TITANIO (TI) METODO DE OBTENCIÓN
Descripción del elemento Titanio
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Caracteristicas Caracterist icas del TI Caracteristicas Fisicas
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Blanco Blanco Platea Plateado do Brillante Es mas duro que el acero, pero un 45% más más lige ligero ro.. Es un 60% más pesado que el aluminio, pero pero dos dos veces eces mas fuert uerte. e. Duro Duro y resi resist sten ente te.. El titanio se encuentra en meteoritos y en el Sol. Se encuentra en cenizas de carbón, en las plantas y en el cuerpo humano. Roc Rocas obt obtenid enidas as dura durant nte e la misi isión luna lunar r Apolo XVII contenían 12,1% de TiO2
Caracteristicas Caracteristi cas del Titanio
Es un met metal de tran transsició ición. n.
Su dens densid idad ad es 4’54 4’54 g/dm g/dm3. 3. Tiene un punto de fusión de 1800 ºC. Su masa atómica es de 47,867 u. Es de colo colorr plat platea eado do gris grisác áceo eo.. Resi Resist sten enci cia a a la trac tracci ción ón : 100k 100kg/ g/mm mm2. 2. Alargamiento : 5% Resistividad :
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0,8
Ω*mm2/m.
Forma aleaciones con otros elementos para mejorar las prestaciones mecánicas. Es resi resist sten ente te a la corr corros osió ión. n. Refractario. Poca conductividad térmi rmica y eléctrica: No es buen conductor del calor ni de la electricidad. Es para parama magn gnét étic ico, o, es deci decirr, no se iman imantta debi debido do a su estr estruc uctu tura ra elec electr trón ónic ica. a.
Caracteristicas Caracteristi cas del Titanio Caracteristicas Mecánicas:
Mecanizado por arranque de viruta simi simila larr al acer acero o inox inoxid idab able le.. Permit Permite e fresad fresado o químic químico. o. Maleable, permite la producción de lámi lámina nass muy muy delg delgad adas as.. Dúct Dúctilil,, perm permitite e la fabr fabric icac ació ión n de alam alambr bre e delgado.
Duro. Escala de Mohs 6.
Muy Muy resi resist sten ente te a la trac tracci ción ón..
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Gran Gran tenaci tenacidad dad.. Permite la fabricación de piezas por fund fundic ició ión n y mold moldeo eo.. Materi Material al soldab soldable. le. Permite varias clases de tratamientos tanto tanto termoq termoquím uímico icoss como como superf superfici iciale ales. s. Mant Mantie iene ne una una alt alta memor emoria ia de su form forma. a.
Caracteristicas del Titanio Caracteristicas Quimicas:
Se encuentra en forma de óxido, en la escoria de ciertos minerales y en cenizas de animales y plantas. Presenta dimorfismo, a temperatura ambiente tiene estructura hexagonal compacta llamada fase alfa. Por encima de 882 °C presenta estructura cúbica centrada en el cuerpo que se conoce como fase beta.
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La resistencia a la corrosión que presenta es debido a que se forma un óxido que lo recubre. Es resistente a temperatura ambiente al ácido sulfúrico (H2SO4) diluido y al ácido clorhídrico (HCl) diluido. Sin embargo se puede disolver en ácidos en caliente. Asimismo, se disuelve bien en ácido fluorhídrico (HF), o con fluoruros en ácidos. A temperaturas elevadas puede reaccionar fácilmente con el nitrógeno, el oxígeno, el hidrógeno , el boro y otros no metales
Introducción
El titanio (Ti) es un elemento químico de número atómico 22. Se trata de un metal de transición de color gris plata. Comparado con el acero , es mucho más ligero. Tiene alta resistencia a la corrosión y gran resistencia mecánica, pero es mucho más costoso, lo cual limita su uso industrial. Es un metal abundante en la naturaleza, es el cuarto metal más abundante en la superficie terrestre y el noveno en la gama de metales industriales. No se encuentra en estado puro, sino en forma de óxidos. Está presente en la mayoría de las rocas ígneas y sedimentos derivados de ellas. Se encuentra principalmente en los minerales anatasa(TiO2), brookita (TiO2), ilmenita (FeTiO3),leucoxeno, perovskita (CaTiO3), rutilo (TiO2) y titanita (CaTiSiO5); también como titanato y en muchas menas de hierro. De estos minerales, sólo la ilmenita, el leucoxeno y el rutilo tienen una significativa importancia económica.Su utilización se ha generalizado con el desarrollo de la tecnología aeroespacial, donde es capaz de soportar las condiciones extremas de frío y calor que se dan en el espacio y en la industria química, por ser resistente al ataque de muchos ácidos. Este metal también tiene propiedades biocompatibles, dado que los tejidos del organismo toleran su presencia, por lo que con él se fabrican muchas prótesis e implantes.
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Historia Descubrimiento :
El titanio (llamado así por los Titanes, hijos de Urano y Gea en la mitología griega) fue descubierto en Inglaterra por William Gregor en 1791, a partir del mineral conocido como ilmenita (FeTiO3). Este elemento fue descubierto años más tarde por el químico alemán Heinrich Klaproth, en este caso en el mineral rutilo (TiO2), que fue quien en 1795 le dio el nombre de titanio.
Producción :
El titanio como metal no se usó fuera del laboratorio hasta que en 1946 William Justin Kroll desarrolló un método para poder producirlo comercialmente: mediante la reducción del TiCl4 con magnesio. A este método se le conoce con el nombre de proceso Kroll. En cuanto a la fabricación de metal de titanio, en la actualidad hay seis tipos de procesos disponibles, "Kroll" "Hunter", reducción electrolítica, gas reductor , plasma y reducción metalotérmica reducida. Destacando el proceso de Kroll, que es el responsable, hoy en día, de la mayoría del metal de titanio producido en el mundo.
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Minerales que contienen Titanio Ilmenita
Rutilo
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La ilmenita (FeTiO3) es un mineral débilmente magnético, de color negro o gris, que se encuentra en las rocas metamórficas y en las rocas básicas ígneas (gabro, diabasa, piroxenita). El nombre deriva de las montañas "Ilme" en Rusia, uno de sus principales yacimientos. La mayoría de la ilmenita, sin embargo, está recubierta de sedimentos, como por ejemplo, de arena de playa. Contiene el 47,34% de FeO y el 52,66% de TiO2, aunque esta proporción es variable por la entrada del óxido férrico, reemplazable por magnesio y manganeso. El rutilo es un mineral del grupo IV (óxidos), según la clasificación de Strunz. Es un óxido de titanio (IV) (TiO2), que cristaliza de forma tetragonal distorsionada. Puede ser desde incoloro hasta pardo según la concentración de hierro (III). Se le halla en los yacimientos de zafiro. Los países productores de este mineral son Rusia, India y algunos países de Sudamérica. Además, la Antártida contiene yacimientos.
Proceso de extracción del mineral Titanio
El Titanio se a convertido en un material fundamental en la industria aeronáutica Por ejemplo , para la construcción de un avión como el gigantesco A-380 o el Boeing 787, hace falta 70 toneladas de este material. El problema es que aunque el titanio proporciona mejores rendimientos que los materiales convencionales, a los precios actuales, es 15 veces mas caro que el Aluminio.
La causa de su alto precio es que el proceso de extracción y refino es demasiado complejo, ya que se requieren por lo menos seis meses para completarlo.
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Proceso de extracción del mineral Titanio
El proceso comienza con la extracción del mineral de titanio desde los depósitos arenosos, donde gigantescas maquinas agitan y mezclan arena y agua. Luego extraen esta mezcla , para derivarla a una planta de tipo espiral o molino húmedo.
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Proceso de extracción del mineral Titanio
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Proceso de extracción del mineral Titanio
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Proceso de extracción del mineral Titanio
Este funciona como un cedazo para el oro, extrayendo las partículas negras mas pesadas del mineral de titanio, dejando que estas caigan por la parte de abajo.
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Proceso de extracción del mineral Titanio
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Proceso de extracción del mineral Titanio
Luego el mineral se purifica en el llamado molino seco, donde se usa un separador electroestático, para extraer del mineral ilmenita , el resto de los otros metales.
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Proceso de extracción del mineral Titanio
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Proceso de extracción del mineral Titanio
Pero el rutilo o la ilmenita , los minerales que contienen Titanio, tienen una pureza máxima del 60% y generalmente menos. Por lo tanto ,para convertirse en un metal apropiado para su utilización aeroespacial. Debe pasar por un complejo y carísimo proceso de refino llamado método Kroll.
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Proceso de extracción del mineral Titanio
Indutria especializada de titanio TIMET, Henderson Nevada. Fabrica 20.000 toneladas anuales de productos de titanio.
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Proceso de Obtención del Titanio Proceso Kroll:
El proceso Kroll fue el primer proceso que permitió la obtención de cantidades apreciables de titanio puro, y se sigue utilizando mayoritariamente en la actualidad. El proceso convencional de extracción convierte las arenas metalíferas en tetracloruro de titanio, que luego reacciona con magnesio líquido, para producir titanio metal y cloruro de magnesio. Ese proceso hay que hacerlo por lotes, por lo que es caro, intensivo en mano de obra y relativamente lento, logrando al final del proceso, sólo unas pocas toneladas de titanio en cada reactor. La producción masiva con este método es difícil, ya que presenta una serie de limitaciones.
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Proceso de Obtención del Titanio Proceso Kroll:
El proceso consta de los siguientes pasos: 1 - Obtención de tetracloruro de titanio por cloración a 1000°C, en presencia de oxido de carbono, mediante la reacción: 2 FeTiO3 + 7 Cl2 + 6 C → 2 TiCl4 + 2 FeCl3 + 6 CO
2 - Se purifica el tetracloruro de titanio mediante destilación fraccionada. 3 - Se reduce el TiCl4 con magnesio o sodio molido en una atmósfera inerte, con la reacción, si se utiliza el Sodio (Na) en el proceso se producen la siguiente reacción: TiCl4 + 4 Na → 4NaCl + Ti
Si se utiliza el Magnesio (Mg) para purificarlo se produce la siguiente reacción: TiCl4 + 2 Mg → Ti + 2 MgCl22 Esta proceso se lleva a cabo a una Temperatura aproximada de 800-850ºC
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Proceso de Obtención del Titanio
Horno para calentar el mineral de Titanio a unos 1000 ° y se le añade Cloro ,formando de esta manera el Tetracloruro de Titanio (TiCl4).
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Proceso de Obtención del Titanio Proceso Kroll:
4 - El titanio forma una esponja en la pared del reactor, la cual se purifica por lixiviación con ácido clorhídrico diluido. El MgCl2 se recicla electrolíticamente. 5 - Se compacta la esponja resultante. Si se reduce el TiCl4 mediante sodio en lugar de magnesio, la esponja resultante es granular, lo que facilita el proceso de compactación. 6 - Se funde la esponja en un horno con un crisol de cobre refrigerado, mediante un arco eléctrico de electrodo consumible en una atmósfera inerte. Una vez llegado a este punto el proceso se terminaría pero en ocasiones se desea mejorar la pureza y homogeneidad del lingote por lo que se repetiría el paso anterior, es decir; se realiza un primer procesado en el cual los lingotes se convierten en productos generales de taller. Se realiza un segundo procesado, en el que se obtienen las formas acabadas de los productos realizados.
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Proceso de Obtención del Titanio
El Tetracloruro de Titanio, se enfría y se recoge en forma liquida, para proceder a separar el Titanio del Cloro. Esta es la parte mas cara del proceso, por que para separar el titanio del cloro, se debe introducir otro metal también muy caro; El magnesio, en donde se calienta la mezcla combinada de Mg y TiCl4 a una T° de 800 a 900 °C, durante 4 días, lo que provoca que el Cloro reaccione y se separe del Titanio.
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Proceso de Obtención del Titanio
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Aplicaciones del Titanio Aplicaciones Generales:
Aleaciones. Turbinas y equipos químicos industriales de aviación, y marinos. Aeronáutica y espacial. Pigmento blanco (TiO2).
El tetracloruro de titanio (TiCl4) se usa para irisar el vidrio, cortinas de humo. Herramientas.
Biomédicas.
Por su buena resistencia al agua del mar se utiliza en ejes de propulsión, aparejos y otras partes que estén expuestas al agua salada.
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Aplicaciones del Titanio Metalico Titanio quirúrgico:
El titanio es un metal compatible con los tejidos del organismo humano que toleran su presencia sin reacciones alérgicas del sistema inmunitario. Esta propiedad de compatibilidad del titanio unido a sus cualidades mecánicas de dureza, ligereza y resistencia han hecho posible una gran cantidad de aplicaciones médicas, como prótesis de cadera y rodilla, tornillos óseos…Aleaciones.
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Aplicaciones del Titanio Metalico
Industria energética: es muy utilizado en la construcción de sistemas de intercambio térmico en las centrales térmicas eléctricas y nucleares, debido principalmente a sus características de resistencia mecánica y química.
Industria automovilística: están incorporando componentes de titanio en los vehículos que fabrican, con el fin de aligerar el peso de los mismos, así por ejemplo ya existen muelles y bielas de titanio. Especialmente en el caso de los muelles se mejora el módulo de Young y una mejor calidad de la suspensión. Aleaciones.
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Aplicaciones del Titanio Metalico
Industria militar : se emplea como material de blindaje, en la carrocería de vehículos ligeros, en la construcción de submarinos nucleares y en la fabricación de misiles.
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Aplicaciones del Titanio Metalico
Industria aeronáutica y espacial: Debido a su fuerza, baja densidad y el que puede soportar temperaturas relativamente altas, las aleaciones de titanio se emplean en aviones y cohetes espaciales. El titanio y sus aleaciones se aplican en la construcción aeronáutica básicamente para construir forjados estructurales de los aviones, discos de ventilación, álabes y palas de turbinas.
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Aplicaciones del Titanio Metalico
Construcción naval: La propiedad que tiene el titanio de ser resistente a la corrosión permite que algunas de sus aleaciones sean muy utilizadas en construcción naval donde se fabrican hélices y ejes de timón, intercambiadores de calor, condensadores y conducciones en centrales que utilizan agua de mar como refrigerante, porque el contacto con el agua salada no le afecta.
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Aplicaciones del Titanio Metalico
Industria relojera: Los relojes deportivos que requieren un material resistente a menudo usan el titanio, un metal fuerte, blanco. Los relojes de pulsera de titanio son de peso ligero, fuertes y resisten la corrosión. Joyería: Metal seminoble en el ámbito de la joyería y de la bisutería. Así es posible encontrar pulseras, pendientes, anillos, etc., fabricados en este metal. Para mejorar el aspecto superficial del titanio se le somete a diferentes tipos de procesos que refuerzan su belleza. Instrumentos deportivos: Con titanio se producen actualmente distintos productos de consumo deportivo como palos de golf, bicicletas, cañas de pescar, etc. Decoración: También se han empleado láminas delgadas de titanio para recubrir algunos edificios, como por ejemplo el Museo Guggenheim de Bilbao.
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Aplicaciones del Titanio Metalico Museo Guggenheim de Bilbao
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Aplicaciones del Titanio no Metálico Tetracloruro de titanio:
Es un líquido entre incoloro y amarillo. No se encuentra de forma natural y es producido a partir de minerales que contienen titanio. Se emplea en la fabricación de titanio metálico o para obtener bióxido de titanio. Se degrada rápidamente en el aire, por lo que no suele ser tóxico, sin embargo, es muy irritante a los ojos, la piel, membranas mucosas y los pulmones. Algunos compuestos de titanio pueden tener aplicaciones en tratamientos contra el cáncer. Por ejemplo, en el caso de tumores gastrointestinales y de mama.
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Aplicaciones del Titanio no Metálico Dióxido de titanio:
Se encuentra en una forma negra o de color castaño conocida como rutilo. Las formas naturales que se encuentra menos en la naturaleza son la anatasita y la brooquita. Ambos son de color blanco.
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Aplicaciones del Titanio no Metálico Aplicaciones del Dióxido de titanio:
Los pigmentos de dióxido de titanio se utilizan en la producción de pinturas y plásticos papel, tintas de impresión, cosméticos, productos textiles, farmacéuticos y alimentarios. El dióxido de titanio es el pigmento más habitualmente utilizado en el mundo. En artes gráficas donde se precisan pequeños espesores de recubrimientos se utilizan pigmentos de dióxido de titanio muy finos. El dióxido también se ha empleado como agente blanqueador y opacador en esmaltes de porcelana, dando un acabado final de gran brillo, dureza y resistencia.
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ALEACIONES DEL TITANIO Aleaciones férreas:
Son aquéllas en las que el principal componente es el hierro. Gran interés como material para la construcción de diversos equipos y su producción es muy elevada, debido a: -Abundancia de hierro en la corteza terrestre.
-Técnica de fabricación del acero mas económica. -Alta versatilidad.
-Inconveniente: fácil corrosión.
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ALEACIONES DEL TITANIO Aleaciones no férreas:
Se distinguen aleaciones moldeables, que no se deforman suficientemente y aleaciones hechurables, en función de la facilidad de deformación. - Titanio comercialmente puro: este metal es relativamente débil, pierde su resistencia a temperaturas elevadas, pero tiene una gran resistencia a la corrosión. Las aplicaciones incluyen cambiadores de calor, tuberías, reactores, bombas y válvulas. - Aleaciones de titanio alfa: tienen adecuada resistencia a la corrosión y a la oxidación, mantienen bien su resistencia a elevadas temperaturas, tienen conveniente soldabilidad y normalmente poseen aceptable ductilidad y conformabilidad. - Aleaciones de titanio beta: sus aplicaciones incluyen los sujetadores de alta resistencia, vigas y otros elementos para su uso aeroespacial. - Aleaciones de titanio alfa-beta. Las aleaciones alfa-beta pueden tratarse térmicamente para obtener altas
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PROCESOS TECNOLÓGICOS DEL TITANIO Fundición:
Se realiza cuando se trata de piezas de diseño complejo que hace difícil el forjado o mecanizado de las mismas. Se utilizan diversas piezas fundidas, desde muy voluminosas hasta muy pequeñas de aplicaciones biomédicas. Hay dos métodos principales para la fundición de piezas: Fundición por moldeo de grafito apisonado, recomendado para la fundición de piezas de gran tamaño por ser el procedimiento más económico porque no hay necesidad de fabricar moldes especiales. Fundición a la cera perdida, es el método más apropiado para fundir piezas pequeñas y de gran precisión con acabados de alta calidad. La verificación de piezas fundidas se realiza mediante líquidos penetrantes, rayos X o ultrasonidos.
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PROCESOS TECNOLÓGICOS DEL TITANIO Forja:
Es un proceso de conformado por deformación plástica que puede realizarse en caliente o en frío y en el que la deformación del material se produce por la aplicación de fuerzas de compresión. Se utiliza para dar una forma y unas propiedades determinadas a los metales y aleaciones a los que se aplica mediante grandes presiones.
Ejemplos: Bielas de motores de automóviles de competición
Prótesis e implantes médicos Cabezas de palos de golf Turbinas de turbo-compresores Accesorios para tuberías Para cabeceros de cama o elementos decorativos como figuras de adorno
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PROCESOS TECNOLÓGICOS DEL TITANIO Embutición:
Soldadura:
A la hora de afrontar la soldadura de piezas de titanio hay que tener en cuenta que si se supera la temperatura de fusión, puede sufrir una decoloración porque reacciona fácilmente en contacto con los gases atmosféricos. Esta decoloración puede suponer pérdida de ductilidad y de resistencia mecánica. Por lo tanto es muy importante que en la soldadura se proteja la zona de soldadura con gases inertes.
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La embutición es una técnica para moldear metales en caliente en un sola operación con la acción conjunta de una prensa y el molde o troquel adecuado a la pieza que se quiere fabricar. Para facilitar la embutición es necesario que el material tenga una gran elongación a la tracción. La técnica consiste colocar la pieza a moldear entre las dos mitades del troquel o molde, calentando a la temperatura que permita la mejor plasticidad del material. Se insufla argón en la parte superior del molde forzando la lámina de titanio hacia la parte interior del troquel.
PROCESOS TECNOLÓGICOS DEL TITANIO Pulvimetalurgia:
La pulvimetalurgia o metalurgia de polvos es un proceso de fabricación que, partiendo de polvos finos y tras su compactación para darles una forma determinada (compactado), se calientan en atmósfera controlada (sinterizados)para la obtención de la pieza. La pulvimetalurgia del titanio se utiliza para la fabricación de piezas complejas de espesores muy pequeños. Otros procesos son la extrusión, mecanizado, fresado químico o rectificación de precisión.
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Productores Mundiales de Oxido de Titanio
El titanio es el noveno elemento más abundante en la corteza terrestre (supone el 0,63% del peso total). Sin embargo, en la naturaleza siempre se encuentra unido químicamente a otros elementos, formando minerales en los que la fracción de titanio suele ser pequeña. De todos los minerales de titanio, solo el rutilo y la ilmenita son explotables económicamente y esto sólo cuando la concentración de titanio es suficientemente alta. Existen depósitos significativos de titanio en forma de ilmenita en Australia occidental, Canadá, Nueva Zelanda, Noruega y Ucrania. Se extraen grandes cantidades de rutilo en Norteamérica y Sudáfrica. Las reservas conocidas de titanio se estiman en unas 600 millones de toneladas (expresadas como TiO2).
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Titanio y Toxicidad
El titanio tiene un nivel bajo de toxicidad y no es cancerígeno. La sobreexposición al polvo de titanio puede ocasionar dolor en el pecho, tos o dificultad para respirar. En contacto con la piel o los ojos puede generar irritación .
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