Tema 5 Estado Metálico - Aleaciones - Metalurgia General

Tema 5

Estado metlico - Aleaciones - Metalurgia general

Ing. Waldo Urribarr

Tecnologa Qumica

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Ing. Waldo Urribarr

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Introduccin

Toda la materia est formada a partir de unidades elementales que existen

en un nmero limitado. Estas unidades no pueden ser divididas en partes

ms sencillas mediante los mtodos fsicos o qumicos usuales. En lams sencillas mediante los mtodos fsicos o qumicos usuales. En la

naturaleza existe 92 elementos qumicos, aunque los fsicos han creado 20

elementos ms mediante procesos que implican reacciones nucleares. Los

elementos qumicos fueron clasificados por primera vez por Mendelejev

siguiendo unas pautas determinadas. Estos elementos estn divididos en

tres categoras: metales, no metales y metaloides, aqu destacaremos los

elementos metlicos. De los 112 elementos que se conocen, slo 25 son no

metlicos. Los metales en su mayora provienen de los minerales.

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Introduccin (cont.)

Los metales ms abundantes en la corteza terrestre que existen en forma

mineral son: aluminio, hierro, calcio, magnesio, sodio, potasio, titanio, y

manganeso. El agua de mar es una rica fuente de iones metlicos comomanganeso. El agua de mar es una rica fuente de iones metlicos como

Na+, Mg+ y Ca+. La obtencin del elemento puro como el hierro, aluminio,

entre otros se logra mediante procesos metalrgicos.

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Qu es un metal?

Son los elementos qumicos caracterizados por ser buenos conductores del

calor y la electricidad, poseen alta densidad, y son slidos en temperaturas

normales (excepto el mercurio); sus sales forman iones electropositivosnormales (excepto el mercurio); sus sales forman iones electropositivos

(cationes) en disolucin. La mayor parte de los elementos metlicos

exhiben el lustre brillante que asociamos a los metales. Los metales

conducen el calor y la electricidad, son maleables (se pueden golpear para

formar lminas delgadas) y dctiles (se pueden estirar para formar

alambres). Todos son slidos a temperatura ambiente con excepcin del

mercurio (punto de fusin = -39 C), que es un lquido. Dos metales se

funden ligeramente arriba de la temperatura ambiente: el cesio a 28.4 C y

el galio a 29.8 C. En el otro extremo, muchos metales se funden a

temperaturas muy altas. Por ejemplo, el cromo se funde a 1900 C.

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Qu es un metal?

Los metales tienden a tener energas de ionizacin bajas y por tanto se

oxidan (pierden electrones) cuando sufren reacciones qumicas. Los

metales comunes tienen una relativa facilidad de oxidacin. Muchosmetales comunes tienen una relativa facilidad de oxidacin. Muchos

metales se oxidan con diversas sustancias comunes, incluido el 02 y los

cidos.

Se utilizan con fines estructurales, fabricacin de recipientes, conduccin

del calor y la electricidad.

Muchos de los iones metlicos cumplen funciones biolgicas importantes:

hierro, calcio, magnesio, sodio, potasio, cobre, manganeso, cinc, cobalto,

molibdeno, cromo, estao, vanadio, nquel, entre otros.

El concepto de metal refiere tanto a elementos puros, as como aleaciones

con caractersticas metlicas, como el acero y el bronce.

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Enlace metlico

Las caractersticas de los metales vienen dadas por el tipo de enlace

qumico de sus tomos, que en el caso de los metales se le denomina

enlace metlico. Un enlace metlico es un enlace qumico que mantieneenlace metlico. Un enlace metlico es un enlace qumico que mantiene

unidos los tomos (unin entre cationes y los electrones de valencia) de los

metales entre s. Estos tomos se agrupan de forma muy cercana unos a

otros, lo que produce estructuras muy compactas. Es un enlace fuerte,

primario, que se forma entre elementos de la misma especie. Los tomos,

al estar tan cercanos uno de otro, interaccionan los ncleos junto con sus

nubes electrnicas empaquetndose en las tres dimensiones, por lo que

quedan rodeados de tales nubes. Estos electrones libres son los

responsables de las principales caractersticas de los metales.

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Enlace metlico (cont.)

Enlace metlico del cobre Mar de Drude o Mar de electrones

Otros enlaces qumicos: inico y covalente

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Enlace metlico (cont.)

Un primer intento para explicar el enlace metlico consisti en considerar

un modelo en el cual los electrones de valencia de cada metal se podan

mover libremente en la red cristalina (teora de Drude-Lorentz); de estamover libremente en la red cristalina (teora de Drude-Lorentz); de esta

forma, el retculo metlico se considera constituido por un conjunto de

iones positivos (los ncleos rodeados por su capa de electrones) y

electrones (los de valencia), en lugar de estar formados por tomos

neutros.

En definitiva un elemento metlico se considera que est constituido por

cationes metlicos distribuidos regularmente e inmersos en un mar de

electrones de valencia des localizados, actuando como un aglutinante

electrosttico que mantiene unidos a los cationes metlicos.

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Qu es una aleacin?

Una aleacin es la mezcla de dos o ms elementos, siendo uno de ellos un

metal. Es una mezcla slida homognea de dos o ms metales, o de uno o

ms metales con algunos elementos no metlicos. Se puede observar quems metales con algunos elementos no metlicos. Se puede observar que

las aleaciones estn constituidas por elementos metlicos en estado

elemental (estado de oxidacin nulo), por ejemplo Fe, Al, Cu, Pb. Pueden

contener algunos elementos no metlicos por ejemplo P, C, Si, S, As. Para

su fabricacin en general se mezclan los elementos llevndolos a

temperaturas tales que sus componentes se fundan.

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Qu es una aleacin?

El objetivo o los objetivos de las aleaciones es modificar una o varias

propiedades del metal solvente o crear nuevas propiedades en los metales

resultantes.resultantes.

Las aleaciones presentan brillo metlico y alta conductividad elctrica y

trmica, aunque usualmente menor que los metales puros. Las

propiedades fsicas y qumicas son, en general, similares a la de los

metales, sin embargo las propiedades mecnicas tales como dureza,

ductilidad, tenacidad, etc. pueden ser muy diferentes, de ah el inters que

despiertan estos materiales, que pueden tener los componentes de forma

aislada.

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Cmo se clasifican las aleaciones?

Existen tres clasificaciones comunes de aleaciones:

1. Composicin: Esta clasificacin tiene en cuenta cual es el elemento que

se halla en mayor proporcin (aleaciones ferrosas, aleaciones basese halla en mayor proporcin (aleaciones ferrosas, aleaciones base

cobre, etc.). Cuando los elemento que se mezclan no tienen carcter

metlico suelen hallarse en muy pequea proporcin, mientras que si

nicamente se mezclan metales, los mismos pueden aparecer en

proporciones similares al metal base.

2. Nmero de elementos: Atendiendo a este criterio se pueden distinguir

aleaciones binarias como el cupronquel, ternarias (alpaca), pero

tambin hay aleaciones en las que intervienen un elevado nmero de

elementos qumicos, si bien en pequeas cantidades.

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3. Estructura:

a) Sustitucional: son aquellas aleaciones en las que los tomos dela) Sustitucional: son aquellas aleaciones en las que los tomos del

elemento en menor proporcin (metal soluto) ocupan o sustituyen

lugares en los que antes se encontraban tomos del elemento en mayor

proporcin (metal solvente). Un ejemplo de aleacin sustitucional es la

aleacin oro-cobre.

b) Intersticial: "sustitucin derivada de otra red. Es aquella en la cual los

tomos de soluto se colocan en los espacios intersticiales del metal

(disolvente). Es condicin necesaria que el tomo de soluto sea

suficientemente pequeo para que al ocupar su posicin no altere

notablemente la energa del cristal.

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3. Estructura:

En general, la solubilidad o espacio intersticial en los metales es muyEn general, la solubilidad o espacio intersticial en los metales es muy

limitada dado que los tomos metlicos se disponen en estructuras

compactas.

Un ejemplo de aleacin intersticial es el carbono aadido al hierro para

la fabricacin de aceros.

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Aleaciones ms comunes

Acero: es una aleacin de hierro y carbono, donde el carbono no supera

el 2,1% en peso de la composicin de la aleacin, alcanzando

normalmente porcentajes entre el 0,2% y el 0,3%. Porcentajes mayoresnormalmente porcentajes entre el 0,2% y el 0,3%. Porcentajes mayores

que el 2,0% de carbono dan lugar a las fundiciones, aleaciones que al ser

quebradizas y no poderse forjar, a diferencia de los aceros, se moldean.

Existen aceros especiales donde se adicionan otros elementos para

mejorar propiedades especficas de los mismos.

Bronce: es toda aleacin metlica de cobre y estao en la que el primero

constituye su base y el segundo aparece en una proporcin de entre el 3

y el 20%. Las aleaciones constituidas por cobre y zinc se denominan

propiamente latn; sin embargo, dado que en la actualidad el cobre se

suele alear con el estao y el zinc al mismo tiempo, en el lenguaje no

especializado la diferencia entre bronce y latn es bastante imprecisa.

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Conceptos generales de metalurgia

La metalurgia es la ciencia y tcnica de la obtencin y tratamiento de los

metales desde minerales metlicos, hasta los no metlicos. Tambin

estudia la produccin de aleaciones, el control de calidad de los procesosestudia la produccin de aleaciones, el control de calidad de los procesos

vinculados, as como su control contra la corrosin. Adems de

relacionarse con la industria metalrgica.

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Conceptos generales de metalurgia (cont.)

Procesos metalrgicos

Los procesos metalrgicos comprenden las siguientes fases:

Obtencin del metal a partir del mineral que lo contiene en estado Obtencin del metal a partir del mineral que lo contiene en estado

natural.

El afino, enriquecimiento o purificacin: eliminacin de las impurezas

que quedan en el metal.

Elaboracin de aleaciones.

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Operaciones bsicas de obtencin de metales

Operaciones fsicas: triturado, molido, filtrado (a presin o al vaco),

centrifugado, decantado, flotacin, disolucin, destilacin, secado,centrifugado, decantado, flotacin, disolucin, destilacin, secado,

precipitacin fsica.

Operaciones qumicas: tostacin, oxidacin, reduccin, hidrometalurgia,

electrlisis, hidrlisis, lixiviacin mediante reacciones cido-base,

precipitacin qumica, electrodeposicin, cianuracin.

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Alto horno: es la instalacin industrial dnde se transforma o trabaja el

mineral de hierro. El material obtenido despus de triturar y lavar los

minerales debe llevarse al alto horno para obtener una mayorminerales debe llevarse al alto horno para obtener una mayor

concentracin. Un alto horno recibe este nombre por sus grandes

dimensiones, ya que puede llegar a tener una altura de 80 metros. Est

formado por una cpsula cilndrica de acero forrada con un material no

metlico y resistente al calor, como asbesto o ladrillos refractarios. Por la

parte superior del horno se introduce el material, el cual, a medida que

va descendiendo y por efecto de las altas temperaturas, se descompone

en los distintos materiales que lo forman. El dimetro de la cpsula

disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es mximo en un punto situado

aproximadamente a una cuarta parte de su altura total.

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La parte superior del horno contiene respiraderos para los gases de

escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por vlvulas en forma de

campana, por las que se introduce el mineral de hierro, el coque y lacampana, por las que se introduce el mineral de hierro, el coque y la

caliza. La parte inferior del horno est dotada de varias aberturas

tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire que

enciende el coque. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que

fluye el arrabio cuando se sangra (o vaca) el alto horno. Encima de ese

orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la

escoria.

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Gas residual deAlto horno

Carga demateriales

Estufa de airecaliente

Alto HornoCoque Caliza

Mineralde hierro

materialesLadrillos

refractarios

Airecaliente

Escoria Arabio

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Una vez obtenido el acero lquido, se puede introducir en distintos tipos

de coladura para obtener unos materiales determinados: la colada

convencional, de la que se obtienen productos acabados; la coladaconvencional, de la que se obtienen productos acabados; la colada

continua, de la que se obtienen trenes de laminacin y, finalmente, la

colada sobre lingoteras, de la que se obtienen lingotes.

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Horno de induccin: Es un horno elctrico en el que el calor es generado

por calentamiento por la induccin elctrica de un medio conductivo (un

metal) en un crisol alrededor del cual se encuentran enrolladas bobinasmetal) en un crisol alrededor del cual se encuentran enrolladas bobinas

magnticas.

Una ventaja del horno de induccin es que es limpio, eficiente desde el

punto de vista energtico, y es un proceso de fundicin y de tratamiento

de metales ms controlable que con la mayora de los dems modos de

calentamiento. Otra de sus ventajas es la capacidad para generar una

gran cantidad de calor de manera rpida. Los principales componentes

de un sistema de calentamiento por induccin son: la bobina de

induccin, la fuente de alimentacin, la etapa de acoplamiento de la

carga, una estacin de enfriamiento y la pieza a ser tratada.

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Las fundiciones ms modernas utilizan este tipo de horno y cada vez

ms fundiciones estn sustituyendo los altos hornos por los de

induccin, debido a que aquellos generaban mucho polvo entre otrosinduccin, debido a que aquellos generaban mucho polvo entre otros

contaminantes. El rango de capacidades de los hornos de induccin

abarca desde menos de un kilogramo hasta cien toneladas y son

utilizados para fundir hierro y acero, cobre, aluminio y metales

preciosos. Uno de los principales inconvenientes de estos hornos es la

imposibilidad de refinamiento; la carga de materiales ha de estar libre

de productos oxidantes y ser de una composicin conocida y algunas

aleaciones pueden perderse debido a la oxidacin (y deben ser re-

aadidos).

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Horno de induccin

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Arrabio: es el material fundido que se obtiene en el alto horno mediante

reduccin del mineral de hierro. Se utiliza como materia prima en la

obtencin del acero en los altos hornos.obtencin del acero en los altos hornos.

Los materiales bsicos empleados para fabricar arrabio son mineral de

hierro, coque y caliza. El coque se quema como combustible para

calentar el horno, y al arder libera monxido de carbono, que se

combina con los xidos de hierro del mineral y los reduce a hierro

metlico. La ecuacin de la reaccin qumica fundamental de un alto

horno es:

Fe2O3 + 3CO 3CO2 + 2Fe

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La fundicin: es una aleacin de hierro con un contenido en carbono

superior al 1,7 %. Se obtiene directamente a partir del arrabio

procedente del alto horno, tras dejarlo enfriar en moldes.procedente del alto horno, tras dejarlo enfriar en moldes.

La caliza: se emplea como fuente adicional de monxido de carbono y

como sustancia fundente. Este material se combina con la slice presente

en el mineral (que no se funde a las temperaturas del horno) para

formar silicato de calcio, de menor punto de fusin. Sin la caliza se

formara silicato de hierro, con lo que se perdera hierro metlico.

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La escoria: El silicato de calcio y otras impurezas forman una escoria que

flota sobre el metal fundido en la parte inferior del horno. La escoria se

puede considerar como una mezcla de xidos metlicos; sin embargo,puede considerar como una mezcla de xidos metlicos; sin embargo,

pueden contener sulfuros de metal y tomos de metal en forma de

elemento. Aunque la escoria suele utilizarse como un mecanismo de

eliminacin de residuos en la fundicin del metal, tambin sirve para el

control de la temperatura durante la fundicin y minimizar la re

oxidacin del metal lquido final antes de pasar al molde.

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Propiedades de los metales

Las propiedades de los metales se clasifican en fsicas, mecnicas y

tecnolgicas.tecnolgicas.

Propiedades fsicas:

Las propiedades fsicas dependen del tipo de aleacin y las ms

importantes son:

Peso especfico: El peso especfico puede ser absoluto o relativo: el

primero es el peso de la unidad de volumen de un cuerpo homogneo.

El peso especfico relativo es la relacin entre el peso de un cuerpo y el

peso de igual volumen de una sustancia tomada como referencia; para

los slidos y lquidos se toma como referencia el agua destilada a 4C.

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Propiedades fsicas:

Calor especfico: Es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1C la

temperatura de 1 kg de determinada sustancia. El calor especfico varatemperatura de 1 kg de determinada sustancia. El calor especfico vara

con la temperatura. En la prctica se considera el calor especfico medio

en un intervalo de temperaturas.

Punto de fusin: Es la temperatura a la cual un material pasa del estado

slido al lquido, transformacin que se produce con absorcin de calor.

Conductividad trmica y elctrica.

Resistencia a la corrosin: La corrosin de los metales puede originarse

por reacciones qumicas con los agentes corrosivos y por reacciones

electroqumicas producidas por corrientes electrolticas generadas en

elementos galvnicos formados en la superficie con distinto potencial.

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Propiedades mecnicas:

Son aquellas que expresan el comportamiento de los metales frente a

esfuerzos o cargas que tienden a alterar su forma.esfuerzos o cargas que tienden a alterar su forma.

Resistencia mecnica: capacidad para resistir esfuerzo de traccin,

comprensin, torsin y flexin sin deformarse ni romperse.

Dureza: resistencia que ofrece un metal para dejarse penetrar. Se mide

en unidades BRINELL (HB) unidades ROCKWEL C (HRC).

Elasticidad: capacidad de un material elstico para recobrar su forma al

cesar la carga que lo ha deformado. Se llama lmite elstico a la carga

mxima que puede soportar un metal sin sufrir una deformacin

permanente.

Plasticidad: capacidad de deformacin permanente de un metal sin que

llegue a romperse.

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Tenacidad: resistencia que presentan los metales a romperse al recibir

fuerzas bruscas (golpes, etc.).fuerzas bruscas (golpes, etc.).

Fragilidad: propiedad que expresa falta de plasticidad, y por tanto, de

tenacidad. Los materiales frgiles se rompen en el lmite elstico, es

decir su rotura se produce espontneamente al rebasar la carga

correspondiente al lmite elstico.

Resiliencia: Resistencia de un metal a su rotura por choque, se

determina en el ensayo Charpy.

Fluencia: Propiedad de algunos metales de deformarse lenta y

espontneamente bajo la accin de su propio peso o de cargas muy

pequeas. Esta deformacin lenta, se denomina tambin creep.

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Fatiga: Si se somete una pieza a la accin de cargas peridicas

(alternativas o intermitentes), se puede llegar a producir su rotura con(alternativas o intermitentes), se puede llegar a producir su rotura con

cargas menores a las que produciran deformaciones.

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Propiedades tecnolgicas:

Maleabilidad: capacidad de los metales de hacerse lminas al ser

sometidos a esfuerzos de compresin.sometidos a esfuerzos de compresin.

Ductilidad: propiedad de los metales de moldearse en alambre e hilos al

ser sometidos a esfuerzos de traccin.

Maquinabilidad. Es la facilidad que posee un material de permitir el

proceso de mecanizado por arranque de viruta.

Fusibilidad: Es la propiedad que permite obtener piezas fundidas o

coladas.

Soldabilidad: Es la aptitud de un metal para soldarse con otro idntico

bajo presin ejercida sobre ambos en caliente. Poseen esta propiedad

los aceros de bajo contenido de carbono.

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Propiedades tecnolgicas:

Colabilidad: Es la capacidad de un metal fundido para producir piezas

fundidas completas y sin defectos. Para que un metal sea colable debefundidas completas y sin defectos. Para que un metal sea colable debe

poseer gran fluidez para poder llenar completamente el molde. Los

metales ms fusibles y colables son la fundicin de hierro, de bronce, de

latn y de aleaciones ligeras.

Temple: es la propiedad de endurecimiento del metal al sufrir

transformaciones en su estructura cristalina como resultado del

calentamiento y enfriamiento sucesivo y por ende de sus propiedades

mecnicas y tecnolgicas. Los aceros se templan fcilmente debido a la

formacin de una estructura cristalina caracterstica denominada

martensita.

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Reciclado de metales

La mayor parte de los metales que existen pueden fundirse y volver a

procesare creando nuevos metales. Metales como aluminio, plomo, hierro,

acero, cobre, plata y oro son reciclados fcilmente cuando no estnacero, cobre, plata y oro son reciclados fcilmente cuando no estn

mezclados con otras sustancias, porque pueden ser fundidos y cambiar de

forma o adoptar la misma anterior. De estos materiales, el hierro es el que

tiene mayor demanda comercial. El reciclaje del aluminio esta

incrementndose bastante debido a que una lata, producto de reciclaje,

requiere solo una parte de la energa necesaria para elaborar una lata

similar con materas primas. Si recuperramos todos estos metales serian

una gran fuente de materias primas.

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Reciclado de metales (cont.)

Los yacimientos (de donde se extraen industrialmente el metal), son

depsitos de los mismos y estn siendo poco a poco agotados. En los

nuevos yacimientos se debe invertir mayor capital, ya que se encuentrannuevos yacimientos se debe invertir mayor capital, ya que se encuentran

mas adentrados en la corteza terrestre y en lugares muy remotos para el

centro de produccin. El cobre, desde los 80, procede de lugares como

chile, Zambia, Zaire, Papa, Nueva-Guinea, lugares muy lejanos del centro

de produccin. En 1990, para obtener los, casi, 9 millones de toneladas de

cobre que se produjeron hizo falta extraer y reprocesar 990 toneladas de

mineral.

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Reciclado del aluminio:

En 1990, mas del 50% de las latas de aluminio fabricadas en EE.UU. fueron

producto del reciclaje. En la actualidad se recicla todo el aluminio que seproducto del reciclaje. En la actualidad se recicla todo el aluminio que se

produce como recorte durante la fabricacin de productos y una parte

importante del resto.

Los expertos aseguran que se ahorra suficiente energa reciclando una lata

de aluminio como para hacer funcionar un televisor durante 3 horas y

media, adems reduce la contaminacin en un 95%.

El reciclado de aluminio s esta poniendo de moda ya que todos queremos

reciclar aunque a algunos le importe mas la ganancia econmica que la

contaminacin que producen estos desechos.

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Reciclado del aluminio:

El aluminio no cambia sus caractersticas durante el reciclado por lo que se

puede repetir indefinidamente, adems los potes se pueden hacerpuede repetir indefinidamente, adems los potes se pueden hacer

enteramente con metal reciclado.

Hay muchos modos de reciclar potes. En algunos pases el reciclado viene

impuesto por la legislacin y se gestiona a travs de consorcios. En otros

pases el reciclado es voluntario. Esta actividad la organiza organizaciones

voluntarias, proyectos escolares, el ayuntamiento, etc.

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