Ciencia de materiales
El reciclaje ascendente de residuos metálicos con ‘ShAPE’ podría cambiar nuestros hábitos de reciclaje
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Mejor reciclaje
El crecimiento industrial hace cada vez más importante aprovechar los recursos. Los metales pueden reciclarse repetidamente, aunque conservar la calidad exige controlar su composición, las impurezas y las pérdidas de material.
Los residuos suelen contener mezclas de metales. A veces son aleaciones y, en otros casos, componentes de un producto que resulta difícil o costoso separar.
Reutilizar una mezcla sin controlar su composición puede producir propiedades inadecuadas para la aplicación. Eso no significa que todo metal reciclado sea inferior al obtenido de mineral: el resultado depende del proceso y de las especificaciones.
En ciertos procesos se añade aluminio primario para diluir impurezas. La proporción depende de la chatarra y del producto deseado; no existe una exigencia universal de añadir un 40% de aluminio recién extraído.
Investigadores del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) estudiaron una técnica denominada ShAPE (Shear Assisted Processing and Extrusion). Publicaron en Nature Communications una demostración de valorización de chatarra de aluminio mediante aleación en fase sólida, titulada «Aleaciones de aluminio de alta resistencia obtenidas de chatarra mediante aleación en fase sólida1».
Problemas del reciclaje de aluminio
Producir aluminio primario requiere mucha energía, especialmente durante la electrólisis. El reciclaje suele consumir menos, aunque la refundición también necesita calor y otros tratamientos. No debe atribuirse todo el coste o las emisiones a la temperatura de fusión.
El hierro y otras impurezas pueden limitar las propiedades de determinadas aleaciones. Diluirlas con aluminio primario es una opción, pero la composición y el proceso adecuados dependen del producto.
ShAPE
Los investigadores estudiaron cómo transformar chatarra de aluminio en una aleación de mayor valor sin las etapas convencionales de fusión y colada.
La fabricación en fase sólida procesa chatarra seleccionada y aditivos sin fundir todo el material. No implica que cualquier mezcla de residuos sin clasificar pueda utilizarse directamente. ShAPE combina cizallamiento y extrusión para mezclar y conformar el metal.
La fricción genera calor y facilita la deformación y mezcla mientras el metal permanece en estado sólido. Por tanto, no se trata de fundir el metal mediante fricción. El siguiente vídeo muestra el proceso:
El equipo descrito utiliza un cabezal que gira a 500 revoluciones por minuto, con un par de 2.200 libras-pie. Una prensa hidráulica puede aplicar hasta 200.000 libras-fuerza contra el cabezal.
Fuente: Nature Communications
La chatarra se mezcla con polvos de cobre y zinc y cintas de la aleación de magnesio ZK60. El proceso permite obtener una aleación de alta resistencia en minutos, evitando varias etapas de la ruta convencional.
Evitar la fusión masiva puede reducir el consumo energético. El ahorro concreto depende de los límites de la comparación y del proceso industrial; no se establece aquí una reducción universal del 50%.
Fuente: PNNL
Microestructura y propiedades mecánicas
En las muestras comparadas, ambas procesadas mediante extrusión por fricción, la aleación valorizada presentó granos de unos 7,7 micrómetros, frente a 43,1 micrómetros en el aluminio 6063 reciclado de referencia. No es una comparación universal con todo aluminio reciclado convencionalmente.
Fuente: Nature Communications
El análisis identificó zonas de Guinier–Preston a escala atómica. Estas estructuras pueden reforzar las aleaciones de aluminio y contribuyen a explicar sus propiedades.
En las condiciones ensayadas, la aleación valorizada mostró mejoras superiores al 200% en el límite elástico y la resistencia máxima a tracción frente a la referencia reciclada. No significa una mejora idéntica de todas las propiedades mecánicas ni de todos los metales.
Fuente: Nature Communications
La producción de perfiles, tubos y otros componentes en estado sólido también puede abrir posibilidades para composiciones difíciles de fabricar mediante fusión convencional.
La aleación en fase sólida podría ampliar las combinaciones de metales que se pueden fabricar. Al evitar la fusión, permite explorar aleaciones que plantean dificultades con los métodos convencionales.
Cindy Powell, directora científica y tecnológica de energía y medioambiente del PNNL
Más allá del aluminio reciclado
La técnica podría investigarse también para otros metales difíciles de separar o reciclar. Su viabilidad debe evaluarse para cada composición.
Aleaciones con mejores propiedades podrían permitir estructuras de automóviles más resistentes o reducir la cantidad de material necesaria. Esas aplicaciones requieren validación y diseño adecuados.
El concepto de aleación en fase sólida también podría adaptarse a otros procesos, como la proyección en frío o la soldadura y el procesamiento por fricción-agitación.
La valorización de chatarra resulta prometedora, pero el interés de la aleación en fase sólida va más allá de los residuos y de las aleaciones de aluminio.
Cindy Powell, directora científica y tecnológica de energía y medioambiente del PNNL
Impresión 3D de metal
Otra posibilidad es producir hilo de composición controlada para fabricación aditiva de metales.
La adición precisa de otros metales permite ajustar la composición a necesidades específicas de fabricación aditiva.
Si el hilo se funde durante la impresión 3D, no conserva automáticamente su microestructura inicial. Las propiedades de la pieza final deben evaluarse con el proceso de impresión correspondiente.
Obtener hilos de alimentación con composiciones personalizadas puede ser difícil. La aleación en fase sólida ofrece una vía para controlar proporciones concretas, por ejemplo un 2% o un 5% de cobre.
Xiao Li, científico de materiales del PNNL
Empresa de reciclaje de aluminio
Radius Recycling
Las empresas de reciclaje existentes podrían beneficiarse de nuevos procesos. Que ganen cuota frente a los productores primarios depende del coste, la adopción y la demanda, no está garantizado.
El reciclaje y la electrificación podrían aumentar la demanda de recuperación de metales. La previsión citada estimaba que el mercado pasaría de 915.000 millones de dólares en 2024 a 1,29 billones en 2033, una tasa anual compuesta del 3,9%.
Según la información histórica del artículo, Radius Recycling fue fundada en 1906 y contaba con más de 3.500 empleados, más de 100 instalaciones de reciclaje de metales y automóviles en Estados Unidos y Canadá, y una planta siderúrgica.
Fuente: Radius Recycling
La empresa procesa:
- Metales ferrosos, que contienen hierro, procedentes de productos como bidones, cubiertas, bicicletas, automóviles y electrodomésticos. El acero inoxidable también contiene hierro, aunque comercialmente pueda separarse en una categoría específica.
- Metales no ferrosos, como aluminio, cobre, zinc y plomo, recuperados de cables, bobinas, motores, radiadores o baterías de plomo-ácido.
El cobre y el aluminio son los principales metales de su segmento no ferroso.
Fuente: Radius Recycling
El artículo describía una asignación de capital entre dividendos, costes de deuda y reinversión, incluidos dos nuevos centros de recuperación en la costa oeste estadounidense. Citaba dividendos trimestrales desde la salida a bolsa de 1993 y una rentabilidad del 4,5% en la fecha del artículo. Son datos históricos, no garantías de pagos futuros.
La empresa ofrecía exposición al reciclaje y a la economía circular en Norteamérica. Su idoneidad como inversión depende del precio, los riesgos y las circunstancias del inversor; los ingresos por dividendos no son seguros.
Referencia del estudio:
1. Wang, T., Li, X., Li, Z., et al. (2024). Aleaciones de aluminio de alta resistencia obtenidas de chatarra mediante aleación en fase sólida. Nature Communications, 15, 10664. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53062-2
