este baño, son secadas por láminas de aire con el fin de ajustar el espesor del depósito de zinc.

Otras técnicas

Otras técnicas, menos frecuentes, emplean la proyección térmica del zinc fundido con pistola, la matoplastia o la sherardización. Este último método fue inventado a principios de siglo por Sherard Cowper Cowles y se basa en el siguiente principio: se calientan las piezas en el interior de una caja cerrada que da vueltas lentamente (380 a 450°C) en presencia de polvo de zinc y de un material inerte. La sherardización, como la galvanización, permite obtener un revestimiento anti-corrosión de tipo aleación hierro-zinc. Sin embargo, contrariamente a la galvanización en caliente descrita al principio de esta página, la sherardización está constituida solamente por capas delta y gama.

Precio

En el proceso de formación de los precios, los valores negociados y cotizados por los principales mercados a plazo (y plataformas electrónicas) constituyen un factor importante por varias razones. En primer lugar, tienden a mejorar la transparencia de los mercados. En segundo lugar, permiten a los operadores que lo desean cubrirse con relación a sus posiciones físicas. Finalmente, estos precios, y en particular las cotizaciones del LME (London Metal Exchange), son utilizados como referencia en las formulas escogidas por los principales actores de la cadena. Efectivamente, la comercialización del zinc se basa frecuentemente en los contratos a medio y largo plazo que aseguran a la vez abastecimiento y mercado para este producto. Sin Embargo, dada la inestabilidad de los precios, es relativamente arriesgado fijar precios cerrados en los momentos de la firma de los contratos. Es normal pues, fijar con anterioridad los volúmenes a intercambiar y las fechas de transacciones, determinando al mismo tiempo el valor futuro en referencia a la evolución de los precios en el London metal Exchange. La fórmula utilizada puede, por ejemplo, ser de la función mensual de los precios LME de referencia del mes o del trimestre que procede a la entrega.