COLTANCOLUMBITA-TANTALITA

Por : Geo Msc.. ROBERTO VARGAS CUERVO Profesor titular Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería de Petróleos

¿QUE ES COLTAN?

Fig. 1 Coltan en fragmentos.

Coltan no es un mineral, es un término o si se quiere una abreviatura comercial usada originalmente en África para nombrar una serie de minerales, que se encuentran mezclados y que en alta concentración tienen los elementos tantalio (Ta) y niobio (Nb). En la actualidad se han sido identificadas más de 70 mineralizaciones que contienen estos elementos con composiciones químicas y estructuras cristalinas diferentes.

Las mineralizaciones del Ta y Nb económicamente más valiosas e importantes son la Tantalita, que es un compuesto de óxido de tantalio, hierro y manganeso [(Fe,Mn)Ta2O6], y la Columbita, que es un compuesto de óxido de niobio, hierro y manganeso [(Fe,Mn)Nb2O6]. El niobio también se conoce como columbio, especialmente en los Estados Unidos, tiene otra mineralización muy importante conocida como pirocloro [(Na,Ca)2Nb2O6(OH,F)], que se forma principalmente en rocas carbonatitas.

Cuanto más niobio contenga el mineral y menos tantalio, se llama Columbita-Tantalita o Ferrocolumbita-Tantalita, pero si por el contrario tiene menos niobio y

más tantalio se denomina Tantalita-Columbita; es muy frecuente que en la naturaleza los elementos que forman los minerales estén combinados y predominen unos sobre otros. Entonces a ambos, Columbita y Tantalita junto con otros minerales portadores de tantalio y niobio, se les conoce de manera informal por la abreviatura Coltan, que se encuentra también asociado a granitos alcalinos y rocas pegmatiticas, en las cuales está presente el cuarzo, feldespatos, micas, microlina, berilio, espodumena, wolframita entre otros, pero si se quiere hacer precisión para referirse en forma apropiada al respecto de estas riquezas se necesita hablar particularmente del tantalio y el niobio que son los elementos base de estas mineralizaciones.

COLUMBITA

La columbita, también llamada niobita o ferrocolumbita, posee lustre submetalico, color negro, raya negra a parda, traslucida a opaca, presenta sistema cristalino ortorrómbico, cristales tabulares a acirculares, agregados radiados con exfoliación buena, marcada dureza y 6 en la escala de Mohs, densidad 6,65 g/cm3, presenta tenacidad, minerales relacionados: uraninita, cuarzo, feldespato. Se asemeja a las hematites. Se encuentra en el mineral pirocloro, que es la principal fuente comercial para niobio y columbita.

INFORMACION GENERAL COLUMBITA

Formula química: (Mn, Fe + +) (Nb, Ta) 2O6

Composición: Peso molecular = 394,81 g Formula empírica: Mn 2 +

0,5 + 0,5 Fe 2 Nb Ta 1.4 0.6 0.1 Ti O 6 Medio Ambiente: Constituyente de pegmatitas graníticasIMA Estado: Válido Especies (Pre-IMA) 1892 Origen del nombre: Por el contenido de manganeso Sinónimo: Manganocolumbita

Fig. 2 Columbita. Fig. 3 Columbita.

CRISTALOGRAFIA COLUMBITA

Radios axiales: a: b: c = 0.3995:1:0.3522Dimensiones: a=5,767, b=14.434, c=5,085, Z=4, V=423.28 Den (Calc) =6,20 Sistema del cristal: Ortorrómbico - bipirámides

Difracción de rayos x: Por la intensidad (I/O): 2.991(1), 3.695(0.35), 1.7358 (0.14)Estructura del cristal:

PROPIEDADES FISICAS

Hendidura: {010} diferenciados, {100} IndistintoColor: Negro parduzcoDensidad: 5.28Diafanidad: OpacoFractura: Frágil, fractura con fragmentosHabito: Cristales, forman grandes masasHabito: Prismático - cristales en forma de prismasHabito: Tabular - Dimensiones delgadas en una dimensiónDureza: 6 - OrtoclasaBrillo: Sub metálicoRaya: Color negro rojizo

NIOBIO (Nb)

Fig. 4 niobio puro.

NOMBRE, SIMBOLO, NUMERO NIOBIO, Nb, 41

El niobio es un metal brillante, dúctil, gris, que pasa a presentar una coloración azul cuando permanece en contacto con el aire a temperatura ambiente durante periodos prolongados, comienza a oxidarse con el aire a 200 °C. Presenta punto de ebullición elevado en estado elemental (2468 °C), su capacidad calórica especifica es la más alta de la tabla periódica (> 6000 j/gk). Presenta paramagnetismo (se magnetiza al ser sometido a la acción de un campo magnético). Fue descubierto por el británico Charles Hatchett en 1801.

PROPIEDADES QUIMICAS DEL NIOBIO

MASA ATOMICA 92,90638 u

RADIO MEDIO 145 pm

RADIO ATOMICO 198 pm (radio de bohr)

RADIO COVALENTE 137 pm

CONFIGURACION ELECTRONICA [Kr]4d4 5s1

ELECTRONES POR NIVEL DE ENERGIA 2, 8, 18, 12, 1

ESTADO(S) DE OXIDACION 5,3

OXIDO LEVEMENTE ACIDO

ESTRUCTURA CRISTALINA CUBICA CENTRADA EN EL CUERPOLos estados de oxidación más comunes para el niobio son +2, +3, +5. Por otro lado el estado de oxidación +4 es menos común, y poco estudiado debido a su paramagnetismo.

Es muy inerte a todos los ácidos, menos el fluorhídrico supuestamente por tener una película de óxido sobre la superficie. El niobio metálico se oxida lentamente en solución alcalina y reacciona con el oxígeno y los halógenos en caliente para formar los halogenuros y el óxido en estado de oxidación V, con nitrógeno para formar NbN y con carbono para formar NbC, así como con otros elementos como arsénico, antimonio, teluro y selenio.

El óxido Nb2O5, que se funde a 1520 °C (2768 °F), se disuelve en álcali fundido para formar un niobato complejo soluble, Nb6O19

8-. Los niobatos normales, entre ellos el NbO43-,

son insolubles. El óxido se disuelve en ácido fluorhídrico para producir especies iónicas como NbOF5

2- y NbOF63-, según la concentración de los iones fluoruro e hidrógeno. El

complejo fluorado mayor que puede existir en solución es NbF6.

PROPIEDADES FISICAS DEL NIOBIO

ESTADO ORDINARIO SOLIDO

PUNTO DE FUSION 2750 k (2477 °C)

PUNTO DE EBULLICION 5017 k (4744 °C)

ENTALPIA DE VAPORIZACION 696,6 kj/mol

ENTALPIA DE FUSION 26,4 kj/mol

PRESION DE VAPOR 0,0755 Pa a 2741 k

VELOCIDAD DEL SONIDO 3480 m/s a 293.15 K (20 °C)

DUREZA MOHS 6

TANTALITA

La tantalita es un mineral negro o pardo opaco, parecido a la columbita. Contiene el metal tantalio. Su densidad es 8.0 – 8.1 g/cm3, dureza 6.0 – 6.5, rica en manganeso es mas parda y traslucida, su raya en placa de porcelana, negro-parda; forma cristalina romboédrica. De la tantalita se obtiene el tantalio.

INFORMACION GENERAL TANTALITA

Formula química: Mn Ta 2 O 6

Composición: Peso molecular = 512,83 g Formula empírica: Mn 2 + Ta 2 O 6 Medio Ambiente: Pegmatitas y depósitos aluvialesIMA Estado: Válido Especies (Pre-IMA) 1887 Origen del nombre: El nombre de su composición química que contiene Manganeso y tantalio.Sinónimo: Coltan, Manganotantalita.

Fig. 5 Tantalita.

CRISTALOGRAFIA TANTALITA

Radios axiales: a: b: c = 0.3995:1:0.3523Dimensiones: a=5,772, b=14.465, c=5,097, Z=4, V=425.56 Den (Calc) =8 Sistema del cristal: Ortorrómbico - bipirámidesDifracción de rayos x: Por la intensidad (I/O): 2.99 (1), 3.69 (0.9), 2.41 (0.7)Estructura del cristal:

PROPIEDADES FISICAS

Hendidura: {100} ImperfectaColor: Negro, marrónDensidad: 8,1Diafanidad: OpacoFractura: Frágil - desigual, fractura con fragmentos desigualesHabito: Cristalino, produce cristales finosHabito: Diseminado, pequeñas partículas dispersas en la matrizHabito: Masivo – granular como en el granito y otras rocas ígneasDureza: 6 – 6,5 Ortoclasa, PiritaLuminiscencia: No fluorescente Brillo: Sub metálicoRaya: Marrón

TANTALIO (Ta)

Fig. 6 Tantalio puro.

NOMBRE, SIMBOLO, NUMERO TANTALIO, Ta, 73

El tantalio es un metal gris, brillante, pesado, dúctil, de alto punto de fusión, buen conductor de la electricidad y el calor y muy duro. Es muy resistente al ataque por ácidos; se disuelve empleando ácido fluorhídrico o mediante fusión alcalina en donde se oxida con mucha lentitud. Los halógenos (halogenuros) y el oxígeno reaccionan con él en caliente, para formar haluros y óxido correspondientes con estado de oxidación V. A temperatura elevada absorbe hidrógeno y se combina con el nitrógeno, el fósforo, el arsénico, el antimonio, el silicio, el carbono y el boro. También compuestos por reacción directa con el azufre, el selenio y el telurio a temperaturas elevadas. Fue descubierto por el sueco Jöns Jakob Berzelius en 1820.

PROPIEDADES QUIMICAS DEL TANTALIO

MASA ATOMICA 180,9479 u

RADIO MEDIO 145 pm

RADIO ATOMICO CALCULADO 200 pm

RADIO COVALENTE 138 pm

CONFIGURACION ELECTRONICA [Xe]4f14 5d3 6s2

ESTADO DE OXIDACION (OXIDO) 5 (levemente acido)

ESTRUCTURA CRISTALINA CUBICA CENTRADA EN EL CUERPO

PROPIEDADES FISICAS DEL TANTALIO

ESTADO DE LA MATERIA SOLIDO

PUNTO DE FUSION 3290 k (3017 °C)

PUNTO DE EBULLICION 5731 K (5458 °C)

ENTALPIA DE VAPORIZACION 743 kj/mol

ENTALPIA DE FUSION 31,6 kj/mol

PRESION DE VAPOR 0,776 Pa a 3269 k (2296 °C)

CELOCIDAD DEL SONIDO 3400 m/s a 293.15 k (20 °C)

DUREZA MOHS 6.5

¿POR QUE SON MATERIALES ESTRATEGICOS?

La importancia estratégica del Ta y el Nb radica en que gracias a sus extraordinarias propiedades, desde hace un poco más de medio siglo se han convertido en esenciales e imprescindibles para la tecnología moderna. El coltan se caracteriza entonces por la superconductividad o gran capacidad para conducir la corriente eléctrica con muy baja resistencia, la capacidad ultra refractaria porque presenta resistencia a las altas temperaturas, la función de capacitor o acumulador de carga eléctrica hasta el momento de ser usada, así como la resistencia a la corrosión. El tantalio y el niobio son metales refractarios, es decir que tienen un elevado punto de fusión y soportan temperaturas excepcionalmente altas, 3.017 °C y 2.468 °C respectivamente.

El tantalio metálico en combinación con óxido de tantalio por su excelente propiedad de almacenar carga eléctrica temporal y liberarla cuando se necesita permite diseñar capacitores electrolíticos muy delgados y pequeños, estos dispositivos son cada vez más pequeños, delgados, livianos y confiables, gracias en gran parte al uso de estos capacitores electrolíticos SMD de Tántalo, es que se han ido sustituyendo a los condensadores tradicionales. Aunque la mayoría de los dispositivos electrónicos pueden funcionar con capacitores electrolíticos normales, los capacitores electrolíticos de tantalio tienen valores de capacidad eléctrica más exactos y, en especial, son mucho más pequeños. Esto los hace ideales para las exigencias actuales de miniaturización de los dispositivos electrónicos. La gran demanda de estos capacitores ha elevado el precio del producto. Un capacitor de tantalio cuesta más que un condensador electrolítico normal de las mismas características.

Fig. 7 Tantalita.

También se emplea para fabricar la gran mayoría de componentes electrónicos de las nuevas tecnologías, telefonía móvil, informática, consolas de video juegos, iPods, ordenadores portátiles, microprocesadores, satélites artificiales, GPS, armamento teledirigido, prótesis e implantes médicos y sistemas de alerta y monitoreo climático, además se incluyen radios de banda civil, detectores de humo, marcapasos cardiacos y automóviles.

Se utiliza también en las superficies para transferencia de calor del equipo de producción en la industria química, fabricación de turbinas de aeronaves en especial cuando se tienen condiciones extraordinarias corrosivas. Su inercia química ha hecho que se le hayan encontrado aplicaciones dentales y quirúrgicas.

También se fabrican con él Ta matrices para extrusión, moldes para fundición, punzones para perforar, tazas y recipientes refractarios, equipo para electro plateado y herramientas de corte, como carburo de tantalio de altísima dureza. El Ferro-Tantalio tiene gran importancia en la metalurgia pues se agrega a los aceros austeníticos para mejorar propiedades anticorrosivas y a su vez mantener la ductilidad. Por otra parte está el niobio, que no tiene tantos usos electrónicos, pero sus principales aplicaciones son como elemento de aleación para la construcción de máquinas y gaseoductos de alta presión; superaleaciones (turbinas de aviones de reacción y en escapes de automóviles); forma parte de cerámicas electrónicas y de objetivos fotográficos; construcción de electroimanes usados en resonancia magnética nuclear, aleaciones con titanio; en ordenadores cuánticos experimentales; en la producción de

capacitadotes en procesos de polimerización de olefinas, recubrimientos en plantas químicas y presentan actividad cototoxica contra células cancerígenas.

Fig. 8 Columbita.

Las aleaciones de acero de alta resistencia mecánica, aceros de baja aleación y aceros inoxidables en los que el Nb es utilizado para el control del tamaño del grano porque mejora las propiedades mecánicas y la relación resistencia-peso del acero. Tales aceros son utilizados para aumentar la durabilidad de puentes, torres, columnas, estructuras elevadas y tuberías de hidrocarburos.

Entonces se puede decir sin duda alguna que estos materiales puestos al servicio de la humanidad, van a tener cada día más aplicaciones pues por ejemplo la resistencia al calor del Ta es dos veces la del hierro y sólo es superada por las del wolframio y el renio.

Estos elementos realmente no son tan raros como se cree, ya que el Ta ocupa el lugar 53 y el Nb el 32 en abundancia natural entre los elementos de la corteza terrestre, son relativamente comunes si se comparan con el oro que ocupa el lugar 75. Por cada tonelada de corteza terrestre que tiene la Tierra, hay entre 1 y 2 gramos de Ta, 20 de Nb y solamente 0.004 de oro.

FORMACION

Fig. 9 Magma en la corteza terrestre.

Como se sabe la fuente principal de minerales raros como la Tantalita y la Columbita son rocas magmáticas o ígneas llamadas pegmatitas, pueden tener un tamaño de grano alrededor de 20 mm, la mayoría de estas rocas están compuestas por granito, que contiene cuarzo, feldespato y mica.

Los minerales de textura cristalina granular, y con cristales grandes son resultado del enfriamiento lento del magma, mientras que los de cristales más pequeños son resultado de un enfriamiento más rápido, sin embargo las rocas pegmatitas son una excepción a estos casos, son formadas por magma que se enfría rápidamente incluso en cuestión de días, desarrollando grandes cristales; esto puede ser producido por acción del agua en el proceso de cristalización, lo que también conlleva a la presencia de piedras preciosas.

Fig. 10 Enfriamiento del magma.

La formación de tantalio y niobio, se da en la fase pegmatitica del magma (500 °C – 700 °C), a estas temperaturas el residuo fundido está muy enriquecido en volátiles, por lo que se introduce a través de grietas, donde cristalizan grandes cantidades de silicatos (cuarzo, ortosa, albita), en grupos hidroxilo (micas) y en elementos como el boro (turmalina), el fosforo (apatito), el flúor (fluorita).

Entonces cuando los minerales que se encuentran en estas rocas, como feldespatos, micas y cuarzo son destruidos por la acción de agentes externos, después de uno o varios ciclos geológicos, llegan como sedimento a las cuencas los óxidos de hierro,

tantalio y niobio para ubicarse en grandes cantidades formando los yacimientos de coltan en minas o en los lechos de los ríos.

Fig. 11 Roca pegmatitica.

¿COMO SE EXTRAEN Y PROCESAN?

Fig. 12 Mina de coltan a cielo abierto (Australia).

Según estudios realizados por el Servicio Geológico de EE.UU (USGS) y el Centro de Estudios Internacionales del Tantalio y el Niobio (TIC) con sede en Bélgica, para la producción mundial de Ta los mayores productores son Australia, Brasil, China, diferentes países de África y Canadá, aunque en los últimos años Brasil ha llegado a ocupar un primer lugar.

Por otra parte diversos medios internacionales afirman que la República Democrática del Congo posee el 80 % de las reservas mundiales de Coltan, sin embargo según el TIC la realidad es que los yacimientos del Congo producen no más del 10 %. Respecto al Nb los mayores productores son Brasil, Nigeria y Australia, el depósito más grande de pirocloro principal mineral del que se obtiene el Nb está en Brasil en la región de Araxá y es propiedad de la Compañía Brasilera de Metalurgia y Minería (CBMM). El informe del TIC indica que las reservas mundiales de Nb en aproximadamente 460 millones de toneladas, son suficientes para abastecer la demanda por los próximos 500 años.

Solamente los yacimientos probados con un contenido mayor del 20 % de Ta y Nb pueden ser valiosos, la importancia económica depende de si el material se encuentra concentrado en grandes proporciones en un mismo lugar además que su extracción y transporte sea fácil, o si se encuentra asociado a otros elementos de valor. Entonces en este sentido la explotación de yacimientos minerales resulta ser una actividad de alto riesgo económico, porque implica una elevada inversión y para evitar pérdidas se debe hacer que los posibles depósitos deben sean identificados y evaluados, además reconocidos por procedimiento de mapeo geológico a través de fotografía aérea, observación en el campo y por medio de estudios geofísicos, químicos y mineralógicos.

La mayor parte de metales en la corteza terrestre están tan diluidos que no es económicamente factible su separación. Ocasionalmente se encuentran grandes cantidades de elementos y compuestos metálicos concentrados por procesos geológicos en un área pequeña, si después de que se ha identificado el sitio y cuantificado el material, se concluye que la extracción es económicamente rentable, entonces a estos depósitos de minerales de interés económico, se les llama “mena” y el lugar donde se encuentran acumulados es denominado un yacimiento.

Generalmente la fuente primaria de la Tantalita y Columbita son rocas magmáticas llamadas pegmatitas, en las cuales el tantalio se ha enriquecido 10.000 veces con relación a la concentración promedio normal. Si los principales minerales que conforman las pegmatitas, como feldespatos, micas y cuarzo son destruidos por la meteorización (acción del viento, agua y temperatura), los demás minerales mucho más resistentes a la

abrasión y descomposición como los óxidos de hierro, titanio, estaño, tantalio y niobio pueden alcanzar mayores concentraciones y formar yacimientos de gran tamaño en los lechos de los ríos. Estos minerales gracias a su mayor densidad, pueden ser extraídos de los afluentes a través del ‘barequeo’ o cavando fosas, depurando y seleccionando las gravas. En este caso la densidad es muy importante, porque mientras un mineral normal silicático como el cuarzo pesa 2.7 gramos por cm3, uno denso metálico puede pesar entre 3 y 8 g/ cm3 como ocurre con las Tantalitas.

Básicamente hay dos formas de extraer el material, la excavación de minas a cielo abierto, o subterráneas, y la extracción de los depósitos aluviales que es el método predominante; El método de extracción es arcaico, es muy parecido al método con el que extraían oro antiguamente en EEUU, trabajando en condiciones de esclavitud. Lo que hacen las seis plantas procesadoras que hay en el mundo, ubicadas en Alemania, China, Japón, Tailandia, Kazajstán, y en los Estados Unidos, es triturar los concentrados que reciben de las minas y determinar los métodos más adecuados para el procesamiento según el tipo de mineralización enriquecida de Ta y Nb. Posteriormente para el beneficio y separación del metal se someten a diversos procesos en la planta, en este caso la fundición no es una posibilidad para separar y purificar los metales refractarios, por esta razón tienen que ser tratados con una mezcla de ácido fluorhídrico y ácido sulfúrico concentrado con el fin de disolver el óxido de tantalio u otros compuestos en el mineral.

Para la producción de Nb las empresas que procesan el pirocloro reducen el óxido de Nb con aluminio y óxido de hierro hasta obtener Ferro-Niobio, proceso que se conoce como reducción aluminotérmica, también es posible realizarlo en un horno de arco eléctrico.

¿COMO ES LA MANUFACTURA METALMECANICA?

Cuando se logra la separación de ambos metales, el Ta y el Nb y sus aleaciones mediante diferentes procesos pueden ser laminados, estirados y extruidos, se pueden fabricar todo tipo de formas, como son:

LingotesVarillasAlambrePolvo metálicoBarrasÁngulosTubosChapas

,

MECANIZADO: El Ta puede ser mecanizado con herramientas de acero rápido y de carburo usando un refrigerante adecuado. Las operaciones de formado, plegado, estampado y estirado son normalmente realizadas en frío, pero cuando se trata de grandes espesores puede trabajarse en caliente a 426 °C, dado que el tantalio recocido se pega en las herramientas, es común su tendencia a agriparse, desgarrarse y erosionarse con facilidad, por eso es necesaria una buena lubricación.

TORNEADO: En el torneado se recomienda el uso de herramientas de carburo cementado debidamente afiladas, preparadas en forma similar al torneado de cobre con altas velocidades de corte, con un mínimo de 100 sfpm para evitar desgarramientos del material. Es muy importante aplicar abundante lubricación, incluso cuando se use la lima o lija y para las perforaciones mediante brocas.

ESMERILADO: Pulir el tantalio y el niobio no es conveniente y debe evitarse especialmente si es recocido, material que es casi imposible de esmerilar dada su tendencia a pegarse en la roca.

SOLDADURA: Tanto el Ta como el Nb pueden ser soldados a otros metales usando diversas técnicas por resistencia, TIG, plasma y haz electrónico, pero deben ser protegidos con gas inerte como Argón o Helio para evitar que los metales absorban gases sobre los 300 °C que los tornan quebradizos. De ser posible es conveniente emplear una cámara con atmósfera de Argón, también se pueden soldar así mismos con TIG o autógena y nunca debe usarse soplete de acetileno pues destruye los materiales.