La producción de tungsteno en 1924

En la Exposición Universal de París de 1900 se exhibieron, por primera vez, aceros aleados con tungsteno, teniendo que esperar hasta el año 1903 para poder disponer de filamentos de lámparas de incandescencia del mismo material.

La información para este artículo se ha obtenido del nº84 de la revista “La science et la vie“ de junio de 1924, concretamente, del artículo de René Doncières “Le tungstène et la fabrication des filaments de lampes a incandescence“.

El tungsteno fue descubierto en 1781 por Scheele (Que también descubrió el cloro, el manganeso, el ácido arsénico y la glicerina) en la Scheelita, un mineral de tungsteno, formado por un tungstato de calcio y llamado así en honor suyo.

En la naturaleza se encuentra en forma de trióxido mezclado con otros óxidos metálicos. Los más comunes de estos minerales son la Wolframita, que es un tungstato doble de hierro y manganeso y la Hubnerita que es una mezcla de tungstato de manganeso y Scheelita.

En 1924, los yacimientos más importantes se encontraban en Nueva Zelanda, en Australia, en los estados norteamericanos de Colorado, Arizona, Utah (donde se proveía antes de 1914 la casa Krupp) Dacota, California, Montana y en Tonkin (Norte de Vietnam).

Su extracción, metalurgia y purificación no presentan grandes dificultades. En la industria se obtienen grandes masas de carburo de tungsteno, por el procedimiento Moissan, o de ferro-tungsteno y aleaciones primarias destinadas a la fabricación de aceros especiales.

Pero la fusión del metal puro es poco menos que imposible, debido a la alta temperatura necesaria para ello. La temperatura de fusión del tungsteno sobrepasa en 800ºC a la del platino (2.000ºC). A esta temperatura de 2.800ºC el cuarzo y el iridio fluyen como el agua. Tan sólo el grafito, que tiene propiedades refractarias, resiste estas altas temperaturas. Pero, a 1.500ºc, el grafito comienza a sublimarse, razón por la que las ampollas de vidrio de las antiguas lámparas de incandescencia de filamentos de carbón estaban sometidas a un bombardeo molecular que las iba ennegreciendo.

La fusión del tungsteno no se realiza tal como se hace con los otros metales. El sistema más interesante es el de von Wartenberg. El polvo de tungsteno se aglomera para formar una pequeña barra que servirá de ánodo (electrodo positivo) en un tubo de vacío (Tubo de Crookes). Sometida al bombardeo de los rayos catódicos, provenientes del electrodo negativo, la barra de metal llega a alcanzar la temperatura de fusión. Este procedimiento implica la aplicación de una corriente eléctrica de muchos miles de voltios, lo que le hace muy costoso.

Siguiendo las experiencias de Wehnelt, quien había comprobado que recubriendo los electrodos con un óxido alcalinotérreo, se les puede llevar hasta la incandescencia mediante una corriente de tensión más baja, von Wartenberg modificó el procedimiento primitivo recubriendo el cátodo con una fina chapa de platino y cal. Poniendo el cátodo a una temperatura de 1.300ºC por medio de una corriente eléctrica auxiliar, éste emitía entonces iones que volvían conductor el espacio entre los dos electrodos. En estas condiciones era suficiente una corriente de 110 voltios para calentar la barra de tungsteno a la temperatura de fusión de 2.800 a 2.850ºC.

Este punto de fusión tan elevado del tungsteno es lo que le hace indicado para la fabricación de filamentos de lámparas de incandescencia. Se sabe que el rendimiento óptico de un cuerpo sólido calentado aumenta con su temperatura. A 2.500ºC el tungsteno aun es sólido, mientras que el carbono a 1.500ºC ya se ha volatilizado. De ello resulta que el consumo específico de las lámparas con filamento de tungsteno es de 1,1 a 1,2 watios por bujia, mientras que en el caso de las lámparas con filamento de carbón era de 3,5 watios por bujia.

En el año 1903 se idearon dos procedimientos para la fabricación de los filamentos de tungsteno. El primero, desarrollado por la empresa alemana Siemens & Halske, consistía en el trefilado de una aleación de níquel y el segundo en el trefilado de una pasta de tungsteno.

En el primer caso se ha de preparar una aleación del 20% de níquel y el 80% de tungsteno, reducidos a un polvo impalpable y a los que se añade un aglomerante. Mediante una gran presión, en una prensa, se moldea la pasta resultante en barras de 1 ó 2 milímetros de diámetro y 20 ó 30 centímetros de largo. Estas barras se calientan lentamente en un horno eléctrico hasta 1.400ºC y se estiran para formar los filamentos. Posteriormente se colocan los filamentos en una cámara de vacío en donde se hace pasar por ellos una corriente eléctrica que les lleva a la temperatura de 2.600ºC. En este momento el níquel se volatiliza dejando tan sólo el tungsteno en el filamento.

En el grabado anterior se pueden ver los hornos, en atmósfera de hidrógeno, en los que se realiza la primera cocción del ácido túngstico.

En el segundo procedimiento, desarrollado en Estados Unidos, el tungsteno en estado coloidal, se mezcla con aglomerantes especiales como la colloïdina (Nitrocelulosa o algodón pólvora disueltos en acetato de amilo o goma de dragón). Se obtiene de este modo una pasta que tiene la consistencia del asfalto y con la que se pueden hacer hilos finos. Sometida a una gran presión, la pasta sale por una hilera de diamante con un agujero del diámetro del filamento que se quiera obtener. Los hilos obtenidos se calientan eléctricamente a 2.500ºC en una atmósfera de amoniaco. De esta forma se eliminan los restos de aglomerante, quedando un hilo de tungsteno puro.

Batería de hornos para la producción de tungsteno en polvo.

En el procedimiento moderno la wolframita se muele, se mezcla con carbonato de sosa y se calienta en un horno a 800ºC. En esta operación se obtienen tungstato de sosa, carbonato de hierro y carbonato de manganeso. El tungstato de sosa se disuelve en agua hirviendo, mientras que el resto de substancias que son insolubles se depositan en el fondo del recipiente.

Una prensa hidráulica da forma a las barras de tungsteno en polvo.

Se hace reaccionar el tungstato sódico con ácido clorhídrico en ebullición, formándose ácido túngstico que precipita en forma de un producto de un bonito color amarillo oro. Si este producto se trata en un horno, en atmósfera de hidrógeno, se obtiene un polvo gris formado por tungsteno puro. Este polvo se moldea, sin necesidad de utilizar ningún aglomerante, por simple presión, obteniéndose barras cuadradas de 6 x 6 milímetros de sección y 20 centímetros de largo. Tres de estas frágiles barras se colocan sobre una base de carbón y se introducen de nuevo en un horno con atmósfera de hidrógeno. Se termina la metalización de la barra de tungsteno, haciendo pasar por ella una corriente eléctrica muy intensa en un recipiente especial en atmósfera de hidrógeno y refrigerado por agua. La barra resultante ha reducido en un 15% sus medidas y tiene ya un bonito brillo metálico.

Colocación de tres barras de tungsteno sobre una base de carbón.

A continuación se ha de someter al tungsteno a un proceso de martillado y estirado sucesivos hasta conseguir hilos de 8 milésimas de milímetro. Para el martillado se utiliza una máquina especial que tiene en su centro dos piezas (martillos) que pueden acercarse o alejarse para permitir la entrada de la barra de tungsteno y determinar el diámetro que ha de conseguirse al final del proceso. Sobre estos martillos golpean diez piezas intermedias que se mueven con el volante de la máquina a gran velocidad. Para realizar esta operación el tungsteno se calienta en un horno hasta el rojo-blanco. Después del martillado se obtiene un alambre de tungsteno que ya se puede introducir en las hileras de las trefiladoras.

Introducción en el horno de las tres barras de tungsteno.

Antes de introducirse en la hilera de diamante el alambre se calienta mediante unos mecheros de gas. El proceso necesita de muchas hileras de diámetro cada vez más pequeño, para ir reduciendo el diámetro del hilo sucesivamente hasta obtener la medida deseada. El hilo que sale de una hilera determinada tiene un diámetro un poco mayor que el de la hilera que le ha producido. Los hilos obtenidos al final del proceso tienen una estructura fibrosa que les hace muy resistentes.

En el cilindro vertical de la izquierda las barras de tungsteno se metalizan al paso de la corriente eléctrica.

El diámetro de los filamentos de tungsteno utilizados en las lámparas de incandescencia varía desde algunas décimas de milímetro hasta las 8 milésimas de milímetro.

Operación de martillado de la barra de tungsteno calentada al rojo-blanco. A la derecha de la máquina de laminar está el horno para calentar las barras.

El control de calidad incluye el pesado de 20 centímetros del extremo de cada bobina de hilo en una balanza especial, llamada balanza de torsión.

Para el martillado las barras de tungsteno se introducen entre las piezas (martillos) de esta máquina, que son accionados por las diez bolas que hay a su alrededor, cuando el volante de la máquina gira.

Después de un tiempo las hileras de diamante se desgastan y se han de repasar para obtener hileras de diámetro superior. Esta operación se lleva a cabo en una máquina que las hace girar lentamente, mientras se hace pasar por su agujero un hilo impregnado de polvo de diamante. El resultado de esta operación y la perfección de la geometría del agujero se controlan mediante un microscopio.

Preparación del hilo de tungsteno terminado para la prueba en la balanza de torsión.