- Por Wilmer Romero -
En mis dos últimos artículos sobre protagonistas del aluminio, una serie dedicada al estudio de la historia del aluminio, escribí sobre el desarrollo del segundo método industrial para producir aluminio, conocido hoy en día como el proceso “Hall-Héroult”, y sobre la historia del padre de la industria de aluminio americana, nuestro protagonista estrella: “Charles Martin Hall”.
En este año 2021, se cumplen 135 aniversarios del proceso Hall-Héroult, el cual seguirá cumpliendo muchos más durante este milenio, ya que no se vislumbra ningún otro método capaz de sustituirlo.
El proceso Hall-Héroult fue el que convirtió al aluminio de un metal semiprecioso, que inicialmente parecía predestinado a permanecer en una vitrina de joyería junto con el oro y otras piedras preciosas, a un metal industrial de uso cotidiano. Precisamente, en este artículo se relatan las dificultades por la que atravesó el aluminio para que pudiese ser aceptado como un nuevo meta industrial.
Inicio de la producción comercial de aluminio
Búsqueda de mercados
Quizás algunas personas pudiesen pensar que una vez que se inició la producción industrial del aluminio, su comercialización sería algo muy fácil, ya que el aluminio se vendería por sí solo. Nada más lejos de la realidad histórica.
Cuando el aluminio empezó a producirse comercialmente, no existía ningún mercado para él, era un metal nuevo, poco conocido, blando, de baja resistencia, con un precio aún no competitivo, por lo que tuvo que abrirse paso en un escenario dominado por el plomo, cobre (bronce), zinc, estaño y otros metales no ferrosos, los cuales ya eran bien conocidos desde los tiempos antiguos.
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| El aluminio empezó a producirse sin tener un mercado establecido |
El aluminio, al final del siglo XIX e inicio del siglo XX, ocupaba el cuarto lugar en lo que se refiere a producción mundial de metales no ferrosos. El metal más usado para ese entonces era el plomo, seguido por el cobre y zinc. El estaño aún mantenía cierta importancia industrial significativa. Lógicamente, si se considera todos los metales, el acero era el líder indiscutible.
Bajo este contexto histórico, las industrias manufactureras establecidas aguas abajo, preferían usar los materiales más tradicionales, los cuales conocían muy bien, por lo que no tenían interés en un metal que no le era familiar.
Si nadie lo deseaba, nadie lo iba a comprar y en consecuencia la producción empezó a acumularse en las plantas de aluminio. A pesar que la producción crecía, no se correspondía con la demanda del producto, su consumo era muy bajo, ya que existía una gran resistencia por parte de los empresarios a usar el aluminio.
Evolución del mercado del aluminio
Antes que el aluminio llegara a las manos de la más humilde ama de casa, primero tuvo que pasar por un periodo largo de evolución y transformación que duró cerca de 70 años, contado desde el momento en que fue aislado por primera vez.
El aluminio no se impuso espontáneamente en el mercado, para ello tuvo que abrirse paso a través de la implementación de campañas informativas y educativas sobre sus bondades y propiedades, dirigidas directamente a los clientes potenciales, conjuntamente con un mercadeo muy agresivo para vencer la resistencia que tenían los empresarios a usar el nuevo metal.
"Muchas veces la gente no sabe lo que quiere, hasta que se lo enseñas". Steve Jobs.
Para estudiar la evolución del mercado del aluminio, podemos dividir su historia en cuatro etapas. La primera etapa abarca desde el inicio de la producción industrial del aluminio en 1888, hasta el inicio de la primera guerra mundial en 1914.
La segunda etapa cubre todo el periodo de las dos guerras mundiales, desde 1914 a 1945, mientras que la tercera etapa corresponde desde la postguerra hasta el final del siglo XX, es decir desde 1946 hasta 1999. Finalmente, la última etapa es la que vive actualmente la industria del aluminio, iniciando desde este siglo XXI.
Primera etapa en la evolución del mercado del aluminio
La producción industrial del aluminio primario usando el proceso Hall-Héroult, se inició en 1888 en tres países, USA, Suiza y Francia. Treinta años después, en 1918, el número de países productores se incrementó a nueve.
Antes de 1888, el aluminio tenía un uso muy limitado debido a su alto costo de producción, por lo que era usado fundamentalmente en la fabricación de artículos ornamentales y prendas de lujos que los explotadores de la vanidad promocionaban en las principales joyerías.
El aluminio al dejar de ser un metal ostentoso, se pensaba que podría comercializarse fácilmente, pero fue sólo la industria del acero la que lo acogió rápidamente para usarlo como desoxidante en la fabricación de aceros calmados y semicalmados, sin embargo, las cantidades requeridas eran bajas.
"Sin importar en qué segmento compitas, la innovación debe estar centrada en el consumidor". A. G. Lafley
El resto de la industria manufacturera se negaba a utilizar el aluminio en sus procesos productivos, alegando que desconocían el efecto que este metal iba tener en sus maquinarias o equipos.
A la industria del aluminio por lo tanto, no le quedó otro remedio que incursionar directamente en el procesamiento aguas abajo, a su propio riesgo, sin tener clientes, ni pedidos, y sin saber si podrían vender sus productos. Su objetivo era dar el ejemplo y así poder desarrollar la industria del aluminio aguas abajo, ya que los empresarios tradicionales no querían aventurarse con un metal que desconocían.
Profetas del aluminio
Aunque los empresarios dedicados a la transformación del metal rehusaban usar el aluminio, los promotores del aluminio no se rendían, quizás recordaban las palabras proféticas de los escritores inmortales Charles Dickens y Julio Verne, quienes fueron los únicos que se atrevieron a pronosticar un futuro prometedor para este nuevo metal ligero.
Julio Verne en una de sus novelas de 1857, vislumbró al aluminio como el material ideal para la construcción de una nave o capsula espacial, como efectivamente ocurrió. Dicken por su parte, comentó ese mismo año que el aluminio sería incuestionablemente usado como materia prima en todo tipo de aplicaciones industriales y que estaría presente, en una forma u otra, en las manos del mundo civilizado. Tal cual como lo predijo hace 164 años, sucedió.
Los primeros pioneros de la industria del aluminio tuvieron que expandirse aguas abajo e iniciar un proceso de sustitución directa de aquellos productos hechos de cobre, bronces y latón por aluminio. La idea era fabricar la mayor diversidad de productos acabados para que la gente empezara a ver y creer en las virtudes del nuevo metal.
"Dar ejemplo no es la principal manera de influir sobre los demás, es la única manera". Albert Einstein
Uno de los primeros artículos que fabricaron en 1895, fue una tetera hecha por fundición, así como otros utensilios de cocina. Ellos mismos empezaron a vender y enseñar a otros a fabricarlos, transfiriéndole su tecnología para incentivarlo a que usasen el metal. Así fue que otras empresas fundidoras empezaron a tener interés en el nuevo metal.
La misma estrategia tuvo que aplicarse con los otros procesos de conformado plástico del metal, creando empresas para el laminado del aluminio, extrusión, alambrón y trefilado. En todas ellas se arriesgaron y triunfaron.
Primeras aleaciones de aluminio
Para el final del siglo XIX, las aleaciones de aluminio apenas estaban iniciándose, por lo que el aluminio aún era blando, con bajas propiedades mecánicas, ya que aún no se conocían cuales eran los elementos aleantes más efectivos para endurecer al metal y tampoco se conocía la manera de endurecer el aluminio por tratamientos térmicos.
Así que, muchos investigadores y aventureros empezaron una búsqueda incesante para encontrar un elemento aleante milagroso, que convirtiera al aluminio en una aleación deseada por todos.
Sin embargo, el enfoque para el diseño de dichas aleaciones era totalmente empírico, muy similar a los procedimientos de los alquimistas de la edad media, ya que, aunque se sabía que sus propiedades iban a cambiar, no era posible predecir dichos cambios, sólo a través del ensayo y error es que se podían evaluar los resultados. Esto implicaba un largo tiempo de experimentación y desarrollo.
Siglo XX
Con la entrada del nuevo siglo, la industria del aluminio siguió prosperando, pero estaba todavía a 60 años de convertirse en el segundo metal más utilizado, ya que como se mencionó anteriormente, ocupaba el cuarto lugar en la producción mundial de metales no ferrosos, detrás del zinc.
Las estrategias agresivas de mercadeo empezaron a dar frutos y el aluminio comenzó a abrirse camino en diversos sectores. Uno de ellos fue en el tendido eléctrico, donde competía fuertemente con el cobre. Los Estados Unidos se estaban electrificando, por lo que existía una gran demanda de conductores eléctricos para la transmisión de energía.
El cobre llevaba la delantera, pero el fuerte mercadeo del aluminio y la interacción directa con la industria eléctrica dieron sus frutos. El aluminio se usó también en las barras colectoras, bobinados de condensadores, intercambiadores de calor, carcasas de equipos y hardware eléctricos.
Aleaciones endurecidas por tratamientos térmicos
Aunque el aluminio se aleaba con otros elementos aleantes para darle mayor resistencia, aún así no se acercaba a las aleaciones de cobre. El endurecimiento por tratamiento térmico del metal, tal como se hacía con el acero, no existía en ese tiempo para el caso de las aleaciones no ferrosas. Eso fue descubierto por casualidad en el año de 1903, pero se empezó a utilizar industrialmente a partir de 1909.
Con este descubrimiento, se abrió una nueva era en el diseño de aleaciones de aluminio de alta resistencia y un abanico de oportunidades para promocionar el uso de dichas aleaciones en aplicaciones que hasta entonces no existían. Estas oportunidades surgieron con la floreciente industria aeronáutica y automotriz, que para inicio del siglo XX eran también incipientes y crecían en paralelo con la industria del aluminio.
La madera era el material favorito en la construcción de aviones por ser muy liviana y fácil de labrar. Sin embargo, con la llegada de las nuevas aleaciones de aluminio de alta resistencia, éstas rápidamente se convirtieron en las aleaciones ideales para la producción de aviones militares y comerciales. De hecho, el éxito de la aviación está relacionado con el uso del aluminio y sus aleaciones. ¿Quién se atrevería hoy en día a volar en un avión fabricado de madera?
Nuevo producto, el papel de aluminio
A partir de 1910, se empezó a comercializar el papel de aluminio, para sustituir al papel o hoja de estaño, muy popular en aquellos tiempos. El papel de estaño era tan común y popular que al propio papel de aluminio se le llamaba también hoja de estaño. El papel de estaño sobrevivió por un par de décadas más y finalmente desapareció totalmente del mercado.
El uso y la costumbre hacen que algunos nombres perduren en el tiempo, como por ejemplo, el latonero, encargado de reparar el latón (aleación Cu+Zn). Aunque ese oficio desapareció hace un buen tiempo, seguimos llamando latonero a la persona que repara hojalata (acero recubierto de estaño), u otro tipo de acero o material de carrocería automotriz.
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| El papel de aluminio logró sustituir totalmente al papel de estaño |
El problema del estaño era que dejaba sabores extraños en los alimentos, cosa que no tenía el aluminio. Además, la resistencia y prestaciones del estaño eran inferiores a las del aluminio. Inicialmente, el papel de aluminio se empezó a usar en el embalaje de los productos del tabaco / cigarrillo y en las barras de chocolate.
Esta primera etapa de la evolución del consumo del aluminio, caracterizada fundamentalmente por incentivar su uso en los sectores del mercado dominados por los materiales más tradicionales, duró unos 26 años, desde 1888 hasta 1914, justo cuando inició la primera guerra mundial.
Uso del aluminio durante el periodo de guerra
La primera y la segunda guerra mundial fueron los eventos que promovieron y estimularon el uso extensivo del aluminio en diversas aplicaciones, convirtiéndolo así en un metal industrial ampliamente diseminado.
La primera guerra mundial estimuló poderosamente el uso del aluminio, mientras que la segunda guerra disparó su consumo y transformó la industria del aluminio. El consumo del aluminio en ese periodo de conflicto bélico, fue entonces propiciado por las necesidades de guerra, lo cual hizo que la producción mundial se incrementara 10 veces.
El uso del aluminio era tan vital, que la Alemania nazi antes de embarcarse para la guerra, impulsó rápidamente su industria del aluminio, hasta convertirse en 1939 en el mayor productor de aluminio del mundo. Como han de imaginarse, la mayoría de dicho metal era destinado a la construcción de aviones de combate, para fortalecer su poderío aéreo.
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| El Aluminio, la materia prima deseada por todos durante el periodo de guerra |
Los soviéticos en contraste, estaban escaso en aluminio y se dice que el propio Joseph Stalin, el dictador de la extinta Unión Soviética, le escribió en 1941 al presidente de USA diciéndole: “Deme 30 mil toneladas de aluminio y ganaré la guerra”.
En los EEUU, el gobierno tuvo que intervenir en el negocio del aluminio y construir muchas plantas de aluminio para suplir de dicho metal a la industria militar (aviación + armamento), ya que la empresa Alcoa no tenía la suficiente capacidad para suministrar todo el metal.
Las inversiones efectuadas por el estado, incluyeron también la construcción de represas hidroeléctricas, para proporcionar la energía eléctrica requerida por el proceso. Durante los años de 1939 a 1943, la inversión del gobierno de USA en la industria del aluminio, permitió que la producción de aluminio en ese país creciera en más del 600%.
El estado también invirtió fuertemente para desarrollar la industria aeronáutica, en donde se mejoraron los diseños de los aviones y se desarrollaron programas de investigación para implementar nuevas aleaciones de aluminio de uso aeronáutico, así como para uso en portaaviones y otros barcos.
"Todo lo que es nuevo tiene que salir de la investigación fundamental de lo contrario no es nuevo". Manfred Eigen
Alcoa construyó un laboratorio de investigación del aluminio, de donde posteriormente surgirían más del 90% de todas las aleaciones de aluminio actualmente utilizadas por la industria aeronáutica.
El aluminio, como metal ligero, permitía reducir peso, así que se implementó por primera vez en la construcción de fuselajes, partes para aviones y automóviles, instrumento de navegación, pistones, motores automotrices, tanques de gasolina, bombas de gasolina, carcasa del árbol de levas, respaldo de asientos, capó, dispositivos de comunicación, pintura de aluminio reflectiva para exteriores, suministros eléctricos, productos de tornillería industrial, etc.
Durante todo el periodo de guerra se desarrolló un amplio espectro de nuevas aplicaciones de alta tecnología para uso militar, utilizando para ello novedosas tecnologías y técnicas de fabricación, así como aleaciones de altas resistencias. Es que en toda la historia de la humanidad, el diseño y la fabricación de armas para la guerra, siempre ha estado en la vanguardia de la innovación y la tecnología.
La producción de aluminio ayudó a modernizar las artes militares, y éstas a su vez fueron el trampolín para impulsar el desarrollo de la industria del aluminio. De esta manera, el aluminio se convirtió en un material estratégico. De hecho, el 90% del aluminio producido durante la primera y segunda guerra mundial, fue usado en el área militar. Esto contrastaba con el inicio de la producción del aluminio, en donde existía una resistencia a su uso, ni regalado lo querían los transformadores aguas abajo.
El uso del aluminio fue clave para favorecer una mayor movilidad y despliegue rápido de la infantería mecanizada hacia el frente de batalla y facilitó la logística que implicaba dicho despliegue.
El aluminio se usó en vehículos para el transporte blindado del personal militar, para transportar puentes militares, en flotadores, en vehículos anfibios y otros. Ese era el sueño de Napoleón III, cuando decidió financiar en 1855 al francés Henri Sainte-Claire Deville, para que encontrara un método que fuese capaz de producir aluminio de forma económica y abundante.
El aluminio se usó también para inmovilizar al enemigo, en la llamada guerra relámpago. En este caso se usó como componentes de explosivos (polvo de aluminio), en bombas, granadas de mano y hasta en la tecnología de misiles, que aprovechaban al aluminio para mejorar su velocidad y maniobrabilidad.
Posguerra
Tercera etapa de la evolución del mercado del aluminio
Durante el periodo de posguerra, que abarca desde 1946 hasta 1999, la industria del aluminio vivió un periodo de consolidación, crecimiento y expansión. Fue una época dorada para la industria del aluminio, en donde el consumo de aluminio en el mundo industrializado parecía indetenible, hasta que finalmente fue frenado por la primera crisis petrolera de 1973.
Durante la segunda guerra mundial, la gran mayoría de las empresas manufactureras en Norteamérica, se involucraron con el proceso de transformación del aluminio, manufacturando una cantidad diversas de partes y piezas requeridas por las industrias de aviación y armamentos. Miles de hombres y mujeres fueron también entrenados en los procesos de fundición de piezas, conformado y ensamblado de estructuras hechas de aluminio.
Después de la guerra, la producción y los productos de aluminio fueron redirigidos al mercado civil. Además, todo el conocimiento técnico y la experiencia adquirida en el procesamiento del metal, sirvieron de base para ser usados en nuevas aplicaciones.
Las nuevas aleaciones de altas resistencias y las técnicas novedosas de unión y acabado del metal que se desarrollaron para los aviones de combates, fueron transferidas a la aeronáutica civil y al sector de la arquitectura y a la construcción en general. La industria del aluminio poseía ahora una fuerza laborar muy bien entrenada en toda la cadena productiva del aluminio.
Ya en tiempo de paz, el gobierno de USA vendió todas las plantas de aluminio de su propiedad (unas 50 plantas). El objetivo de la venta fue favorecer la competencia en la industria primaria del aluminio, sector que era monopolizado por la empresa Alcoa.
El precio del aluminio durante la guerra bajó un 30% debido al incremento de la producción y al subsidio en el consumo de la energía eléctrica promocionado por el gobierno de USA, mientras que el precio de los otros metales creció un promedio de 125%.
Al finalizar la guerra, el precio más asequible del aluminio y su abundante producción incrementó sus ventajas comparativas frente a los otros materiales, por lo que muchas empresas aguas abajo continuaron usando el aluminio como sustituto de los metales más tradicionales.
A medida que el consumo se incrementaba, seguían surgiendo una amplia variedad de otros productos, como juguetes de aluminio, palos de golf, botes de remos, trailers, ventanas, láminas para techo, congeladores domésticos y otros productos para el hogar que aceleraron el proceso de penetración en el mercado civil.
Aluminio ocupa el segundo lugar en la producción mundial de metales
En 1960, la producción de aluminio alcanzó los 4,7 millones de toneladas, desplazando finalmente al cobre, el metal de uso industrial más anciano que existe, ocupando así el primer lugar dentro de la producción mundial de metales no ferrosos y el segundo después del acero. Con ello dejó definitivamente atrás, el reinado de la edad de cobre-bronce, en lo que respecta al uso mayoritario de dicho metal.
Con el conflicto bélico ya finalizado, se inició la guerra fría, en donde el uso del aluminio fue fundamental para apoyar a la industria aeroespacial y las misiones a la luna. El aluminio viajó por primera vez al espacio y a la luna, cumpliéndose así las profecías del gran escritor “Julio Verne”. El primer satélite artificial fue construido básicamente de aluminio. Los vehículos lunares que pasearon por la luna, los Rover lunares, fueron construidos también de aluminio.
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| Primer satélite artificial: Sputnik 1 |
Con el acero conquistamos los mares, océanos y toda la tierra, a través de grandes construcciones de puentes, rascacielos, ferrocarriles, embarcaciones y luego a principios del siglo XX, empezamos a conquistar el cielo y el espacio mediante el uso del aluminio, el metal dominante de todo lo que vemos arriba en el cielo.
Dado a que el aluminio se hace más resistente a medida que disminuye la temperatura, ha encontrado aplicaciones en estructuras de tanques o recipientes a temperaturas criogénicas (hasta -200 oC). También se ha usado en reactores nucleares a baja temperatura, debido a que absorbe relativamente pocos neutrones.
Latas de aluminio
En 1960, el aluminio incursionó en el mercado de las latas de bebidas, comenzando primero con la “tapa”, llamada tapa de fácil apertura, la cual se usó inicialmente en las latas de acero soldables. Luego le siguió el “cuerpo” sin costura, hecho todo de aluminio, fabricado mediante el proceso de embutido-estirado-planchado, partiendo de un disco de metal.
Estas latas de aluminio se convirtieron en el artículo individual más ampliamente usado en el mundo y también en el más reciclado, siendo Brasil el líder en este renglón.
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| Primera lata en la industria de las bebidas gaseosas |
La creciente preocupación pública por el impacto ambiental que están causando las botellas plásticas, ha impulsado el crecimiento del uso de latas de aluminio en el sector de envasado del agua, sector tradicionalmente dominado por el plástico. Compañías como Coca-Cola, Pepsico y Nestlé, ya están ofreciendo sus marcas de agua embotelladas en latas de aluminio, las cuales generan una menor huella de carbono.
En USA, su fabricación supera la producción de clavos y clips, con perspectivas de seguir creciendo a una tasa entre 3 y 5% anual hasta el 2025. Para suplir esta demanda, se requiere de unas 6 plantas de aluminio de 500 mil t/año de capacidad neta, dedicadas exclusivamente a fabricar “can stock”, que es la materia prima para fabricar las latas.
Crisis petrolera
El consumo del aluminio desde el final de la segunda guerra mundial hasta la primera crisis petrolera, periodo 1945 a 1972, experimentó una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) de casi el 10% (World Aluminium), periodo en donde el aluminio incrementó significativamente su participación en los sectores de la construcción, cables eléctricos, empaques (foil) y la industria aeronáutica.
Fue un periodo con un ritmo de crecimiento excepcional y al final del mismo, en 1972, el mayor consumidor de aluminio, según la World Aluminium, era la industria de la construcción y edificación, con un 24%, luego el sector transporte con el 20%, eléctrico con 17% y empaque con 9%. Posteriormente, la crisis energética cambiaría esta configuración.
Los principales países consumidores en ese periodo fueron USA, seguido por la extinta URSS, luego Japón, Alemania, UK, Francia e Italia. China apenas figuraba con un porcentaje de alrededor del 2% para el año de 1972, situación que cambiaría totalmente en el siglo XXI.
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| Las crisis petroleras afectaron la producción y el consumo del aluminio |
La crisis petrolera de 1973 redujo por primera vez la producción de aluminio primario en el mundo industrializado, provocando una disminución del consumo y una reestructuración radical de las empresas productoras.
El consumo de aluminio durante el periodo de 1972 al 2010, sólo pudo crecer a una tasa anual compuesta de aproximadamente 3% (World Aluminium), no sin antes sufrir una deceleración negativa, de -1,9% en 1980 y -5,6% en 1981. El ritmo de crecimiento experimentado en el periodo de 1945 a 1972, nunca más regresó.
Para el 2010, el sector transporte en Norteamérica, Europa occidental y Japón, pasó a ser el principal mercado de uso final para el aluminio, con un promedio del 37%, seguido por el sector empaque (19%), aplicaciones eléctricas y mecánicas (18%) y el sector construcción con un 15% (World Aluminium). China emergió como el principal consumidor mundial, al incrementar su participación de un 2% en 1972 a 40% en 2010, pasando luego al 56% en el 2019.
El nuevo milenio, la cuarta etapa
Esta última etapa en la evolución del mercado del aluminio se escogió arbitrariamente para coincidir con el inicio del siglo XXI, periodo en donde el reto de la industria del aluminio es adaptarse a las nuevas necesidades y preocupaciones del consumidor, fundamentalmente en lo que respecta al cambio climático. El sector aluminio genera globalmente alrededor del 2% de las emisiones totales de CO2, siendo China la nación que aporta la mayor huella de carbono debido a su dependencia al carbón como fuente de energía.
En el siglo pasado, el aluminio penetró en nichos de mercados que aún muchos ni se imaginan, como por ejemplo, el mercado de las vacunas, en donde se ha usado desde hace más de 75 años como adyuvantes de vacunas contra la difteria, tosferina, tétanos y otras. Otro nicho es en la industria de control de plagas, donde se usa como nanoinsecticida no tóxico.
Donde quizás nunca podrá entrar, es en el mercado de suplementos vitamínicos, ya que a pesar de ser el metal más abundante de la corteza terrestre, no es un elemento esencial para la vida, como lo es el hierro, cobre, zinc, manganeso, calcio, etc. Aún así, lo consumimos a través de los antiácidos y los analgésicos.
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| El aluminio se usa para decorar e incluso como prendas de vestir |
Desde que el aluminio entró al mercado de los metales, ha estado batallando para abrirse paso frente a los materiales tradicionales, y esta lucha continuará indefinidamente, ya que también es susceptible de ser reemplazado por nuevos desarrollos en materiales como el plástico, magnesio, vidrio, compuestos, aceros de alta resistencia u otros materiales alternativos, los cuales podrían quitarle cuota de mercado al aluminio.
Aquí vale la pena mencionar al vidrio, el cual encontró una manera de unir sus cualidades a las del aluminio, formando un material híbrido llamado “Glare” o vidrio reforzado, el cual en el 2005 empezó a usarse comercialmente en el avión “Airbus A380”. El Glare consiste en la unión de varias capas muy finas de aluminio intercaladas con varias capas de fibras de vidrio preimpregnadas en resinas epóxicas.
Estas láminas de fibra de vidrio y aluminio tienen un menor peso específico y una mayor resistencia a la corrosión y al impacto que las aleaciones de aluminio convencionales utilizadas en la aviación. Esto demuestra las posibilidades que tiene el aluminio de unir fuerzas con otros materiales convencionales.
Desarrollo de nuevas aleaciones
Desde principio de los años de 1970, cuando irrumpió la primera crisis petrolera, el aluminio empezó a perder terreno en la industria de la aeronáutica frente a los compósitos o materiales compuestos, como también se le denomina. Este nuevo material se convirtió en una alternativa para reducir peso estructural y ha estado desplazando al aluminio desde entonces, hasta el punto que para el año 2005 constituía el 20% de la masa estructural de un avión, en particular del “Airbus A380”, que en aquel momento era el avión de pasajero más grande del mundo.
La industria del aluminio se dio cuenta que no estaba innovando lo suficiente y aceleró la investigación y desarrollo de nuevas aleaciones de aluminio más ligeras y resistentes, de modo de enfrentar los retos impuestos por los nuevos materiales livianos de última generación.
Para apoyar en la guerra perpetúa que tiene la industria aeronáutica contra el peso, muchas empresas han desarrollado nuevas aleaciones livianas y resistentes. “Alcan” por ejemplo, desarrolló una nueva generación de aleaciones aluminio-litio mejoradas; “Aleris International” incursionó en el desarrollo de aleaciones aluminio-magnesio-escandio; ”UTC Aerospace Systems” desarrolló una aleación aluminio-plata para ser usada en rines (ruedas) de aviones de nueva generación, fabricados mediante forja.
La tierra es la cuna de la humanidad, pero no podemos vivir por siempre en una cuna. Konstantín Tsiolkovski
En China, el grupo “June Yao” ha desarrollado una aleación de aluminio usando nanocerámicas, la cual podría usarse en paneles y piezas forjadas, no sólo en aviones sino también en satélites y estaciones espaciales.
Por su parte, en Austria, la Universidad de Leoben (MUL), anunció en el 2020 el desarrollo de una aleación de aluminio conteniendo precipitados endurecedores del tipo Mg32(Zn,Al)49, con una estructura cristalina compleja, caracterizada por ser resistente a la radiación, lo que significa que dicha fase endurecedora no se disuelve al ser expuesta a elevadas dosis de radiación. Esto ha generado altas expectativas por la posibilidad de usar dicha aleación, en la construcción de naves espaciales tripuladas.
Consumo de aluminio de acuerdo al proceso de fabricación
En la figura de abajo, se muestra en forma porcentual el consumo global de aluminio de acuerdo a los principales procesos primarios de fabricación de piezas y componentes, basados en datos de CRU del 2015. De esta manera podemos cuantificar hacia donde fluye el metal que es consumido aguas abajo.
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| Consumo porcentual de aluminio de acuerdo al proceso de manufactura |
Las plantas de laminación representan el sector industrial que transforma la mayor cantidad de aluminio en el mundo, con un 44% del total, seguido por las empresas de extrusión con un 32% y las industrias de fundición y forja, con aproximadamente un 24%.
Laminación no plana
Hay que aclarar que el porcentaje dado para la laminación corresponde a la suma de los procesos de laminación plana y no plana, en donde éste último se refiere fundamentalmente al alambrón, el cual en el 2015 representó el 13% del mercado, bajando a un 11% en el 2018. El grupo CM, ubicado en USA, pronostica que el sector eléctrico, que depende del alambrón como materia prima, tendrá para el año 2050 una participación en el mercado mundial de alrededor del 10%, considerando un escenario conservador o pesimista.
El sector eléctrico ha sido durante mucho tiempo un mercado importante y bien establecido para el aluminio, por eso se siguen investigando y desarrollando aleaciones de alta resistencia que podrían reducir potencialmente el volumen de aluminio necesario para transportar la misma cantidad de corriente.
En el 2011, la empresa “UC Rusal” desarrolló una nueva tecnología para producir aleaciones de aluminio para cables eléctricos de alta resistencia, capaces de transmitir 1,5 veces más electricidad que las líneas modernas de transmisión de energía. Dichas aleaciones contienen elementos de las tierras raras y metales de transición.
Laminación plana
Alrededor del 30% del consumo total de aluminio es procesado mediante laminación plana. El 70% de los productos que se generan por este proceso, son fabricados utilizando como materia prima al planchón (slabs), los cuales provienen del proceso convencional de colada semicontinua vertical, mientras el 30% restante, se fabrican usando bobinas o “Coilstock” que se obtienen a través de la tecnología de colada continua de láminas.
Proceso de extrusión
Se estima que el 32% del aluminio que se consume en el mundo es utilizado por las plantas extrusoras para ser transformado en productos extruídos o extrusiones, superando ligeramente a los productos obtenidos por laminación plana. La industria de la construcción y edificación es el principal sector consumidor de las extrusiones. Se calcula que más del 40% de toda la producción de perfiles de aluminio fluyen directamente hacia ese sector.
Por eso, cualquier recesión en el sector de la construcción y edificación, como el que se vivió en el 2008, producto de la crisis financiera global, afecta directamente la demanda de productos extruídos y por ende en la demanda de barrotes (billets) para extrusión, que es la materia prima obtenida principalmente por el proceso de colada semicontinua vertical.
Otro sector industrial en donde se está incrementando el uso de perfiles de aluminio o extrusiones, es en la industria automotriz, para estructura de la carrocería y aplicaciones de chasis, varillas de asientos/apoya cabezas, árbol de motores, travesaños y otros.
Proceso de fundición
El empleo del aluminio en los procesos de fundición ha estado creciendo desde 1895, cuando Alcoa fabricó la primera tetera de aluminio para promocionar el uso de este nuevo metal entre los fabricantes de utensilios de cocina para el hogar.
Podemos decir entonces, que el sector de las fundiciones de aluminio arrancó hace 125 años en aplicaciones para el hogar y sólo se ha visto interrumpido su crecimiento en aquellos periodos de recepción económica, tales como en 1991, 2001, 2008 y con la pandemia del coronavirus en el 2020.
Hoy en día las fundiciones de aluminio son empleadas en diversas aplicaciones de uso final, siendo el sector transporte el que consume la mayor cantidad de fundiciones a nivel mundial. La fabricación de piezas y componentes fabricados mediante el proceso de fundición es esencial en la construcción de trenes, ferrocarriles, automóviles, camiones, embarcaciones y aviones.
Una de las características distintivas del proceso de fundición es que representa la ruta más directa entre la materia prima (metal fundido) y el producto final, constituyendo generalmente la manera más rápida de producir un lote pequeño de piezas o cantidades muy grandes de productos.
El sector transporte es el que ha impulsado el desarrollo de nuevos procesos de fundición de aluminio. El moldeo a presión en matriz (Die-casting) o “fundición inyectada”, fue uno de los procesos impulsado por la industria automotriz debido a su necesidad de contar con grandes cantidades de piezas fabricadas en serie y a bajo costo (un automóvil puede tener hasta 250 piezas moldeadas a presión).
De hecho, este método representa el proceso más empleado en la fabricación de piezas de aluminio, abarcando alrededor del 60% de todos los productos que se manufacturan mundialmente por fundición de aluminio. Siendo la aleación 380.2 y sus diversas variantes, las más empleada en el continente americano, con un porcentaje probablemente mayor a 85% de todo el aluminio empleado en dicho proceso.
Consume mundial de aluminio de acuerdo al mercado de uso final
En el año 2019, el sector transporte representó el mercado número uno para las aplicaciones del aluminio, abarcando un 26% del consumo total de dicho metal a nivel mundial, principalmente en las economías desarrolladas (Norsk Hydro). Este sector ha venido ganando impulso desde la década de 1970 y está asociado con el incremento del contenido de aluminio en los vehículos.
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| Consumo mundial de Al de acuerdo al mercado de uso final (Norsk Hydro 2019) |
Dentro del mercado norteamericano de vehículos ligeros, el 65% del aluminio usado en dichos automóviles provienen de piezas fabricadas por fundición, el 23% corresponden a productos obtenidos por laminación plana, mientras las extrusiones constituyen el 10% y las piezas forjadas el 2%.
Según el grupo CM (USA), se espera que los productos laminados planos se incrementen hasta alcanzar el 26% en el 2026, las extrusiones crezcan ligeramente a un 11%, las forjas mantengan su participación en 2%, mientras el contenido porcentual de las fundiciones se reducirá al 61%.
Evolución del contenido de aluminio en vehículos
La figura de abajo muestra la evolución del incremento del contenido de aluminio en aplicaciones automotrices en el transcurso de los años. Los datos corresponden a los vehículos fabricados en Norteamérica, Europa occidental y Japón. Es una gráfica que he venido llevado desde el año 2002, cuando el sector transporte en USA empezó a liderar el mercado en las aplicaciones de uso final para el aluminio. Cada dato graficado representa el promedio de múltiples referencias estadísticas que han venido reportándose en la literatura.
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| Evolución del contenido de Al en vehículos y su proyección hasta el 2030 |
El peso en un vehículo es importante por el hecho de que por cada 10% en la reducción de peso, la eficiencia en el consumo de combustible se incrementa alrededor de 7%, ahorrando así combustible y disminuyendo las emisiones emitidas a la atmósfera. Además, los expertos afirman que por cada kilo que se reduzca en el peso total de un vehículo, típicamente evitaría 20 kg de emisiones de gases de invernadero durante su vida de operación.
Otra área de interés público que induce al uso del aluminio en vehículos, tiene que ver con los sistemas de seguridad. Comparando kilo a kilo, el aluminio absorbe la “energía de un impacto”, dos veces más que el acero, reduciendo así el riesgo de posibles lesiones a los pasajeros en caso de accidentes. Además, el aluminio tiene una mayor relación de resistencia a peso, no es combustible y no hace chispa al entrar en contacto con combustible ardiendo.
Automóviles eléctricos
En general, las preocupaciones sociales sobre el incremento del CO2, aunado a las regulaciones ambientales cada vez más restrictivas, entre otros factores, impulsaran el crecimiento de los automóviles eléctricos, que se espera alcance alrededor del 6% del mercado norteamericano en el 2025. Esto a su vez contribuirá a que el consumo de aluminio en la industria del transporte siga incrementándose.
Con el surgimiento de los automóviles eléctricos, el motor de combustión interna tradicional sería sustituido por un motor eléctrico, por lo cual se eliminarían varios componentes del vehículo tales como el bloque del motor, que es la pieza individual de aluminio más pesada, cárter de aceite, transmisión y otros, lo que en total representaría unos 90 kg de aluminio.
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| El vehículo eléctrico se espera que consuma más aluminio |
No obstante, se estima que ese aluminio que se pierde al surgir los nuevos automóviles eléctricos, será compensado por el tren de potencia eléctrico, la caja o carcasa de la batería que impulsará al vehículo y otros componentes fabricados en aluminio, que en total suman aproximadamente unos 180 kg de aluminio. Como puede notarse, los vehículos eléctricos consumirán más aluminio que los tradicionales con motor de combustión interna.
Se cree que el sector transporte seguirá siendo el principal mercado para el consumo del aluminio por los próximos 30 años, debido a que las presiones por obtener automóviles cada vez más ligeros y eficientes en combustible, seguirán creciendo y en consecuencia el aluminio jugará un papel clave en la reducción del peso y en el ahorro de combustible (menor CO2). Esto es importante, ya que a nivel mundial, más del 20% de las emisiones de gases de efecto invernadero relacionadas con la energía, provienen justamente del sector transporte.
Reciclaje del aluminio
El sector transporte es además la principal fuente de aluminio secundario al final de la vida útil del vehículo, con una rata de reciclado de aproximadamente 90% a nivel global. La mayor parte de ese aluminio reciclado es consumida por la industria automotriz, lo cual resulta en beneficios ambientales significativos, dado a que las aleaciones recicladas tienen una menor huella de carbono.
Indudablemente, la chatarra de aluminio y su infinito reciclaje, convierte a este metal en un material más ecológico, más verde y respetuoso con el medioambiente, haciéndolo más atractivo y competitivo frente a los materiales alternativos. Sin embargo, sólo el 30% de la demanda mundial puede ser satisfecha con el aluminio reciclado, el resto debe provenir del aluminio primario.
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| El reciclaje es la base de la economía circular |
Esto es debido a que la demanda de aluminio es cada vez mayor y a que el ciclo de vida de muchos de los productos de aluminio es largo. Algunas predicciones indican que el volumen de chatarra equilibrará al del aluminio primario en unos 50 a 100 años, mientras tanto las plantas de aluminio primario deben seguir modernizándose para reducir la huella de carbono.
Perspectivas futuras
En el siglo pasado, el uso del aluminio fue impulsado en muchos aspectos por las necesidades impuestas por las guerras. Muchas de las aleaciones que se desarrollaron en ese entonces, fueron diseñadas sin tener en cuenta una aplicación en específico o al cliente final.
En este siglo XXI, se espera que las nuevas aplicaciones y desarrollo de aleaciones sean estimuladas más por necesidades sociales, medioambientales y económicas. El diseño de las aleaciones será más personalizado u orientado al cliente, pensando también en la ecología del material, en un aluminio más verde, por lo que las aleaciones incorporaran la mayor cantidad posible de chatarra reciclada.
Para ello se han estado invirtiendo miles de millones de US$ en investigación y desarrollo, mejorando la tecnología para que el aluminio primario sea cada vez más verde y respetuoso con el medio ambiente, desarrollando nuevas aleaciones avanzadas y procesos de fabricación novedosos para asegurar la participación del aluminio en los diferentes sectores del mercado.
Desarrollo e innovaciones
A continuación se mencionan las principales empresas o corporaciones que han estado a la vanguardia en el diseño y desarrollo de aleaciones.
“Rio tinto Alcan”, desarrolló una familia de aleaciones de alta calidad (Premium), para las empresas fundidoras de moldeo a presión. Dichas aleaciones permiten un mayor contenido de chatarra reciclada en la producción de piezas automotrices, lo que disminuye la huella ambiental y reduce los costos de producción.
“Novelis” desarrolló una serie de aleaciones llamadas “Novelis Advanz 7000”, de alta resistencia y bajo peso, las cuales se procesaran en forma de láminas para usarse en componentes críticos de automóviles, de modo de garantizar altos niveles de seguridad a los pasajeros. “Hydro” también desarrolló una aleación de aluminio automotriz, llamada HHS 400, que ayudará a mejorar la seguridad de los pasajeros.
“Fiat Chrysler” en colaboración con el laboratorio “Oak Ridge” de Tennessee (USA), desarrolló una aleación del tipo Al-Cu-Mn-Zr, para bloque de cilindros y culatas. La aleación es liviana y capaz de soportar temperatura de hasta 300 oC, 100 oC más elevado que lo que soportan las aleaciones disponibles comercialmente, ofreciendo la posibilidad de reducir el consumo de combustible y las emisiones.
“Alcoa” desarrolló la aleación “Magnaforce” para fabricar rines de aluminio a usarse en camiones de servicio pesado. Estos rines serán 47% más livianos que los de acero del mismo tamaño y un 17% más resistentes que la aleación de aluminio actualmente usada en aplicaciones similares.
Las innovaciones en el diseño de nuevas aleaciones han sido ingeniosas, hasta el punto de usar por primera vez el diamante en el desarrollo de aleaciones. Científicos de la universidad de Brunel en Londres y la universidad estatal de Tomsk, Rusia, agregaron menos de 1% de nanopartículas de diamante al aluminio líquido, para crear una nueva aleación. Esta aleación se planea utilizar en la industria aeroespacial, automotriz y para el transporte marítimo.
Fabricación aditiva o Impresión 3D
Otra área novedosa donde se está invirtiendo en investigación y desarrollo es en la fabricación aditiva o impresión 3D. Alcoa en el 2015 invirtió US$ 60 millones para expandir su centro de investigación con el fin de acelerar el desarrollo de materiales y procesos de impresión 3D avanzados. “UC Rusal” también está trabajando en la impresión 3D, implementando métodos que le permitan usar sus nuevas aleaciones del tipo Al-Mg-Sc de última generación.
Se están desarrollando nuevas aleaciones de aluminio diseñadas específicamente para la impresión 3D. La empresa “Trimet” desarrolló una aleación llamada “Trimal 05 AM”, que se usará en impresoras 3D para la producción de piezas de altas resistencia, sin necesidad de tratamiento térmico posterior.
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| Carcasa de aluminio de un motor eléctrico fabricada por impresión 3D |
Se espera que a mediano y largo plazo, se incremente el uso a gran escala de la fabricación aditiva en la industria automotriz, aeroespacial y defensa. Este proceso permite una gran libertad de diseño, genera productos innovadores difíciles de fabricar con los procesos tradicionales y puede adaptarse a las necesidades de cada cliente, sin la necesidad de grandes líneas de producción. También es muy útil en la fabricación de prototipos.
Epílogo
Hemos visto que la producción del aluminio se inició comercialmente sin tener una demanda de mercado definida, ni clientes, ni pedidos y con una industria manufacturera establecida que se negaba a transformar el nuevo metal en sus procesos productivos. Los empresarios tradicionales no querían aventurarse a trabajar con un metal que desconocían. Así que desde un principio el aluminio tuvo que abrirse paso en un escenario escéptico y dominado por los materiales tradicionales como el acero, plomo, cobre, zinc y estaño.
A pesar de las dificultades, el aluminio logró posicionarse desde hace ya más de 60 años, como el segundo metal más usado mundialmente, luego del acero. Hoy en día el escenario ha cambiado, y el aluminio es visto como un material prometedor, con un rol clave en la lucha contra el cambio climático, ya que contribuye a disminuir las emisiones de CO2, a través de su uso masivo en la industria del transporte, así como en la distribución y transmisión de energía, aire acondicionado y refrigeración, infraestructura de energías renovables, edificios ecológicos y otros sectores de uso final.
La sociedad actual se está volviendo más consciente con el medioambiente y la sostenibilidad, existiendo una mayor preocupación por el incremento del CO2, por lo que algunas naciones han reaccionado endureciendo las regulaciones ambientales, con leyes cada vez más restrictivas. Como respuesta a esta tendencia, se están favoreciendo aquellas tecnologías y materiales que generan la menor huella de carbono, igualmente son las más propensas de recibir financiación.
Por esta razón, a través del “marketing ecológico”, se está promocionando al aluminio que se fabrica mediante fuentes de energía 100% hidroeléctrica, como un material verde, de baja emisión de carbono. Empresas como UC Rusal, Norsk Hydro, Rio tinto y Alcoa tienen sus propias marcas de aluminio de bajo carbono, denominadas “Allow”, “Reduxa”, “RenewAl” y “Sustana” respectivamente. La mayoría de dichas marcas han sido certificadas como metal verde por “Aluminium Stewarship Initiative”, (ASI).
El uso de estas marcas ecológicas en la fabricación de productos acabados, le garantiza al usuario final que el origen de la materia prima es ecológico o de bajo carbono, que ha sido producido de forma sostenible. La calidad de los productos ahora tiene un nuevo atributo o valor añadido: lo ecológico o verde, lo cual se ha convertido en una ventaja competitiva.
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| Lanzamiento de la marca "Sustana", el aluminio verde de Alcoa, en la feria internacional del aluminio 2016, en Dusseldorf, Alemania |
El “marketing verde” será cada vez más usado como estrategia comercial para atraer nuevos clientes y promocionar al aluminio como un metal verde y respetuoso con el medio ambiente, de tal modo que a la hora de buscar un material para una determinada aplicación, sea considerado como primera opción.
Mantener y nutrir constantemente esa imagen positiva es esencial para que el aluminio alcance su máximo potencial de demanda, apoyado por una constante campaña publicitaria para informar y "formar" al usuario final sobre sus otras propiedades y bondades, tales como su versatilidad, conductividad, resistente a la oxidación, mínimo mantenimiento y que es infinitamente reciclable.
Las expectativas de la industria del aluminio para los próximos 30 años son prometedoras. La demanda de dicho metal se espera crezca en más del 50% para el 2050. Su tasa de crecimiento anual compuesta para ese año ha sido pronosticada por el grupo CM en alrededor del 4,2%. La mayor parte de dicha demanda probablemente sea satisfecha por China y el sudeste Asiático.
Sin duda, entre los materiales metálicos, el aluminio seguirá siendo el metal de preferencia en aplicaciones que exijan un diseño ligero, mínimo peso, máxima eficiente de energía, amigable con el ambiente y que generen un mínimo impacto ambiental.
Si estás interesado en el aluminio, en algún tema de interés para tu proyecto en la empresa, estoy siempre disponible para realizar trabajos de investigación que apoyen a dicho proyecto.
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