Resea Histrica

El aluminio es un metal abundante en la corteza terrestre. Con un contenido

medio del 8% es el tercer elemento despus del oxgeno y silicio, y, en la
actualidad, el de mayor consumo de los metales no frreos.

Es un metal moderno; sus propiedades intrnsecas: baja densidad, alta

conductividad trmica y elctrica, bajo punto de fusin y buenas propiedades
mecnicas cuando se usa aleado; su agradable aspecto y capacidad de ser
coloreado y pulido; su maleabilidad y autopasivacin; y su prctica inocuidad, son
tan notables que han hecho posible su creciente aplicacin en diversas industrias:
transportes areo y terrestre, la conduccin de corriente elctrica, la fabricacin de
perfiles y estructuras para construccin, y la elaboracin de envases.

Su tecnologa de fabricacin tiene hoy los mismos principios que hace un siglo
(1886), cuando se presentaron las patentes del proceso Hall-Hroult.

El anlisis de los alumbres puso en evidencia la existencia de una base que se

denomin almina (siglo XVIII).

El sodio y el potasio metlicos se pudieron obtener por electrlisis de sales

fundidas en las experiencias de H. Davy, una vez inventada la pila elctrica por
Volta en el siglo xix. Davy fracas en su intento de obtener el aluminio metlico
puro; sin embargo, ya intuy que, de la electrlisis de ciertas sales de aluminio, se
podra obtener lo que l denomin alumi- nium.

Fue probablemente H. C. Oersted el que produjo, por primera vez, aluminio

metlico a partir de la reduccin del cloruro de aluminio con una amalgama de
potasio, aunque la obtencin del metal se atribuye a F. Wohler el cual redujo
cloruro de aluminio con potasio en un crisol. La produccin industrial del metal no
se consigue, sin embargo, hasta que St. Claire Devi- lle logra producir el aluminio
por reduccin de un cloruro de sodio y aluminio (NaAlCl4) con sodio, abaratando
los costos de fabricacin, hecho que sucede en 1854. A pesar de todo, a
comienzos de 1870 slo se haban obtenido por este procedimiento algunos
kilogramos de metal a un precio desmesurado.

Hubo tambin intentos de electrolizar las sales cloruros de aluminio y cloruro de

sodio con electrodos de grafito pero el proceso no fue rentable ya que an no se
haba inventado la dinamo. Fue precisamente este hecho, que se produjo en 1867,
el que

coadyuv a la produccin industrial del aluminio por el mtodo actual: la

electrlisis de la almina en baos fundidos de criolita. C. M. Hall y P. L. T. Hroult
presentaron simultneamente sus patentes en Estados Unidos y Francia en 1886,
y los procesos industriales basados en las mismas constituyen los cimientos de las
industrias americana y europea del aluminio.

Este proceso, sin embargo, no habra llegado a desarrollarse tan rpidamente si,
adems del descubrimiento del generador de corriente continua de alto amperaje,
no se hubiera producido la puesta a punto del proceso por el que se obtiene la
almina a partir de las bauxitas, rocas compuestas por hidrxidos de aluminio, que
se debe a K. J. Bayer y que fue patentado en 1889.

En el tiempo transcurrido desde entonces se estudiaron gran cantidad de

procesos alternativos que pretendan bien aprovechar otras menas distintas de las
bauxitas o bien obviar el proceso Hall-Hroult o, ambas cosas a la vez. En la
actualidad, se tiene la idea clara de que el tndem Proceso Bayer-Proceso Hall-
Hroult para la obtencin del aluminio, no ser abandonado, al menos, en los
prximos treinta aos. Las razones que se pueden aducir confirmando este aserto
son las siguientes:

- Existen suficientes reservas de bauxita.

- El proceso Bayer est ya muy perfeccionado, habiendo bajado mucho su

consumo energtico. No tiene competidor para obtener almina.

- El proceso Hall-Hroult ha evolucionado hasta lmites insospechados de

productividad, con un bajo consumo energtico y un control estricto de la
contaminacin.

- La calidad del metal de primera fusin es excelente.

- El proceso industrial de electrlisis de cloruro de aluminio, de bajo consumo

energtico, presenta ciertos inconvenientes: la obtencin de cloruro anhidro es
cara y se producen graves problemas de corrosin y contaminacin por el cloro
gas desprendido.

- La demanda del aluminio ha ido creciendo de una forma importante debido a

las propiedades intrnsecas mencionadas y al abaratamiento de los costos de
produccin.

En la figura 3.1 se presentan las producciones y precios de la bauxita, en la 3.2

las producciones y pre

cios del aluminio de primera fusin, y en la 3.3.a la evolucin de los consumos

de este metal. Cabe destacar el incremento casi exponencial de producciones y
consumos hasta 1980, ao en el que se produjeron 16 Mt de aluminio primario. A
partir de aqu, los consumos bajan o se estabilizan creciendo de nuevo en

1986 para estabilizarse de nuevo en 1990. El cuadro 3.1 contiene datos de

producciones, precios, amperaje de las instalaciones de reduccin y consumo de
aluminio durante el presente siglo. En el cuadro 3.2 y en la figura 3.3.b se observa
la distribucin del consumo de aluminio por sectores.
 En el ltimo cuarto de siglo, la produccin de metal sufri diversos avatares:
desde la crisis del petrleo en los setenta, hasta la sobreproduccin por arranque
de instalaciones nuevas, principalmente en Amrica del Sur y Australia, que
produjo un exceso de metal primario no absorbido hasta bien entrados los aos
noventa. La cada de la antigua URSS produjo una

inestabilidad econmica que llev a los pases de esta regin a deshacerse de

sus enormes reservas estratgicas lo que descompens el mercado. Solamente la
intervencin internacional logr llevar, mediados los noventa, la produccin y la
venta del metal a un equilibrio de forma que el mercado aparece muy prometedor
en el final del siglo.
 El precio del metal, que alcanz dos mil dlares por tonelada en 1988, tiende a
estabilizarse actualmente en torno a los 1.600 $.

Las tendencias apuntan hacia moderados incrementos del consumo segn el

desarrollo de los pases; se habla de un aumento del 4% anual hasta finales de
siglo, pero una poltica de potenciacin de los pases en vas de desarrollo puede
acrecentar a posteriori las producciones mundiales. A pesar de que el gran
crecimiento de la produccin se debi, en gran parte, al papel sustitutivo del
metal, en este momento, la competencia de otros materiales ha frenado la
expansin lo que amortigua el crecimiento del consumo en los pases ms
desarrollados.

La aludida competencia que tiene el aluminio, fundamentalmente en construccin,

debido a la presencia de polmeros reforzados, fibras de carbn, etc., donde la
resistencia y el bajo peso son decisivos, no hace temer un efecto importante en los
consumos de metal pues la falta de otras propiedades de estos otros materiales o
compuestos, como el uso a temperaturas ms elevadas que la ambiente, o incluso
la baja conductividad trmica y elctrica, puede llevar a que la cota de sustitucin
sea pequea.

Propiedades Fsicoguinqumicas Del Aluminio

El aluminio tiene importantes propiedades fsicas y qumicas. De ellas, se pueden

deducir y justificar los mtodos de obtencin, las tecnologas de manipulacin, el
tipo de metalurgia, las aplicaciones, la economa, etc.

Propiedades fsicas

A continuacin, se indican y comentan las propiedades fsico-qumicas ms

relevantes del metal:
 Sus puntos de fusin y ebullicin tan distantes garantizan una manipulacin del
metal fundido con unas mnimas prdidas por volatilizacin.

De estas propiedades, se puede colegir que el aluminio es un metal ligero, con

conductividad trmica elevada y una conductividad elctrica del orden del 60% de
la del cobre. Es el metal con mayor parmetro en cuanto a la relacin
conductividad-densidad. Adems, es un metal de toxicidad muy baja o al menos
no detectada en sus aplicaciones dentro de las industrias alimentaria y mdica; en
este sentido, el incremento de aluminio en los alimentos debido al uso de
utensilios, contenedores o cacerolas es extremadamente bajo, no aumentando
sustancialmente el contenido propio de los alimentos conservados o cocinados.

El aluminio puro es blando pero adquiere magnficas propiedades mecnicas

aleado con otros metales, como el cobre, magnesio, silicio, manganeso y litio, en
cantidades relativamente pequeas.

El aluminio y sus aleaciones con magnesio o litio permiten la construccin de

piezas ligeras resistentes, ideales para las industrias aeronutica y aerospacial. Las
aleaciones con silicio son utilizadas fundamentalmente en la fundicin (tanto por
gravedad como en la inyectada) de distintos componentes para la industria del
automvil, en donde el bloque motor, por ejemplo, se ha aligerado
sustancialmente. El cobre comunica al aluminio buenas propiedades estructurales.
La cota de utilizacin en la industria del automvil sigue creciendo y en algunos
pases supera los 150 kg por unidad.

El bajo punto de fusin permite su manejo con bajos costos energticos aunque,
por otra parte, limita sus aplicaciones en componentes que se puedan

calentar por encima de 450C; este hecho condiciona las aplicaciones de

aluminio en las turbinas de gas a pesar del desarrollo de aleaciones con elementos
de transicin y tierras raras que incrementan ms de 100C su temperatura de
utilizacin cuando las piezas se fabrican a partir de polvos solidificados a alta
velocidad.
 El aluminio puro se utiliza en la fabricacin de papel de aluminio, piezas para
embellecedores o hilo para la conduccin elctrica. Su capacidad de pulido le hace
aconsejable para la construccin de reflectores de luz. El aluminio no tiene
propiedades magnticas. Por ltimo, sus aleaciones no presentan graves
problemas de soldadura desde que se desarrollaron los procesos en atmsfera de
gases inertes; an as, las estructuras para aeronaves se remachan.

Propiedades qumicas

El aluminio Al13 se encuentra situado en el grupo IIIB del sistema peridico con
la configuracin electrnica siguiente: ls2 2s2 2p6 3s2 3p'. Los electrones de
valencia son los de los niveles 3s2 y 3pJ y el valor de la carga del ion es +3,
cuando cede dichos tres electrones, lo que produce el ion Al3+. Este ion se
compleja en agua hidrolizndose y produciendo los iones [A1(H20)6]3+,
[A1(H20)5(OH)]3+ y H+, por lo que las soluciones acuosas de las sales de
aluminio dan reaccin ligeramente cida.

El alto potencial de reduccin E (298 K) = -1,67 V hace que se oxide

superficialmente; sin embargo, la capa es muy delgada -algunos nanmetros -,
densa y compacta lo que evita la posterior oxidacin del metal autoprotegindose
de forma natural. A veces, se incrementa artificialmente el grosor de esta capa de
xido mediante el proceso electroltico de anodizado, lo que hace la proteccin ms
duradera. As, el metal se encuentra protegido de la oxidacin del aire y el agua
pero ciertos cidos, en concentraciones dbiles o soluciones salinas,
particularmente los cloruros, producen corrosin al destruir la capa protectora que
se transforma en sal hidratada. El deterioro de la misma hace progresar el ataque
corrosivo no siendo efectiva la autopasivacin. La superficie del aluminio se puede
colorear en el anodizado y pintar o lacar posteriormente.

El aluminio, que no reacciona con el aire a temperatura ambiente, lo hace a

800C dando almina y nitruro de aluminio. En caliente (1.000C), el alumi

nio reacciona con el carbono dando carburo de aluminio, A14C3. Con nitrgeno,
a alta temperatura, se produce nitruro de aluminio, A1N, compuesto de gran
inters tecnolgico en el campo cermico; y con azufre, se obtiene el sulfuro,
A12S3- Tambin reacciona con los halgenos, ms fcilmente en caliente,
produciendo el halogenuro correspondiente.

El aluminio en polvo reacciona al hacer una mezcla ntima con diversos xidos
metlicos (de Fe, Mn, Cr, Ni, Si, Ti, etc.) con gran desprendimiento de energa. El
proceso recibe el nombre de aluminotermia y, una vez iniciado, el calor que se
produce automantie- ne la reaccin. Se utiliza particularmente para obtener
metales o aleaciones exentos de carbono.

Las reacciones con los cidos clorhdrico y sulfrico producen las sales
correspondientes con desprendimiento de hidrgeno. El cido ntrico, sin embargo,
no reacciona con el aluminio metal por su carcter oxidante. Las bases sosa y
potasa, en solucin acuosa, reaccionan con el metal produciendo el aluminato
correspondiente.
 Entre los compuestos ms caractersticos del aluminio -descritos con detalle al
hablar de sus menas: los hidrxidos y silicatos naturales- est la almina, A1203.
Se trata de un slido blanco con diversas formas cristalinas. En la naturaleza, se
encuentra como corindn siendo el rub y el zafiro sus dos variedades coloreadas y
preciosas.

Los hidrxidos naturales son: gibbsita, boehmita y disporo, trihidrato la primera

y monohidratos las otras dos. El hidrxido sinttico, obtenido a partir de los
aluminatos alcalinos por dilucin, se denomina bayerita y corresponde bastante
bien a la gibbsita natural; el hidrxido precipitado de disoluciones acuosas de sus
sales (sulfatos, etc.) se denomina hidrargillita, siendo igualmente un trihidrato.

El cloruro de aluminio -sal importante en procesos alternativos al Hall-Hroult-

se obtiene por reaccin, con el cloro o el cido clorhdrico, del metal o su
hidrxido; tambin se puede obtener a partir de la almina al reaccionar con cloro
gas en presencia de carbono a alta temperatura. Los dems halogenuros, de igual
forma, se pueden obtener por reaccin del cido correspondiente con el metal o su
hidrxido.

Menas De Aluminio

La abundancia del aluminio en la corteza terrestre podra hacer creer en un

nmero elevado de yaci-

mientos explotables para su obtencin. Muy al contrario, las menas de aluminio

suponen una cantidad bastante pequea de toda la masa de materiales aluminosos
de dicha corteza.

Se puede resumir la tipologa de los distintos yacimientos de aluminio como

sigue:

- De alteracin. Este tipo lo constituyen principalmente las bauxitas, nombre que

procede de la regin francesa de Les Baux. Su composicin aproximada es la
siguiente: 40-50% de A1203; < 20% de Fe203, y 3-10% de Si02.

- Hidrotermales. Destacan, fundamentalmente, en este grupo las alunitas

(aAl3(S04)3 (OH)6), que llegan a tener hasta el 37% de A1203.

- Magmticos. Lo constituyen las rocas aluminosas, como las sienitas, nefelinas

y anortositas, que contienen ms del 20% de A1203.

- Metamrficos. Son los silicatos de aluminio, tales como la andalucita,

sillimanita y cianita, que pueden tener contenidos importantes de aluminio.

- Detrticos. Son los depsitos de caoln y diversas arcillas (incluso los esquistos
carbonosos). Pueden llegar a tener leyes del 32% de A1203.

Las bauxitas
 La bauxita es un material terroso, en algunos casos ms consistente, de color
rojo pardusco, gris pardo o amarillento, y est constituida por una mezcla de
hidrxidos de aluminio: gibbsita, boehmita, disporo, y otros minerales como las
arcillas, la slice, el cuarzo libre, los hidrxidos y xidos de hierro, el rutilo, etc.

Prcticamente, las nicas menas de aluminio son las bauxitas dado que sus
reservas y contenidos en A1203 no hacen rentable la produccin de ese metal a
partir de los restantes materiales procedentes de otras tipologas de yacimientos.
Las alunitas se han explotado en pases del Este, as como las nefelinas. Las
anortositas se explotaron en los pases nrdicos y la investigacin de su
aprovechamiento se ha realizado tambin en los Estados Unidos y Canad. Los
caolines, arcillas, esquistos e incluso las cenizas de central trmica han sido objeto
de estudio para la obtencin de la almina o sus sales.

La gibbsita, trihidrato Al(OH)3, es a veces el mineral predominante; se presenta

en cristales agrupados o de aspecto terroso ms o menos compacto. Tiene

una densidad entre 2,37 y 2,42 gr cm-3. El contenido medio de aluminio en la

gibbsita es del 34,6%.

La boehmita, monohidrato AIO(OH), se presenta en cristales diseminados. Tiene

una densidad cercana a 3 gr cm-3 siendo el contenido de aluminio en este
mineral del 45%.

El disporo, a-monohidrato AIO(OH), aparece como cristales tabulares. La

densidad vara entre 3,2 y 3,4 gr cm-3. El contenido de aluminio es tambin del
45%.

Entre los minerales de la ganga que acompaan a los hidrxidos de aluminio se

pueden mencionar los siguientes: silicatos (cuarzo, Si02, y caolinita,
Al4Si4O10(OH)8); xidos (corindn, a-almina, goetita, H(Fe,Al)02, hematites, a-
Fe203, manganita, MnO(OH), hausmanita, Mn304, y rutilo, Ti02); carbonatos
(calcita, CaC03); sulfatos (alunita, KA13(S04)2(0H)6); sul- furos (pirita, FeS2).

Clasificacin gentica de las bauxitas

La formacin de todas las bauxitas est relacionada con los procesos de

meteorizacin superficial de los minerales silicatados producidos principalmente
durante los procesos gneos (intrusivos y volcnicos) o metamrficos (figura 3.4).
De aqu que las bauxitas participen de una tipologa particular entre los
yacimientos sedimentarlos y, ms concretamente, entre los clasificados como
residuales. En funcin de las condiciones de formacin cabe diferenciar dos clases
principales de bauxitas: a) Laterticas; y b) Krsticas.

El tipo de bauxita, y principalmente su composicin mineralgica, es el principal

factor determinante del tipo de proceso Bayer de lixiviacin y, por tanto, de su
economa dado que condiciona la adecuacin de la tecnologa y el
dimensionamiento de los equipos para la optimacin de los distintos pasos
implicados en el proceso.
 La distribucin geogrfica de los principales yacimientos de bauxitas -tanto
laterticas como krsticas- se muestra en la figura 3.5.

El Proceso Bayer

Antes de la invencin del proceso Bayer (1886- 1892), la almina se produca

por el procedimiento de Le Chatelier (1869). Segn dicho proceso, se mezclaba la
bauxita con carbonato sdico y se someta la mez-
 ca a calcinacin en un horno a 1.000-1.100C: proceso pirognico. Como
producto de reaccin se obtena aluminato sdico que se lixiviaba a 80C
consiguindose una disolucin de aluminio de la que, una vez saturada, se
precipitaba la almina por medio de C02 procedente del horno de calcinacin. Se
construyeron instalaciones de este tipo en Europa y Estados Unidos las cuales
suministraron cantidades importantes de almina, incluso bastante despus de
que se pusiera a punto el proceso Bayer. La base del proceso es:

El trihidrato filtrado se calcinaba a A1203 en un horno rotativo y a alta

temperatura (1.100- 1.200C). El Na2C03 se concentraba en los licores hasta que
precipitaba la sal, que se reciclaba o venda.

El problema de este procedimiento es que no slo se obtiene aluminato sdico

sino tambin silicato y titanato lo que produce impurificaciones del hidrato. Se
precisaban, pues, medidas ms o menos complejas para controlar esta
contaminacin.

Parece ser que las primeras plantas Bayer en Europa fueron las de Gardan,
Francia (1893) construyndose posteriormente otras en la misma Francia,
Inglaterra y Alemania. El tamao de las plantas Bayer no sobrepas, antes de
finalizar la Segunda Guerra Mundial, 100.000 Mg ao-1 y la almina producida
era la denominada floury, de alta temperatura de calcinacin (1.200C).

En Estados Unidos se inici la produccin de almina Bayer en 1903, en St.

Louis; la calidad de la almina era conocida como sandy y la planta de 20.000 Mg
ao-1. Posteriormente, se construyeron plantas, tambin, en Canad y Jamaica.

La capacidad de las plantas se increment hacia 1945 hasta los 200.000 Mg

ao-1, llegando en los 80 a alcanzar los 800.000 Mg ao-1. Amrica del Norte
(Estados Unidos y Canad), incluyendo sus plantas en Jamaica, ha producido 5
106 Mg ao-1 de almina sandy desde 1980 hasta nuestros das. Sudam- rica
ha pasado de 3 106 Mg, en 1980, a ms de 6 106 Mg en la actualidad.
Sudamrica exporta cantidades importantes a Estados Unidos: ms del 50% de su
produccin. En Europa se han construido cinco grandes plantas entre 1966 y
nuestros das; destacan San Ciprin en Lugo, Espaa, y Aughinish en Irlanda, con
capacidades nominales de 800.000 Mg ao-1 que pueden expandirse hasta 1,2
106 Mg ao-1.

Amrica ha incrementado su produccin de almina con las plantas de Jamaica y

Surinam y se acrecent ms con los proyectos de Venezuela y Brasil. Venezuela
lleg a la produccin de 5 106 Mg ao-1. El asentamiento de las grandes
compaas americanas, europeas y japonesas en Australia, en los grandes
yacimientos de bauxitas de Waipa y Gove, ha provocado que este pas se haya
convertido en el suministrador de sus propias plantas de reduccin y en exportador
de almina y bauxita a plantas asiticas, controladas en gran parte por tecnologa
japonesa. Tambin Estados Unidos y Rusia se suministran de Australia, que
produce en la actualidad ms de 35 millones de toneladas de bauxita y ms de 10
millones de toneladas de almina, siendo su produccin de metal inferior a los dos
millones de toneladas ao.

La produccin asitica de almina est en la actualidad en unos 5 106 Mg

ao-1, sobre todo en China e India (2 y 1,5 106 Mg cada una), y se va dejando
progresivamente entrada a las nuevas tecnologas, en particular a las japonesas,
por razones de inters politicoeconmico y de proximidad geogrfica.

Europa se suministra, aparte de sus propios yacimientos en Francia, Hungra,

Yugoslavia y Grecia, de los yacimientos africanos de la zona de Guinea. Las dos
plantas mayores mencionadas, en Espaa e Irlanda, se alimentan de bauxita de la
regin de Bok, en Guinea Ecuatorial.

La ubicacin de las plantas de almina requiere de un estudio de necesidades

propias, mercado y existencia o no de materias primas.

Los pases productores de bauxitas, fundamentalmente Amrica del Sur, Jamaica

y Australia, han propendido a instalar plantas Bayer en el entorno de los
yacimientos. En Africa, la poltica es todava poco proclive a este tipo de ubicacin,
aunque va cambiando lentamente.

Quizs, la tendencia futura sea la instalacin de plantas integrales, con

produccin de almina-aluminio y pretransformacin, siguiendo las directrices que
se exponen a continuacin:

- Poca distancia a la mina de bauxita.

- Poca distancia a la electrlisis-fundicin.

- Cercana de combustible y energa elctrica abundante.

- Cercana de reactivos (sosa, etc.).

- Mano de obra barata.

- Infraestructura adecuada.

- Puertos marinos de gran capacidad

Es muy difcil reunir todos estos requisitos pero parece que, en su conjunto o
parcialmente, predominarn frente a ciertos atractivos como las reducciones
fiscales o apoyos gubernamentales o bancarios.

Bases del proceso Bayer

Poco despus de las patentes del proceso Hall- Hroult, en 1889, K. J. Bayer
patenta el proceso de obtencin de la almina, cuyas bases se mantienen en la
actualidad. El proceso utiliza como materia prima las bauxitas y consiste, en su
digestin, en una solucin acuosa de sosa a alta temperatura. Las principales
operaciones y procesos se esquematizan en la figura 3.6. Los distintos
subprocesos del proceso Bayer son:

- La digestin de la bauxita molida en una disolucin de sosa concentrada en la

que se produce la reaccin siguiente:

mediante la cual se pasa a la disolucin el aluminio dejando como residuo slido

inatacado la mayora de las impurezas que le acompaan en la bauxita,
principalmente xidos de hierro y titanio.
 - La precipitacin del aluminio de la solucin rica, lo que se consigue por
enfriamiento y dilucin de aqulla. La precipitacin del hidrxi- do se favorece
mediante la siembra. La reaccin es la siguiente:

El hidrato que precipita es siempre el trihidrato, independientemente de que, en

la bauxita, el aluminio se encuentre como monohidrato (boehmita y disporo) o
trihidrato (gibbsita). El producto precipitado se denomina hidrargirita, bayerita o
gibbsita. El trihidrato, una vez separado, se seca y calcina segn la reaccin:

obtenindose el producto que alimentar las cubas de electrlisis.

El proceso requiere un volumen muy grande de tanques pues se procesan

muchos miles de metros cbicos de pulpas y disoluciones. Las instalaciones de
molienda y de digestin, los reactores, la central de vapor, los equipos de
espesado y decantado, filtrado, lavado y calcinado, hacen que una instalacin
actual, que produce entre 500.000 y 106 Mg de almina, tenga unos importantes
gastos de primera instalacin, que se pueden estimar en el entorno de los 500 $ la
tonelada instalada, y una alta dependencia energtica, en el entorno de los 20 GJ
por tonelada de almina, que puede suponer la mitad del coste de produccin. La
alta dependencia energtica ha hecho que las plantas Bayer, que en los aos 50
tenan una capacidad de 100.000 Mg

ao-1, se construyan en la actualidad para producir 106 Mg ao-1. La figura 3.7

representa la variacin del consumo energtico en los ltimos 25 aos. El
crecimiento de las plantas Bayer queda reflejado en la figura 3.8 (a y b) que
representa el incremento de produccin y el aumento de volumen de los
digestores.

a) La slice soluble

Se considera slice soluble aqulla que se introduce con la bauxita en el proceso

en forma de caolinita. Este mineral arcilloso es atacado con facilidad a las
temperaturas de digestin del proceso Bayer, incluso de baja temperatura.
Cuando, por imperativo del tipo de hidrato o hidratos presentes en la bauxita
(boeh-
 mita o disporo), se utilizan temperaturas en el entorno de los 240C tambin es
atacada la slice del cuarzo. Las reacciones que se producen son las siguientes:

La slice disuelta se precipita nuevamente sobre la pulpa en forma de un

producto insoluble denominado sodalita Bayer, segn la reaccin:

Esta precipitacin sobre los lodos rojos supone una clara prdida de sosa y de
almina y, si precipita en el circuito de conduccin de licores ricos, se produce un
encostramiento que llega a recubrir los conductos, inutilizndolos. Por esta razn,
un proceso Bayer no puede normalmente tratar menas con ms del 4-5% de slice
soluble, aunque se tenga prevista una desilificacin del licor.

Para eliminar la slice del licor, se puede adicionar cal en la propia molienda con
lo que se consigue, al menos, liberar el reactivo que queda atrapado en la sodalita:

La slice precipita en forma de silicoaluminatotri- clcico regenerndose el

reactivo. La almina ligada a este compuesto se pierde en los lodos rojos y puede
suponer el 30% del total.

b) Las impurezas en las bauxitas

Estudiado el comportamiento de la slice, se expone a continuacin el

comportamiento de otras impurezas en el proceso Bayer:
 - Titanio. El metal presente en las bauxitas (2-3%) se solubiliza y precipita como
NaHTi03 (meta- titanato sdico) produciendo prdidas de sosa. Esto se evita con
la presencia de cal (3-5% de la bauxita).

- Carbonatos. El contenido de carbonatos en las bauxitas puede llegar hasta 4%

de C02 en forma principalmente de CaC03. Los carbonatos se descomponen en la
digestin ligando las cantidades correspondientes de sosa. La cantidad total de
CC>32~ no suele exceder de 20 kg Mg_1 de almina. El carbonato sdico se
cristaliza como Na2C03 H20 de los licores y se causti- fica para devolverlo al
circuito.

- Componentes orgnicos. Principalmente, son los cidos hmicos que

acompaan a la bauxita; a veces, se producen al adicionar floculantes como la
harina. Una acumulacin excesiva de stos, como en el caso de los oxalatos,
puede generar

productos que distorsionen la precipitacin o presenten problemas en la

calcinacin. Con el hidrato cristalizan pequeas cantidades de oxa- lato que se
queman violentamente en el calcinador. Si exceden ciertos niveles* se produce la
rotura de la almina generando finos. El nivel de orgnicos en el licor es de 0,5-
1% del contenido en Na20.

- Azufre. Puede presentarse en la bauxita como pirita o como sulfatos. Aunque la

pirita casi no se altera en el proceso, los sulfatos pasan a la disolucin. Con
contenidos menores de 0,6% de S en la bauxita no se presentan problemas en el
proceso.

- Fsforo y vanadio. Los compuestos de estos elementos estn presentes en

pequeas cantidades en la bauxita (mximo: 0,6% de P205 y 0,1% de V2Os). Al
lixiviar se produce una disolucin parcial de los fosfatos y vanadatos. Si se
acumulan en exceso impurifican el hidrato. El fsforo queda parcialmente en el
lodo rojo si se usa cal. El vanadio se controla y recupera retirando disolucin del
circuito.

- Flor. Algunas bauxitas lo contienen en cantidades pequeas. Su

comportamiento en el proceso Bayer es similar al del fsforo o se precipita como
fluorita, con cal, o como NaF en la cristalizacin del vanadio.

- Galio. El contenido en las bauxitas es del orden de 0,05-0,20 kg de Ga203 por

Mg de A1203. La mayora se extrae en la digestin y se acumula en la disolucin
hasta alcanzar 0,8-1 kg Ga203 por tonelada de almina.

El proceso industrial

El proceso Bayer industrial no es un proceso nico: puede decirse que existen

tantos procesos Bayer diferentes como tipos especficos de menas hay. A grandes
rasgos, una primera clasificacin de las menas llevara a dos tipos distintos de
procesos Bayer: de baja temperatura y de alta temperatura. El primero trata
bauxitas de naturaleza principalmente gibbsti- ca y el segundo trata bauxitas de
alto contenido en el monohidrato. El mayor o menor contenido en slice y otras
impurezas hace tambin que se realicen cambios en las composiciones de
reactivos (aditivos), temperaturas de ataque, separacin de impurezas,
rendimiento, etc.

Las distintas operaciones y procesos unitarios (vase el diagrama de flujo de la

figura 3.6) son los siguientes:

Molienda de la bauxita y preparacin de la pulpa.

Digestin de la pulpa y aprovechamiento (intercambio) del calor.

Decantacin, lavado de lodos rojos y clarificacin del licor.

Precipitacin del hidrato.

Clasificacin y lavado del hidrato.

Calcinacin.

Cabe destacar las siguientes caractersticas del proceso:

Consumo energtico.

Parmetros de marcha y consumos especficos.

a) Molienda de la bauxita. Preparacin de la pulpa

La bauxita procedente del yacimiento se deposita en un parque a la intemperie

para su homogeneizacin.

Una vez conseguido esto, y con bajos contenidos de agua, se somete a la

operacin de trituracin. El tamao inicial puede ser importante pero a la salida de
la trituracin su tamao es menor de un centmetro. La mena pasa a las tolvas de
alimentacin de los molinos de barras y bolas en los que se lleva a cabo la
molienda en hmedo con el licor gastado caliente. La pulpa as obtenida, se muele
a tamaos entre 300 pm y 2 mm. A continuacin, pasa a una serie de tanques de
retencin en los que se homogeneiza y se mantiene caliente y en suspensin
mediante la inyeccin de vapor.

b) Digestin de la pulpa. Aprovechamiento energtico

Las plantas modernas tienen tres digestores en serie, verticales, generalmente

provistos de agitacin (figura 3.9). En estos equipos, que en las plantas grandes
pueden tener una capacidad de 500 a 1.000 m3, se alimenta la pulpa utilizando
bombas especiales, y se le aade licor de retorno ajustando el contenido en sosa
de forma que se obtenga a la salida una relacin almina/custico de 0,60-0,68 g
de A1203 /g de Na2COr La temperatura de
 proceso es funcin de la tipologa de las bauxitas. Si la bauxita es gibbstica es
del orden de los 145C y la presin est en el entorno de los 4 kg cm"2; si, por
el contrario, la bauxita es del monohidrato (boehmtica o dias- prica), la
temperatura necesita alcanzar los 250C, con una presin cercana a los 40 kg
cm-2.

El tiempo de digestin, si las bauxitas estn prede- silicificadas, es de media

hora. Si la eliminacin de slice se hace en el propio digestor, se utilizan mayores
tiempos de reaccin (60 minutos, por ejemplo).

Los bajos costes trmicos que tiene hoy el proceso Bayer son debidos, en buena
parte, a un diseo conveniente de los recuperadores del calor de la pulpa para
calentar los licores de retorno. Cuando la pulpa digerida y evaporada alcanza los
100C, se transfiere a la seccin de separacin de lodos.

Un parmetro importante de la planta Bayer es su productividad, que se

determina conociendo la cantidad, en gramos, de almina producida por litro de
licor.

c) Parmetros principales de las plantas Bayer

Se recogen, en el cuadro 3.3, algunos ejemplos, no exhaustivos, de datos de

funcionamiento tpicos de plantas de baja y alta temperatura.

d) Decantacin y lavado de lodos rojos. Clarificacin

 del licor

La pulpa que proviene de la digestin, despus de todos los pasos de

recuperacin trmica, ya diluida, se somete a la separacin de los lodos y arenas
que contiene (figura 3.10).

Las arenas se separan en un clasificador tipo hidro- cicln. Una vez lavadas, se
pueden utilizar posteriormente para cierto tipo de filtros (partculas entre 350 y
175 pm). Los limos se sedimentan en unos decantadores mediante la ayuda de
floculantes sintticos que se aaden en muy pequeas cantidades (algunos gramos
por tonelada de barro). Los ultrafinos se filtran.

Los lodos decantados, conteniendo alrededor del 25% de slidos, se envan por
bombeo al circuito de lavado de lodos. Este circuito funciona en contracorriente
dejando un producto denominado lodos rojos que se envan al correspondiente
embalse en el que se consolidan mediante ciertos aditivos.

e) La precipitacin de hidrato

La precipitacin espontnea del hidrato es difcil, incluso bajando la temperatura

del licor hasta los 75C (figura 3.11). Se precisa, pues, de la siembra de cristales
de hidrato, generalmente fino y en cantidad controlada. De esta manera, se puede
conseguir la granu- lometra deseada. La reaccin de precipitacin es siempre la
siguiente:

El equilibrio de esta reaccin tarda mucho en alcanzarse, y el rendimiento en la

misma depende de varios factores. La velocidad de precipitacin, v, en g h1, se
puede formular as:
 donde K es un factor dependiente de la temperatura, S es la superficie inicial de
siembra por litro, c( es la concentracin de almina en un cierto tiempo t, y ce la
concentracin de almina en el equilibrio.
 En la precipitacin se propician unas condiciones que permitan obtener: la
mayor cantidad de hidrato de grano grueso, la mayor produccin de hidrato y una
textura de grano adecuado. Estas condiciones ms favorables son: temperatura
relativamente alta al comienzo de la precipitacin, que favorece la aglomeracin;
posterior enfriamiento para aumentar el rendimiento al mximo; tamao de
siembra adecuado, ya que influye en la superficie y en el nmero de ncleos;
trabajar con la mayor sobresaturacin de almina y sosa sin que se afecte la
calidad del producto; y tiempo ptimo, pues tiempos excesivamente largos
aumentan muy poco el rendimiento y bajan, sin embargo, la productividad.

En la figura 3.12 se representan las curvas de equilibrio, a distintas

temperaturas, mediante las cuales se pueden obtener las concentraciones de sosa
y almina en disolucin.

Se expone a continuacin el mecanismo de la precipitacin. En general, en todo

proceso de cristalizacin, se presentan tres etapas: nucleacin, crecimiento y
aglomeracin.

En el caso del hidrato, las condiciones industriales prcticas van dirigidas a

propiciar el crecimiento y la aglomeracin, y tienden a minimizar la etapa de
nucleacin. Se trata de evitar, en lo posible, producir una nucleacin secundaria
por rotura de cristales gruesos durante su manejo. El crecimiento se facilita
cuando hay cierto

grado de sobresaturacin. La aglomeracin se ve favorecida por: una relacin

almina/sosa elevada, altas temperaturas, poca siembra y poca destruccin de
flculos en el manejo de las pulpas de hidrato.

La granulometra del hidrato tiene unas distribucin determinada. Una almina

arenosa tpica tiene un tamao 50-55% mayor de 75 pm y un 0-1% menor de 20
pm:

Los granos del hidrato tienen la forma de poli- cristales aglomerados que
conservan cuando se calcinan y se produce la almina. Todas las sales disueltas en
el licor (Na2C03, Na2S04, NaCl, etc.) inhiben la precipitacin de la almina y por
ello la presencia de sales disueltas es favorable facilitando la separacin lodos-
licor.

Los principales contaminantes del hidrato, aparte de la sosa, son el Fe, Ti, Ca y
Zn, que precipitan casi en su totalidad con la almina, y tambin Si, V, P y F, que
slo lo hacen parcialmente.
 Se sabe que ciertas sales orgnicas, como el oxala- to sdico, adems de las
inorgnicas, pueden cristalizar entre los flculos o aglomerados de hidrato. El
control del contenido de todos los contaminantes se realiza por precipitacin de
sales clcicas o sdicas, en los lodos rojos, o por descargas y cristalizacin
forzada.

f) Clasificacin del hidrato

En las plantas de almina Bayer tradicionales, la precipitacin se llevaba a cabo

en forma discontinua (figura 3.13). La precipitacin en doble paso supone la
separacin de dos tipos de germen: el grueso y el fino. El germen grueso sirve
para nuclear el producto final y el fino para producir germen grueso.

Las tendencias en los ltimos aos han evolucionado hacia la precipitacin

continua, la cual utiliza numerosos tanques. En los tanques de cabeza (70C) se
aade hidrato fino, y en los intermedios (50C) se aade germen grueso.

La uniformidad de marcha en el circuito de precipitacin es esencial para llevar a

cabo una buena operacin que conduzca a la obtencin de un hidrato de
granulometra correcta, a la vez que se consigue una alta productividad. Los
parmetros que controlan la operacin son:

La temperatura de la pulpa de germen fino y su punto de adicin.

La carga de germen grueso y su punto de adicin.

El recorrido del licor rico y su posible paso por los diferentes precipitadores.

El enfriamiento del licor despus del primer tercio de los precipitadores.

El hidrato se clasifica en tanques de sedimentacin de dimetros crecientes que

permiten separar el
 hidrato en tamaos: grueso (producto al calcinador), medio (ncleos de germen
grueso) y fino (germen fino). El hidrato grueso para calcinar precisa ser lavado del
licor que arrastra. Se hace en filtros horizontales con agua de condensado.

g) Calcinacin

El hidrato lavado, con 12% de agua, se somete a secado y calcinacin. El secado

se consigue aprovechando los gases calientes del calcinador. Una vez seco el
slido, se calcina a alta temperatura (900-1200C) en un horno. De esta forma, se
obtiene el producto final: la almina, Al O . La reaccin es la siguiente:

El producto final es funcin de la temperatura y del tiempo de calcinacin. Si la

temperatura es alta, 1.200C, se obtiene almina, mayoritariamente, a. Si la
temperatura es baja, 1.000C, se obtiene almina y. Hoy se prefieren alminas
con contenidos mayoritarios en almina y porque tienen capacidad de quimisorber
los gases fluorados. Adems, la almina es fluyente, se dosifica y se disuelve
mejor en los baos de electrlisis.

Como tecnologas de calcinacin hay, fundamentalmente, dos: horno rotativo y

lecho fluido (figura 3.14).

El horno rotativo se usaba inicialmente para producir almina a, y en la

actualidad se ha adaptado para obtener almina y. Este tipo de horno es muy
parecido a los hornos de cemento. Los hornos de lecho fluido producen almina
bastante uniforme, de caracterstica arenosa y con alto contenido en fase y.
 La recuperacin del calor de los gases del lecho, que se utilizan en el secado del
hidrato, hace que estos hornos hayan bajado el consumo trmico de 5.400 a 3.000
MJ (Mg de A1203)_1.

El grado de calcinacin de la almina se puede conocer mediante la identificacin

de los tipos de almina presentes, que se hace por difraccin de rayos X.

Consumos y rendimientos de una planta Bayer

El consumo energtico depende, pues, de la planta y del tipo de bauxita. Un

valor aproximado para una planta moderna es de 15.500 MJ (Mg de A1203) 1 y
unos 250 kwh (Mg de A1203)_1.

Los consumos energticos del proceso Bayer son de 3,2 Mg de vapor de 7 kg

cm2 y 180-250 kwh (Mg de A1203)_1, si es de baja temperatura, y de 2,0 a 2,8
Mg de

vapor de 52 kg cm"2 y 250 kwh (Mg de A1203)-1, si es de alta. En ambos

casos, hay que aadir el coste de la calcinacin: 5.000 MJ (Mg de A1203)_1 en
horno rotatorio o 3.300 en lecho fluido.

Otros parmetros y consumos de las plantas Bayer se presentan en el cuadro

3.4.
La Almina Metalrgica Y Su Caracterizacin

El producto final del proceso Bayer es la almina metalrgica. Tradicionalmente,

las especificaciones de la almina fueron: su anlisis qumico, con el fin de
garantizar la pureza del metal (todo metal ms noble que el aluminio le impurifica
en la reduccin y los menos nobles cambian las caractersticas del bao) y su
ngulo de talud. El ngulo de talud informaba al comprador de las propiedades de
la almina en cuanto a su grado de calcinacin. Se hablaba de almina harinosa,
muy calcinada y de alto contenido en almina a, y de almina arenosa, poco
calcinada y con contenidos de almina a menores del 10%.

Para tener en cuenta, en relacin con el uso de la almina, la posible formacin

de lodos catdicos y lo costras, y la captacin de flor, las definiciones harinosa y
arenosa no eran suficientes y se lleg a la conclusin de que las propiedades
inmediatas que mejor caracterizaban a estos dos tipos de alminas eran: el
contenido en almina a, la medicin de la superficie especfica (B.E.T), la prdida a
la calcinacin (M.O.I y L.O.I) y el contenido en finos (% < 45 pm). La superficie
especfica informa de la capacidad de adsorcin de flor (quimisorcin) y la
prdida a la calcinacin indica la posible existencia de alminas intermedias
(almina y), que son las que fijan el flor en su superficie.

Se definen hoy como alminas metalrgicas los compuestos intermedios, entre

los hidratos cristalizados de aluminio y la almina a, que se obtienen en el proceso
de calcinacin. Estas alminas constituyen las denominadas de transicin y se
engloban dentro de lo que se conoce, de forma general, como almina y.

Desde el punto de vista metalrgico, de una almina se requiere: buena

solubilidad en el bao electroltico; capacidad para formar una costra (almina +
bao) adecuada; buen aislante trmico; que acte como una barrera contra la
oxidacin andica; posibilidad de fijar el flor de los gases de la cuba; y constancia
en sus parmetros definidores. Ms all de lo anterior, no tiene mucho sentido
seguir incrementando los parmetros o propiedades que permiten caracterizar una
almina.

Es difcil establecer una relacin causa-efecto entre las distintas propiedades de

la almina y el comportamiento en las cubas de electrlisis de este producto. S se
ha podido observar, por ejemplo, que un alto

contenido en almina a parece agravar el problema de impurezas y formar placa

en el ctodo; los cambios de densidad aparente afectan a la cantidad dosificada en
los alimentadores puntuales volumtricos. Un alto contenido en humedad, e
incluso de gibbsita, produce una accin volcn en la alimentacin e incrementan
las prdidas de flor.

Los parmetros definidores de sus propiedades se exponen a continuacin.

Distribucin granulomtrica

Por tamizado, se determinan los tamaos menores de 45 pm y a veces los

menores de 20 pm. Los tamaos aconsejables para una buena disolucin de la
almina estn comprendidos entre los 45 y 100 pm.

Para conocer la degradabilidad de una almina por transporte hay un ensayo

especfico, ensayo de atricin, consistente en determinar las distribuciones
granulomtricas antes y despus de someter la almina a fluidificacin en un tubo.
Se ha estudiado la tendencia a formar polvo y se ha visto que est ntimamente
relacionada con el contenido de finos. Se sabe que el tamao de grano determina,
de forma clara, el tipo de costra formada. Tambin la disolucin de la almina se
ve afectada por la granulometra y de esta forma la tendencia a formar lodos,
reflejo de una mala disolucin, est en relacin con el contenido en finos.

Contenido en gibbsita o hidrato

La existencia en las alminas de una cantidad ms o menos alta de hidrato es el

resultado, fundamentalmente, de los nuevos procesos de calcinacin en lecho
fluido. Los tamaos finos pueden pasar por el calcinador, sin perder el agua,
principalmente debido a bajos tiempos de residencia en el lecho. Los agregados
(granos de almina) pueden haberse calcinado en la parte externa, pero pueden
tener un ncleo de hidrato. Estos granos mal calcinados son proclives a su
degradacin, generando finos.

La limitacin del contenido en gibbsita (hidrato) de la almina es absolutamente

necesaria para la buena marcha de la electrlisis. El contenido en gibbsita no debe
sobrepasar el 1%. Para una misma almina, el incremento en gibbsita se produce
en las fracciones finas.

Contenido de almina a en las alminas industrales

 La calcinacin del hidrato pasa por distintos estadios en funcin de la tcnica o
tecnologa de calcinacin (horno de laboratorio esttico, horno rotativo u horno de
lecho fluido).

Un factor determinante de la solubilidad de las alminas en los baos

electrolticos es el grado de calcinacin. Es ms fcil disolver una almina de baja
calcinacin, arenosa, que una fuertemente calcinada, harinosa. La naturaleza de
las costras y taludes, as como los depsitos de fondo catdico, tambin dependen
del tipo de almina. Las alminas con alto contenido en fase a dan costras dbiles
y depsitos catdicos duros; en cambio, las arenosas producen costras ms duras
y no forman, generalmente, depsitos catdicos endurecidos (placas).

Superficie especfica

Aunque conocida anteriormente, la propiedad que tienen ciertas alminas de

captar en su superficie los gases fluorados present gran inters en los aos
setenta, cuando se desarrollaron y extendieron los lavados secos de los gases
captados en las cubas. Esta propiedad es dependiente del tipo de alminas
presentes, en concreto, de la cantidad de alminas de transicin (alminas y). La
gibbsita, o hidrato, tiene una superficie nula. Son las alminas de transicin las
que tienen ms actividad superficial, o sea un B.E.T. mayor.

Parece, pues, que los polvos con partculas ms finas sern los ms activos. En
las alminas metalrgicas, los contenidos en gibbsita y en fase a pueden ser
relativamente altos. La superficie especfica (medida mediante el ensayo B.E.T.) no
slo informa del poder de fijacin de flor que tienen las alminas, sino tambin
del grado de calcinacin, de la temperatura de calcinacin y de las caractersticas
composicionales de las mismas.

Prdidas al fuego

Mediante este procedimiento se determina la disminucin de peso de las

alminas calcinadas. Existen en la almina metalrgica cuatro tipos diferentes de
agua: agua adsorbida fsicamente (es la humedad tal cual); agua quimisorbida
(relacionada con el contenido en hidrato); agua constitucional (es el hidrato
residual); y agua estructural (es el agua de red).

La almina de LOI elevado se disuelve bien, aunque su costra es ms dura;

tiene buen comportamiento en la captacin del flor de las cubas ocurriendo, en el
caso opuesto, los efectos contrarios. Sin embargo, un LOI elevado incrementa las
prdidas de flor. Este problema, sin embargo, en las cubas capotadas no tiene
una incidencia importante. En cualquier caso, el rendimiento en aluminio de las
alminas de LOI alto es ms bajo.

Densidad aparente

El valor de la densidad aparente no est directamente relacionado con la

composicin mineralgica de la almina; sin embargo, s guarda relacin con la
distribucin granulomtrica y, en particular, con el porcentaje de gruesos (> 100
pm) y el de finos. Presenta inters este valor como determinante del volumen de
almacenamiento para el transporte y en el diseo de sistemas de alimentacin.
Pero la influencia ms predominante la ejerce sobre la conductividad trmica de la
almina. Al compactar la almina se produce un incremento de la densidad y, por
tanto, de la conductividad. El orden de magnitud de la densidad aparente es de
1,01 a 1,07 gr cm3 para una almina arenosa.

Densidad real

Este parmetro es funcin del grado de calcinacin, aumentando en funcin de

ste. As, una almina muy calcinada tiene una densidad real elevada (>3,6 gr
cm3).Una almina arenosa tiene una densidad real del 3,25 gr cm-3. La
densidad real depende de la composicin mineralgica de la almina. Los valores
de densidades reales son: 2,433 g cm"3 para el hidrato y 3,933 g cm3 para la
almina a.

Especificaciones tpicas de la almina

A continuacin, se recogen las especificaciones tpicas de la almina:

Anlisis qumico: 50-100 ppm de Si; 100-200 ppm de Fe; 3.500-4.000 ppm
de Na; 200-300 ppm de Ca; 50-100 ppm de Ga; 5-80 ppm de

Zn; 15-20 ppm de Ti; 5-10 ppm de V; 5-10 ppm de P; y 1-5 ppm de Mn.

Anlisis mineralgico: >70% de almina a para la harinosa; y 10-20% de

almina a para la arenosa.

Granulometra. Dimetro medio: 40-60 pm; <45 pm: menos del 5%.

Densidad aparente: 1,02-1,07 g cm-3.

Densidad real: 3,7-3,9 g cm-3 para la harinosa; y 3,4-3,5 g cm-3 para la

arenosa.

Superficie especfica (B.E.T.): 55 m2 g"1 en la arenosa, 5 m2 g_1 en la

harinosa

Agua. Humedad (110C): 1-2% en la arenosa.

M.O.I. (300C) (hidrato residual): 1-1,5 en la arenosa; despreciable en la

harinosa. L.O.I. (300-1.000C): 0,5-0,6 en la arenosa; despreciable en la
harinosa.
 Tecnologa Del Proceso HallguinHroult

Gracias al desarrollo que han tenido las ciencias, tanto bsicas como aplicadas,
la metalurgia del aluminio ha pasado de ser un arte a ser una tecnologa. Este
hecho ha propiciado la obsolescencia de un sistema productivo que asentaba sus
bases sobre el empirismo y el esfuerzo humano. As, el taller de electrlisis (serie)
ha visto cmo la evolucin tecnolgica de las cubas de electrlisis ha exigido
nuevas formas organizativas del trabajo y nuevos mtodos de control del proceso.

En el contexto actual, los principios fsico-qumicos que han sido expuestos en el

apartado anterior constituyen el bagaje mnimo que se precisa poseer para
comprender el proceso de electrlisis de la almina. Su dominio constituye, por
tanto, el requisito previo al estudio de la tecnologa del proceso Hall- Hroult.

La cuba de electrlisis

La unidad elemental del proceso de obtencin del aluminio es la celda o cuba

electroltica. Tres son las partes constitutivas de la misma: nodo, electrlito y
ctodo (figura 3.28.).

La celda tiene un ctodo de carbn, horizontal, constituido por bloques

preformados unidos entre s y al revestimiento lateral por medio de la denominada
pasta de juntas, tambin de carbn. En su parte inferior, los bloques de carbn
llevan encastradas, bien sea mediante fundicin o mediante pasta de carbn, unas
barras de acero colectoras de la corriente. Sobre los bloques se sita una piscina
de aluminio lquido que, por tanto, est polarizada negativamente y cuya superficie
constituye la denominada superficie catdica efectiva.

El nodo, tambin de carbn, se encuentra suspendido a muy poca distancia de

la superficie del aluminio lquido.

Entre ambos electrodos existe un espacio de 4-5 cm denominado distancia

interpolar. La continuidad elctrica del circuito est garantizada mediante el
empleo de un electrlito de sales fundidas en el que la criolita es el compuesto
mayoritario, tal y como se vio en el apartado anterior.

Atendiendo al tipo de nodo, se distinguen dos familias de celdas o cubas de

electrlisis: a) las precocidas; y b) las Sderberg.

a) Cubas precocidas

El nodo de carbn crudo se cuece en un horno bajo condiciones controladas y

ste, una vez cocido,

se conduce a la cadena de sellado donde se realiza la unin de los conductores,

o patas, con el bloque de carbono. Los nodos as preparados se transportan al
taller de electrlisis donde se consumen. El conjunto andico est constituido por
nodos individuales como el que se observa en la figura 3.29.

Segn la forma en la que se realice la alimentacin de almina, se tienen las

cubas precocidas de picado lateral y las cubas precocidas de picado central.
Pudien- do ser, a su vez, de picado con barras o picado puntual.

b) Cubas Soderberg

El nodo de las cubas Sderberg (figura 3.30), que a diferencia del de las
precocidas, prcticamente ya no se construye, se forma por autococcin en la
propia cuba. Para ello, se aaden pastillas de coque y brea dentro de un recinto
delimitado por una envolvente metlica denominada coraza. La propia temperatura
del proceso origina la fusin, destilacin parcial de la
 brea y coccin de la pasta formndose el nodo cocido. La entrada de corriente a
la cuba se realiza por medio de unos conductores de acero, denominados agujas,
que se insertan en la pasta.

Tanto en el caso de las cubas precocidas como en el de las Sderberg, es

necesario proceder peridicamente, segn un ciclo preestablecido, a la sustitucin
de los nodos o de las agujas por otras a fin de evitar que el consumo andico
diario haga aparecer los conductores metlicos en la interfase nodo-electrlito.

c) Evolucin de las cubas de electrlisis

El diseo de las cubas de electrlisis ha evolucionado a lo largo de los ltimos

aos habiendo tanto aumentado su tamao como incorporado los avances del
desarrollo tecnolgico. Entre la cuba cuadrada de Froges del ao 1888, de 1-1,5
kA, que operaba a 3-4 A cm'2 y consuma 90 kwh kg~\ y las cubas modernas,
ya en funcionamiento, de 275 kA, 12-13 kwh kg-1 y 0,7 A cm-2, que
incorporan la regulacin individual del plano ano-

dico y la alimentacin central semicontinua, quedan toda una serie de

generaciones de cubas que se fueron mejorando a lo largo de los aos. En el
cuadro 3.1 se resume la evolucin de la capacidad y consumo especfico de
energa con el paso del tiempo.

Las figuras 3.31 y 3.32 son una muestra del gran cambio que han
experimentado las series de electrlisis desde principios a finales de siglo. En la
figura 3.33 se presenta el diagrama de flujo de una planta integral de produccin
de aluminio.
 La serie de electrlisis
 Las cubas de electrlisis estn conectadas en serie pudiendo agruparse de 140 a
260 cubas en una instalacin productiva (serie).

La corriente alterna que llega a la planta, a tensiones de 300-400 kV, se

transforma en corriente continua en subestaciones de rectificacin situadas en la
cabecera de las naves de electrlisis. La tensin total de las series oscila de 500 a
900 V, operndose a potencia constante.

Las cubas pueden estar conectadas por los extremos, segn el eje longitudinal
de las mismas (vase figura 3.34) o por los laterales (figura 3.35).

La organizacin del trabajo es modular, por tramos, dependiendo la misma del

grado de automatizacin y de la maquinaria de la instalacin.

El aumento de la intensidad de diseo de las cubas, hasta llegar en prototipos

hasta 400 kA, ha exigido la compensacin de los campos magnticos que se
originan ya que stos dan lugar a la aparicin de fuerzas electromagnticas que
alteran la superficie del metal ocasionando prdida de rendimiento de corriente. La
compensacin del campo magntico se realiza mejor cuando las cubas son de
nodos precocidos y estn dispuestas a travs (figura 3.35).
 a) Calefaccin y arranque de una cuba

La calefaccin es el proceso de calentamiento que ha de experimentar toda

cuba, nueva o reparada, antes de su puesta en electrlisis. Los objetivos que

se persiguen con la misma son la coccin de la pasta de juntas y la elevacin de la

temperatura a fin de limitar el choque trmico producido al aadir el bao. En el
proceso de calefaccin hay dos parmetros bsicos que se han de controlar que
son: velocidad de calentamiento y temperatura final. Entre los sistemas empleados
para realizar la calefaccin pueden destacarse la calefaccin elctrica mediante
coque, que consiste en disponer una capa resistiva de coque de unos centmetros
entre nodo y ctodo, colocar un shunt, que derive parte de la intensidad de la
serie, y poner la cuba en circuito. El proceso dura 24-48 horas.

Otro procedimiento es la calefaccin mediante quemadores. Consiste en el

empleo de mecheros de fuel para calentar la superficie del ctodo. Su duracin es
de 6 a 24 horas. Entre las ventajas apuntadas cabe citar su rapidez y la
uniformidad de la distribucin de temperatura obtenida.

b) Arranque

Una vez que ha concluido el proceso de calefaccin, la cuba est preparada para
su puesta en electrlisis o arranque. Normalmente, el arranque consiste en la
introduccin de bao lquido en la cuba, que es mantenida durante cierto tiempo
(2 horas) a una tensin superior a 10 V para fundir la criolita slida que se aporta.
Al cabo de unas horas de terminado el arranque, se procede a la introduccin del
metal en cantidad prxima al inmovilizado de la cuba. La citada introduccin del
metal se realiza entre 6 y 24 horas despus del arranque, como norma general.

Durante los primeros das de marcha, la tensin es superior a la normal y al

mismo tiempo disminuye el rendimiento de corriente debido a la alta temperatura.
En dos meses, la cuba funcionar correctamente.

Operacin de la cuba de electrlisis

a) Composicin del bao. Formacin de taludes

La composicin del bao ha de ser tal que, teniendo una buena solubilidad de
almina, maximice el rendimiento de corriente y permita trabajar a la temperatura
mnima compatible con la existencia del calor necesario para la disolucin de la
almina. Todo ello manteniendo un volumen lquido de bao suficiente para
procurar una buena inmersin del nodo (aproximadamente 10 cm).

La cantidad correcta se cifra, aproximadamente, en la mitad de la altura del

metal. Si no hay cantidad suficiente, la almina se depositar en el ctodo con
mayor facilidad.

La composicin, adems de favorecer el rendimiento de corriente y la

conductividad, debe facilitar la solubilidad de almina.
 Los baos son de criolita con un exceso de fluoruro de aluminio del 7-9% y con
un contenido de fluoruro de calcio del 6-4%. En casos especiales puede llegarse a
un 12% de AlFr

Los baos no convencionales, por ejemplo, aqullos en los que se adiciona

carbonato de litio, persiguen tanto disminuir los niveles de emisin de flor,
bajando la temperatura de fusin del electrlito, como, a la vez, un posible ahorro
energtico.

En cuanto a la temperatura, debe ser suficiente para mantener el volumen de

bao deseado con un perfil de talud correcto que, tal y como puede apreciarse en
la figura 3.36, presenta un punto de inflexin, o pequea zona plana horizontal,
que en la cuba de picado central (figura 3.37) no aparece.

Normalmente, en la formacin del talud intervienen dos procesos diferentes:

La solidificacin lenta del bao, o fusin del talud, en condiciones prximas a

las de equilibrio.

El depsito o fusin del bao solidificado alrededor de las partculas de

almina introducidas en la cuba.
La composicin del talud ser, por tanto, exce- dentaria en almina con respecto a
la que correspondera segn los diagramas de fase y, adems, contendr los
componentes minoritarios del electrlito: fluoruro de calcio y fluoruro de aluminio.

b) Picado y carga de almina

Por ser la electrlisis de la almina un proceso continuo, sta se debera

consumir a un ritmo constante sin solucin de continuidad. Por ello, sera desea-

ble mantener la concentracin de almina en el valor ptimo. Por tanto, lo ideal

sera aportarla al ritmo que se consume, lo que prcticamente se consigue en las
celdas de picado puntual de las ltimas generaciones de cubas precocidas. As, se
mantiene ms estable la concentracin de almina, hay una menor alteracin del
equilibrio trmico de la cuba, se produce una menor sedimentacin de almina en
el ctodo, el control de la frecuencia de embalajes es mejor y la estabilidad de los
taludes y de la altura de bao se garantizan.
 Los dispositivos mediante los cuales se logra el picado y la alimentacin de
almina puntuales se muestran en la figura 3.38. Dichos dispositivos actan de
acuerdo con las instrucciones recibidas por el sistema de control de proceso.

En cubas de gran tamao, aproximadamente de 200 kA, hay normalmente de 3

a 5 picadores puntuales que actan alternativamente introduciendo en cada
maniobra de 1 a 3 kg de almina.

En las cubas de picado lateral con tecnologa convencional se utiliza un martillo

rompecostras, operado desde un vehculo o puente gra, procedindose al picado
alternativo de los laterales cada cierto intervalo de tiempo (por ejemplo, cada 4
horas). Despus

de realizar un nmero de picados preventivos y alimentacin masiva,

comprendidos entre 3 y 6, se interrumpe la alimentacin hasta la aparicin del
embalaje. El embalaje o polarizacin andica constituye la prueba fehaciente de
que la concentracin de almina en el bao es inferior al 2% siendo, por tanto, la
seal esperada por el operador para reiniciar los mencionados picados preventivos.

La almina constituye un aislamiento trmico importante que ha de controlarse.

Como norma general, debe apilarse bien para favorecer las prdidas trmicas en la
zona de formacin del talud (figura 3.36).

El picado debe realizarse junto al nodo o placa de desgaste ya que es ah donde

existen las mejores condiciones de disolucin, en particular la temperatura
adecuada. La introduccin de almina en la cuba origina un descenso de la
temperatura de la misma. Las variaciones de temperatura son de entre 10 y 15C
por 100 kg de almina. Si se pretende obtener un rendimiento de corriente
mximo es aconsejable marchar a la temperatura mnima posible. De ah la
importancia que ha tenido el desarrollo de los sistemas de picado central-
semicontinuo que obvian las grandes variaciones de temperatura al introducir
cantidades de almina muy pequeas.
 La almina que no se disuelve tiende a formar depsitos slidos en la superficie
de los bloques de carbono llegando a alterar el paso de corriente en la cuba, que
debe ser de nodo a ctodo y lo ms vertical posible.

c) Cambio de nodos. Arranque de agujas

El consumo continuo del nodo, por oxidacin qumica y electroqumica,

disminuye su altura hasta el extremo de hacer necesaria la reposicin con otro
nuevo. La operacin se hace con un puente gra (figura 3.39).

El ciclo de reposicin de nodos y, en el caso de las cubas Sderberg, el ciclo de

arranque de agujas depende del tipo de nodo y de su tamao, variando

1/1 \r 01 rl o c

En las cubas de nodos precocidos en bloques se debe mantener un plano

andico uniforme.

d) Colada del metal

Para cada diseo de cuba existe una altura de metal ptima basada en el
equilibrio trmico y en la mag- netohidrodinmica del sistema. Como el metal se
produce continuamente, se precisa proceder a su extraccin para mantener un
nivel constante del mismo. Hasta el momento, la tecnologa no se ha desarrollado
lo suficiente como para proceder a la colada continua del metal debiendo realizarse
esta operacin, normalmente, cada veinticuatro horas por sifonado (figura 3.40).
 El sobrecalentamiento del aluminio, con respecto a su temperatura de fusin, es
del orden de 300C lo que asegura que se puede mantener lquido hasta su
transporte a la fundicin.

Parmetros de marcha

Toda serie de electrlisis, diseada con unas caractersticas especficas, tiene

unos parmetros de marcha que darn lugar a un coste mnimo. Estos parmetros
pueden ser variables en el tiempo ya que las condiciones econmicas varan. El
primer objetivo que ha de alcanzarse, por tanto, es determinar cules son los
citados parmetros una vez definidos los datos de partida, que son: costes de las
materias primas, energa, ctodo, mano de obra y servicios.

Existen cinco parmetros bsicos: intensidad, tensin, altura de metal,

composicin del bao y altura del mismo.

Igualmente, las materias primas, coque, brea y almina, influyen en el mismo y,

por tanto, condicionan los parmetros de marcha.
 Toda serie de electrlisis se disea para que marche a una intensidad
determinada. Es obvio decir que las variaciones de intensidad afectan a todas las
cubas de la serie. Cualquiera que sea la intensidad de marcha estndar, es un
parmetro que puede modificarse en funcin de las variaciones trmicas de la
serie. Sin embargo, las alteraciones de la intensidad han de ser un recurso in
extremis.

Se puede comprender que cada cuba tendr una tensin ptima que ser
funcin de sus cadas hmicas y del resto de componentes que constituyen la
tensin total de la misma. Las cadas hmicas son variables en el tiempo y aunque
los mtodos de control traten de detectar las desviaciones y corregirlas, hay
componentes, tales como la cada catdica, cuya constancia es imposible por ser
funcin, entre otros factores, de la vida de la cuba.

Una vez fijada la composicin del bao, la temperatura de marcha, la distancia

interpolar deseada y los valores medios de las cadas en lnea, andica y catdica,
se puede definir una tensin de regulacin base. La tensin, a diferencia de la
intensidad, es un parmetro modificable cuba a cuba y que, por tanto, tiene en s
mismo un potencial importante de ajuste de las desviaciones individuales. Una
posible va de desarrollo del proceso consiste en la utilizacin de la tensin como
parmetro regulador del equilibrio trmico de cada cuba individual.

La altura de metal es el regulador ms utilizado para el equilibrio trmico del

sistema. El metal de la cuba, adems, ejerce el papel de compensador de los
posibles efectos magnticos producidos al interaccionar, por razn de la inercia, las
componentes verticales del campo magntico con las horizontales de la corriente.
En cubas Sderberg, cuyo diseo y posibilidades son inferiores a las de las
precocidas, los efectos magnticos son ms importantes, por lo que se precisa
compensarlos con mayor altura de metal.

Cada cuba deber tener una altura de metal de consigna determinada en funcin
de sus condiciones particulares, la cual puede ser modificada para cada cuba.

La composicin del bao, tal y como se vio, influye sobre las propiedades
qumico-fsicas del mismo y, por tanto, debe fijarse la que se estime adecuada.

En funcin de las caractersticas de la almina debe ajustarse la temperatura de

marcha y la composicin del bao. En principio, para alminas que disuelvan mal,
se recomienda marchar algo ms caliente y reducir los aditivos al entorno de 6-7%
de A1F3 y 4% de CaF2, mientras que para alminas de mejores caractersticas
(10-15% Al203-a; 50-55 m2 g-1; 6-7% < 44 jLim; 0,4-0,6 LOI) puede
marcharse a menor temperatura con composiciones del orden de 8-9% de AlF3y
5-7% de CaF2.

En trminos generales, la altura de bao recomendada es la mitad de la altura

de metal para las cubas Sderberg y del orden de 15-16 cm para las precocidas.

La altura de bao, adems de influir sobre la disolucin de la almina -el bao es

el disolvente-, constituye tambin un elemento importante del balance trmico de
la cuba.
 Control del proceso

a) Regulacin de tensin por ordenador

La utilizacin del ordenador en una serie de electrlisis responde a la necesidad

de mantener bajo control la tensin de las cubas.

La filosofa del control reside en la comparacin de la seudo-resistencia real de la

cuba, medida por el ordenador, y la seudo-resistencia patrn que tiene definida
cada cuba. Esta seudo-resistencia patrn la determina el jefe de taller y puede ser
diferente para las distintas cubas de la serie.

La seudo-resistencia se calcula mediante la siguiente frmula:

donde R es la seudo-resistencia, V es la tensin total de la cuba, 1,65 V es la

fuerza contraelectromotriz de la cuba, considerada constante e igual para todas las
cubas e I es la intensidad de la serie.

Si la diferencia entre la resistencia medida y la patrn (R -R ) supera un

determinado valor previamente fijado, y que constituye uno de los parmetros del
sistema de regulacin, el ordenador enva una orden de movimiento del plano
andico en el sentido necesario para compensar la desviacin detectada actuando
sobre la cada hmica en el bao. Ahora bien, del anlisis de la expresin anterior
se deduce que cualquier variacin en la tensin total V ocasiona una variacin en R
, y que si la diferencia R -R es superior a la tolerada, se produce una variacin de
la distancia interpolar como consecuencia de la orden dada por el ordenador para
corregir la desviacin. Esto significa que el ordenador acta ciegamente, sin
discernir cul es la causa que produjo la desviacin de la tensin, lo que puede
llevar a tomar decisiones en el sentido opuesto al correcto. Por ejemplo, un
aumento de la cada andica ocasiona un aumento de la tensin y, en
consecuencia, el ordenador baja el plano andico para compensar el aumento de la
tensin. El resultado es una disminucin indebida de la distancia interpolar; por
ello, las rdenes deben ser filtradas.

En este momento, vuelve a ser oportuno repetir la importancia que tiene el

lograr una buena inmersin del plano andico en el bao ya que de no ser as
aumentar la cada en el contacto, se producir un incremento de la tensin, y el
ordenador bajar el plano andico disminuyendo la distancia interpolar.

El ordenador, adems de controlar la tensin de la cuba, permite asignar

tratamientos temporales compensatorios del incremento de tensin producido en
el arranque de agujas, o determinar el cambio de un nodo, o tratar las cubas
cuando se comportan con inestabilidad, o, en definitiva, disponer de cualquier
informacin de utilidad para la conduccin del proceso.
 Hoy da, se han desarrollado algoritmos para la toma de decisiones que permiten
la conduccin de la serie por individuos. El rendimiento de corriente ha subido
espectacularmente en las series con un control adecuado.

b) Controles de fabricacin

El proceso de electrlisis de la almina es, por naturaleza, multivariable y

presenta adems dificultades claras de toma continua de datos por la alta
temperatura y lo corrosivo del medio en el que se realiza. Por esto, ha de hacerse
especial nfasis en controlar los parmetros fundamentales.

Es necesario controlar: la intensidad, la altura de metal, la composicin del

electrlito, la cada andica y la cada catdica. En cubas Sderberg, la cota de
arranque de agujas debe ser objeto de un control especial.

El control de la colada individual es uno de los requisitos bsicos.

La medida de la temperatura mediante termopares de inmersin es una prctica

que permite detectar las cubas que se desvan claramente de su equilibrio trmico.
Sin embargo hay que hacerlo de manera fiable.

c) Seguimiento de ndices de marcha

La conduccin del proceso obliga a la toma de decisiones y para que stas sean
correctas se precisa disponer tanto de la informacin ptima como de un mtodo
de anlisis adecuado. La experiencia seala que los ndices de marcha bsicos son:
temperatura (su medicin en continuo es problemtica, pero determinante e
ideal), frecuencia y fuerza del embalaje, inestabilidad (perfil del talud) y cada
catdica. Finalmente, la medida en continuo de la concentracin de almina del
electrlito es deseable.

La cuba de electrlisis del futuro

En el siglo largo que ha transcurrido desde el descubrimiento del proceso Hall-

Hroult en 1886, se ha desarrollado un ingente trabajo de investigacin que ha
permitido avances espectaculares en la prctica industrial. Sin embargo, an
caben nuevos desarrollos que, alejndose de la solucin tecnolgica escogida
hasta ahora -aumento de escala de la unidad productiva-, den lugar a una cuba
innovadora y de mejores prestaciones. Se puede aadir que la cuba de electrlisis
tendra que reunir las siguientes caractersticas:

- La cuba debe electrolizar almina ya que es la materia prima que puede

purificarse de la manera ms econmica a gran escala.

- No tienen que producirse emisiones de las cubas que puedan ser perjudiciales
para los trabajadores ni para el medio ambiente. Esto implica que el gas andico
sea oxgeno, lo que exige nodos inertes.
 - La cuba debe poseer la mayor superficie de electrodos posible ya que al
trabajar a temperatura superior a la de fusin del aluminio (660C) las prdidas
trmicas son importantes en el conjunto del balance energtico. Esto apunta a las
celdas con mltiples electrodos bipolares.

- El metal debe estar mnimamente afectado por los campos magnticos lo que
exigira disponer de un ctodo de drenaje continuo.

- Para disminuir la distancia interpolar y mantener el rendimiento Faraday tan

alto como sea posible, ser preciso disponer de un diafragma o membrana
semipermeable.

- Optimar el electrlito en los tres parmetros bsicos, a saber: concentracin de

almina, temperatura y nivel de impurezas.

Fundamentos Cientficos Del Proceso HallguinHroult Para La Electrlisis

De La Almina

La investigacin bsica relacionada con el proceso Hall-Hroult experiment un

notable impulso en los aos 50. En esta dcada, se publicaron toda una serie de
trabajos, algunos de los cuales pueden calificarse de pioneros, como los de Rolin,
Pearson y Gijot- heim. Puede considerarse que durante la citada dcada se
pusieron las bases de una floreciente y prolfera investigacin bsica que, a no
tardar, cristalizara en resultados industriales.

Los aos 60 y 70 se caracterizaron por una estrecha colaboracin entre los

centros dedicados ala investigacin bsica y la industria. En la industria, el trabajo
de investigacin bsica llevado a cabo por los Dres. Haupin, Keller y Bell, de
ALCOA, Dewing y Hollingshead, de ALCAN, y tambin Nolan, y Richards, de
REYNOLDS, fueron muy meritorios.

El electrlito

El electrlito es el medio inico en el seno del cual se produce la electrlisis de la

almina. Dada la gran avidez del aluminio por el oxgeno en trminos termo-
dinmicos (alto valor negativo de la energa libre de formacin del xido de
aluminio), la electrlisis acuosa no es posible ya que se descompondra la molcula
de agua en lugar de la sal de aluminio disuelta, siendo por tanto absolutamente
necesario acudir a la electrlisis gnea o de sales fundidas (vase captulo 13 del
volumen 1).

El bao de sales fundidas debe reunir varios requisitos y propiedades que ya se

expusieron en el captulo citado de electrlisis gnea. As, debe tener: buena
solubilidad de la almina; temperatura de solidificacin lo ms baja posible; menor
densidad que el aluminio lquido; buena conductividad elctrica; baja presin de
vapor; poca solubilidad del aluminio; buena estabilidad termodinmica; y bajo
precio.
La sal que constituye la mayor parte del electrlito es la criolita dada la solubilidad
de la almina en la misma. Sin embargo, con objeto de conjugar esa buena
solubilidad con el resto de las propiedades deseadas, se adicionan otros
componentes que, en el electrlito convencional, son el fluoruro de aluminio y el
fluoruro de calcio y, en los no convencionales, otros como el carbonato de litio.

a) Diagramas de fase

Los diagramas de fase permiten determinar la influencia que tienen las adiciones
de un compuesto determinado en la temperatura de primera cristalizacin del
sistema, as como la influencia del citado aditivo en la solubilidad de la almina.
Por otra parte, el estudio termodinmico de los mismos, mediante la aplicacin de
la ecuacin de Schrder Van Laar, permite extraer conclusiones acerca de la
estructura inica del sistema. Si bien los diagramas binarios y ternarios son de
cierta utilidad, no permiten el estudio del electrlito industrial ya que en ste hay
ms variables que dimensiones para la representacin grfica. El recurso utilizado
consiste en acudir a cortes -diagramas bidimensionales- para composicin
constante de uno de los comnonentes.

Los compuestos NaF y A1F3 forman un sistema binario. A presin atmosfrica, la

presencia de dos compuestos: criolita (Na3AlF6), que presenta un punto de fusin
congruente, y chiolita (Na Al F14), est fuera de toda duda. Tal y como se aprecia
en la figura 3.15, el punto de fusin congruente de la criolita, indicativo de que
sta se descompone antes de su fusin, divide el diagrama de fase en dos
subsistemas: a) NaF-Na3AlF6, que forma un eutctico binario para 12,8-13,8% M
de A1F3, a 888C; y b) Na3AlF6-AlF3,

que contiene los compuestos antes citados: Na Al F y NaAlF4. La chiolita funde

incongruentemente a 734C siendo la composicin del punto peritctico la de
39,4-41,0% M de AlFr La chiolita forma un eutctico con NaAlF4 a 44-46% M de
A1F3 y 690-695C.

Sistema Na^AlF6~Al20?

La criolita forma con la almina un sistema binario que es una seccin del
sistema ternario recproco:

La criolita pura funde a 1.010C constituyendo con la almina un eutctico con

temperatura de primera cristalizacin entre 960 y 963C, para una concentracin
de almina de 10 a 11,5% en peso, tal y como puede apreciarse en la figura 3.16.

Numerosos trabajos han mostrado que el sistema es un eutctico simple sin

existencia de solubilidad slida.
 Al aadir fluoruro de aluminio al sistema, tanto la temperatura de primera
cristalizacin como la solubilidad de la almina disminuyen, tal y como se aprecia
en la figura 3.17 en la que se han representado las curvas de lquidus del sistema
Na3AlF6-Al203- CaF2(5%), para diferentes concentraciones de fluoruro de
aluminio, expresadas como relacin criolita- ria (R.C.), en peso, NaF/AlF3 (para la
criolita pura dicha relacin es 1,5). A partir de este valor, las concentraciones
crecientes de fluoruro de aluminio, conocidas como exceso de fluoruro de aluminio,
son sinnimo de relaciones criolitarias decrecientes.

Si se aade fluoruro de calcio, la temperatura de primera cristalizacin y la

solubilidad de la almina tambin disminuyen.
 Las concentraciones han de expresarse en porcentaje en peso. La validez de la
ecuacin se limita a las concentraciones hipoeutcticas de almina.

A modo de resumen, en la figura 3.18 se ha representado la influencia de

diversos aditivos en la temperatura de fusin de la criolita pura. Como puede
observarse, todos ellos disminuyen la temperatura de fusin siendo el LiF y el
MgF2 los ms eficaces con respecto a la propiedad estudiada. En general, la
utilizacin de aditivos que disminuyen la temperatura de primera solidificacin
posibilita la dismi-
 nucin de la temperatura de operacin en la cuba de electrlisis.

b) Densidad

La densidad del electrlito tiene un inters tcnico indudable. Para favorecer la

separacin fsica del electrlito y del metal, es deseable que la diferencia de
densidades entre el aluminio lquido y el electrlito sea mxima.

La densidad del aluminio lquido, pureza del 99,75% en Al, viene dada por:

La mejor va para aumentar el rendimiento de corriente de las cubas de

electrlisis consiste en la disminucin de la temperatura de trabajo lo que se
consigue mediante la utilizacin de aditivos. Sin embargo, algunos de stos
aumentan la densidad del electrlito, lo que es perjudicial, tal y como se aprecia
en la figura 3.19. Si la diferencia de densidades bao-metal se reduce
excesivamente, el transporte del aluminio disuelto hacia el nodo aumenta con la
consiguiente prdida de rendimiento de corriente.

La densidad del sistema NaF-AlF3 es mxima para composiciones prximas a la

criolita (figura 3.20) disminuye sensiblemente a medida que aumenta el contenido
en A1F3 del electrlito. La adicin de almi

na a la criolita disminuye la densidad (figura 3.21) a pesar de la alta densidad de

la almina (3,99 g cm"3 para la a-Al203). Este comportamiento se debe,
probablemente, a la formacin de iones complejos de gran volumen que contienen
aluminio, oxgeno y flor.

c) Viscosidad

La viscosidad es uno de los parmetros que gobierna la hidrodinmica del

proceso afectando a: la circulacin del electrlito; la sedimentacin de las
partculas de almina; el transporte del aluminio disuelto y de las partculas de
carbn; y al desprendimiento de gases.

El aumento de la viscosidad disminuye la difusin y el transporte de aluminio

hacia el nodo lo que debera de traducirse en un aumento del rendimiento de
corriente. Sin embargo, ste no es el caso general ya que el fluoruro de aluminio,
por ejemplo, disminuye la viscosidad y mejora el rendimiento de corriente a
temperatura constante. Esta aparente contradiccin puede explicarse considerando
la existencia de otras propiedades qumico-fsicas, y factores de diseo y operacin
que tienen mayor incidencia sobre el rendimiento de corriente que la viscosidad.

En cualquier caso, cuando el contenido de almina es pequeo, no se detecta un

aumento sensible de la viscosidad lo que s ocurre para concentraciones superiores
al 5%.

d) Conductividad elctrica
 Es deseable que la conductividad del electrlito sea mxima para minimizar las
prdidas hmicas.

An cuando para cada diseo de cuba sea necesaria una determinada

generacin de calor, que fundamentalmente tiene lugar en el electrlito y viene
determinada por la resistividad del mismo, la disminucin de sta permitir
aportar la potencia perdida aumentando la distancia interpolar o la densidad de
corriente, lo cual tiene efectos favorables sobre la productividad de la cuba.

Una ecuacin bastante fiable para calcular la conductividad, k, es la siguiente:

Tal y como puede apreciarse en la ecuacin, el nico aditivo que tiene un efecto
favorable sobre la conductividad es la criolita de litio.

Otro factor que contribuye al aumento de la resistividad del electrlito son las
burbujas de gas generadas en el nodo. Segn los estudios de Delarbe y Tobas, la
conductividad efectiva viene dada por la expresin:

siendo k la conductividad calculada mediante la ecuacin dada anteriormente.

Un valor tpico de 8 es 0,027, lo que supone un decremento de la conductividad
del 4%.

Disolucin de la almina

Al ser la electrlisis de la almina un proceso continuo, para mantener una

concentracin ptima y constante de sta en el electrlito, se precisara introducir
dicha materia prima en la cuba al mismo ritmo que se consume. Sin embargo,
todava no se dispone de la tecnologa necesaria para ello, aunque se est muy
cerca pues existen cubas en operacin en las que se introduce almina en lugares
escogidos, con una frecuencia prxima al minuto, de forma automtica.

En las cubas convencionales de tecnologa Sder- berg o precocida, el picado y

carga de almina se realiza de forma discontinua, con intervalos de varias horas
entre dos operaciones sucesivas. Por tanto, la cantidad que se ha de introducir en
cada adicin es muy superior a si se realizara el citado picado de forma continua.
De la almina introducida, parte se disuelve en el electrlito y parte se deposita
sobre el talud y el ctodo, o crisol de la cuba, desde donde se redisuelve
progresivamente. Para disminuir la cantidad de almina no disuelta se requiere un
volumen mnimo de electrlito, as como un cierto grado de sobrecalentamiento
del mismo que se cifra en el entorno de los 15C.

La solubilidad de la almina, entendiendo por tal la cantidad mxima de sta que

puede disolverse en el electrlito, es independiente del tipo de aquella. La
solubilidad est determinada por las propiedades soluto/disolvente. La velocidad
de disolucin est influenciada por parmetros tales como: las caractersticas
fsicas de la almina utilizada, la concentracin de almina disuelta en el
electrlito, la temperatura y el grado de agitacin del mismo.

Los trabajos de Gerlach y Thonstad ponen de manifiesto que la variedad

cristalogrfica y disuelve antes que la a, si el electrlito est bien agitado. En
ambos casos, el tiempo de disolucin total es de pocos segundos.

Johnston observ que la velocidad de disolucin de alminas con poca tendencia

a la formacin de costra era superior a las que forman buena costra. Una vez
formada sta, la velocidad de disolucin es similar indicando que su
comportamiento es prcticamente independiente del material de partida.

A su vez, la densidad de la costra aumenta con el contenido en a-Al203 del

producto de partida. La velocidad de disolucin de la costra es inferior a la de la
almina en polvo debido, probablemente, a que para disolver la costra se requiere
la difusin del bao saturado en almina a travs de la interfase electrlito-costra.
La velocidad de disolucin disminuye progresivamente al aumentar la
concentracin de almina disuelta.

La introduccin de la almina supone un enfriamiento del sistema por cuanto

que el electrlito ha de suministrar el calor necesario para aumentar la
temperatura de la almina y el requerido por el propio proceso de disolucin.

Es un hecho la variacin de la temperatura entre dos cargas de almina. Estas

oscilaciones de la temperatura de marcha son perjudiciales para el proceso ya que
pueden dar lugar a la formacin de depsitos slidos en el ctodo si el
sobrecalentamiento del electrlito no es suficiente.

En sntesis, y como conclusiones de orden prctico ms interesantes, puede

decirse que la velocidad de disolucin aumenta con la temperatura y el grado de
agitacin del electrlito, y disminuye cuando aumenta la concentracin de almina
y la de aditivos en ste.

Consideraciones estructurales

La consideracin de la estructura inica del medio presenta inters de cara al

estudio de las propiedades qumico-fsicas del mismo y de las reacciones
electroqumicas que tienen lugar en el proceso.

La criolita y la almina fundidas constituyen una mezcla compleja de varios tipos

de iones que van desde cationes alcalinos simples hasta iones complejos del tipo
oxifluoroaluminato. Mientras que la estructura de la criolita fundida puede
considerarse suficientemente estudiada, no se puede decir lo mismo de las
mezclas criolita-almina en las que la naturaleza de los iones complejos formados
no est suficientemente demostrada.

Diversos investigadores han demostrado la existencia de los iones A1F~, NaAlF

y A1F3-, utilizando diversas tcnicas espectroscpicas, as como algunas
reacciones entre ellos:

El espectro de la criolita fundida fue estudiado por espectroscopia Raman

observndose claramente el correspondiente al A1F~.

La disolucin de la almina da lugar a la formacin de iones complejos Al-O-F

siendo los compuestos que parecen tener mayor probabilidad de existencia los del
tipo A12OF2^"2x, para x > 3, mientras que a elevadas concentraciones de
almina pueden formarse iones del tipo A1202F42~.

Por tanto, los iones presentes en el sistema sern:

Las reacciones electroqumicas

Hasta ahora se ha tratado nicamente del sistema qumico-fsico que constituye

el electrlito sin considerar el paso de corriente elctrica a travs del mismo. Si se
supone ahora que se introducen dos electrodos en el bao -sistema inico- y que
se aplica una diferencia de potencial, el paso de corriente se produce por
intermedio de las reacciones aninica y cati- nica. El conjunto de ambas
reacciones constituye el proceso de electrlisis.

Los iones encargados del transporte de la corriente en la disolucin pueden no

ser los que experimenten la reaccin. Por ejemplo, los cationes sodio son los
encargados del transporte de la corriente en la electrlisis de la almina y no
experimentan reaccin en el electrodo catdico.

a) Reaccin catdica

El aluminio catin no se encuentra libre sino formando complejos del tipo Al-O-F
cargados negativamente. Por otra parte, el Na+ est presente como catin libre lo
que llev a muchos investigadores a pensar que el producto primario de la
reaccin catdica era el sodio. Consideraciones termodinmicas han permitido
establecer que el producto primario es el aluminio. Dado que el aluminio no se
encuentra libre sino formando complejos han de ser estos quienes participen en la
reaccin catdica. Globalmente se puede escribir:

El exceso de iones F desplazar el equilibrio hacia la izquierda pudiendo

escribirse la reaccin total como:

b) Reaccin andica

Los razonamientos expuestos en este apartado son vlidos siempre y cuando

exista una concentracin suficiente de almina en el electrlito, que para las
densidades de corriente industriales (0,7 A cm"2) es del orden del 2%.

Recordando lo expuesto en apartados anteriores, se puede afirmar que la nica

especie inica que contiene oxgeno es el ion Al2OF2*~2x siendo por tanto ste el
que experimenta la reaccin andica.

La reaccin andica global sera (para x = 3):

De la reaccin anterior 3 A1F. se utilizan en la reaccin catdica. Los otros tres

reaccionan con 6 F de la reaccin catdica:

Los 3A1F3 de la ltima reaccin se unen aotro A1F6 de la reaccin catdica para
dar, en presencia de almina:

El oxgeno liberado en la reaccin [3.17] se combina con el carbono del nodo:

 Ensayos realizados por distintos investigadores mostraron que el producto
primario de la reaccin andica es C02 gas. Existe la posibilidad de que se
produzca entre el C02 y el aluminio disuelto en el electrlito algo de monxido de
carbono, que se desprende de la superficie andica, adems del dixido de
carbono.

La reaccin andica se produce con un sobrepotencial importante. Mientras que

el potencial de descomposicin estndar para la reaccin:

es 1,16 V a 1.010C; cuando se produce el paso de corriente elctrica, el

potencial andico medido con respecto a un electrodo de referencia de aluminio es
de 1,4 a 1,8 V. La diferencia entre ambos valores es el citado sobrepotencial
gaseoso (C^) + 20 = C02(g)) para la reaccin andica sobre grafito:

Polarizacin andica: embalaje

Si la concentracin de iones ALOFJ*~2x desciende

2 2x

en el electrlito por debajo de un determinado nivel mnimo, por ejemplo, si la

concentracin de almina es inferior al 2% para una densidad de corriente del
orden de 0,7 A cm~2, se detiene el proceso de electrlisis y se produce la
pasivacin del nodo, fenmeno que industrialmente, y en el rea de influencia
francesa, se conoce con el nombre de embalaje. ste se manifiesta por un
aumento sbito de la tensin de la cuba que puede llegar, en condiciones
extremas, hasta 100 V y que normalmente se sita entre 30 y 45 V.

La densidad de corriente crtica, o densidad de corriente a la que se manifiesta el

efecto andico, est relacionada linealmente con la concentracin de almina en el
electrlito (figura 3.22).

La existencia de la citada dependencia ha sido utilizada con fines analticos. Ms

concretamente para determinar in situ la concentracin de almina disuelta en el
electrlito.

El mecanismo de formacin del embalaje es el siguiente: cuando la

concentracin de almina en el electrlito disminuye, la sobretensin andica
aumenta. Alcanzado un nivel de sobretensin de 1,2 V se
 produce la descarga de iones fluorados que forman compuestos gaseosos
fluorocarbonados, muy viscosos, que mojan el carbn del nodo adherindose al
mismo y pasivndolo. Al quedar parte del nodo pasi- vado, la densidad de
corriente aumenta, lo que favorece la descarga de nuevos iones fluorados y la
pasi- vacin total del nodo. Como no se interrumpe el paso de la corriente y la
resistencia aumenta considerablemente, la tensin se dispara alcanzando los
valores citados. El paso de corriente se produce, finalmente, a travs de la capa de
gases fluorocarbonados adherida al nodo, por arco elctrico.

Para el proceso de electrlisis normal, se requiere introducir almina en la cuba

y romper la capa de gases adherida al nodo lo que se logra provocando una
turbulencia, que facilita la evacuacin de la capa de gas pegada, mediante la
inmersin de un palo, el soplado con aire o el movimiento pulsante del plano
andico, pasando de nuevo la corriente.

El embalaje constituye un mtodo de control de la concentracin de almina en

el electrlito ya que para cada densidad de corriente ste se produce a una
concentracin de almina determinada.

La tensin del embalaje constituye un indicativo del estado del nodo siendo de
especial inters en las cubas Sderberg. Una superficie andica defectuosa,
entendiendo por tal aquella que presente irregularidades pronunciadas, con posible
cortocircuitado de los electrodos, no puede dar lugar a una tensin alta y
mantenida ya que la polarizacin del nodo sera tan slo parcial.

Las tensiones de embalaje elevadas se asocian a cubas con bajo nivel de bao y
que presenten una superficie andica regular y paralela al del ctodo.

Tensiones de embalaje bajas -menores de 30 V- pueden indicar la existencia de

un problema andico. Ensayos a escala industrial han mostrado que durante el
embalaje, al pasivarse la superficie del nodo, el paso de corriente se verifica
fundamentalmente a travs de su cara lateral. Cuanto menor sea sta, mayor ser
la tensin de embalaje. Este mecanismo puede explicar la correlacin existente
entre la fuerza de embalaje y la altura de bao (figura 3.23).
 El efecto andico produce, en el proceso de electrlisis normal, prdida de
rendimiento de corriente y alteracin del equilibrio trmico, as como aumento del
consumo especfico de energa y prdida de compuestos fluorados por
volatilizacin. Por ello, el nmero de embalajes por cuba y da debe limitarse al
mnimo necesario.

Rendimiento de corriente

El rendimiento de corriente (como ya se vio en el captulo 8 del volumen I) es la

relacin entre el peso de aluminio realmente producido y el que se debera de
producir de acuerdo con las leyes de Fara- day. A escala industrial dicho
rendimiento vara en un rango amplio: 84-94%.

El rendimiento de corriente, tambin llamado rendimiento Faraday, depende de un

gran nmero de variables tales como: temperatura, densidad de corriente,
distancia interpolar, composicin del electrlito y diseo de la cuba.

El rendimiento de corriente, R, tiene un papel fundamental en el consumo

energtico del proceso ya que

dicho consumo especfico de energa, CEE, en kwh/kg de Al viene dado por:

siendo V la tensin total de la cuba y estando R expresado en tanto por uno.

Por otra parte, el aumento de R supone un incremento de la productividad ya que

la cantidad de aluminio producido es funcin del citado R. La produccin diaria, P,
en kg, de la cuba electroltica tiene la expresin:

siendo / la intensidad en kA y siendo R expresado en tanto por uno.

 a) Mecanismo de prdida de rendimiento de corriente

Hoy da, est ampliamente aceptado que el mecanismo principal de prdida de

rendimiento de corriente es la disolucin del aluminio en el electrlito y su
posterior reoxidacin con los gases andicos, de acuerdo con la reaccin:

El mecanismo de reoxidacin, es decir, de prdida de rendimiento de corriente

consta de las tres etapas siguientes: a) disolucin del aluminio en la interfase
metal/electrlito; b) transporte del aluminio disuelto hacia la interfase
gas/electrlito; c) reaccin qumica en la interfase gas/electrlito.

La solubilidad del aluminio en el electrlito se disminuye con: el aumento de la

acidez, la disminucin de la temperatura y el aumento del contenido en fluoruro de
calcio y de litio, y por tanto favorecen a R.

En la figura 3.24 se da una imagen de las distintas zonas en las que tiene lugar
el proceso de reoxidacin del aluminio producido electrolticamente. La velocidad
de cada una de las subetapas que se han distinguido est determinada por las
condiciones hidrodinmicas del sistema en estudio, por ser stas, en gran medida,
quienes determinan el transporte de materia.

Dependiendo de las condiciones de la operacin y del diseo de la cuba de

electrlisis, la etapa que limita la velocidad de reoxidacin del aluminio puede ser
la difusin del metal a travs de la interfase metal-electrlito o el transporte del
aluminio disuelto hacia el nodo.

Considerando las solubilidades del aluminio metal y del dixido de carbono en el

bao, su relacin en
 peso es del orden de 40 o ms por lo que el mecanismo oxidativo, entre el metal
disuelto y el dixido gaseoso, parece ser el ms verosmil.

b) El rendimiento de corriente en cubas industriales

Para encontrar cules son las condiciones de operacin que permiten maximizar
el rendimiento de corriente R, se precisa conocer cul es la etapa que limita la
velocidad de reaccin.

En las cubas industriales, la etapa ms lenta parece ser el transporte del

aluminio disuelto hasta la zona de reaccin. Esta afirmacin viene avalada por la
evidencia experimental de la disminucin del rendimiento de corriente cuando
disminuye la distancia interpolar.

En cubas industriales, R es muy sensible a la temperatura. Como promedio, un

descenso de 10C en la temperatura del electrlito ocasiona un incremento del 3%
en R. Esta cuantificacin debe tomarse con las debidas precauciones.

Manteniendo el resto de las variables constantes, un aumento de la densidad de

corriente parece favorecer el aumento de R. El modo ms usual de elevar la
densidad de corriente, en una cuba ya diseada, es incrementar la intensidad lo
que no est exento de diversas limitaciones.

El aumento del contenido en A1F del electrlito, as como la utilizacin de

aditivos tales como CaF2, MgF2, NaCl, y LiF tiene un efecto favorable sobre R.

La edad de las cubas disminuye el rendimiento de corriente debido a la aparicin

de corrientes hori

zontales que perturban la tranquilidad del metal aumentando el oleaje.

 A continuacin se presenta una expresin aproximada que calcula R (cubas
precocidas con 40 kA):

siendo E el exceso de AIF3, en peso, H la altura del metal, en cm, A la edad de

la cuba, en meses y la temperatura en C.

Balance energtico

Por su propia naturaleza, todo proceso electroqumico es un consumidor

importante de energa ya que se trata de realizar una reaccin que
termodinmicamente es desfavorable.

El consumo especfico de energa (CEE), en kwh/kg de Al del proceso viene

determinado por la tensin total empleada y por R segn la expresin [3.22]. Por
tanto, el CEE puede reducirse disminuyendo la tensin total aplicada y
aumentando R.

a) Tensin de la cuba

La figura 3.25 ilustra esquemticamente los distintos trminos que componen la

tensin de la cuba de electrlisis habindose procedido a cuantificarlos.

En la tensin total pueden distinguirse tres tipos de trminos: tensin de

descomposicin, polarizaciones en los electrodos y cadas hmicas. Se analizan
cada uno de ellos separadamente.
 Tensin de descomposicin (vase captulo 8, volumen I) es la tensin de
equilibrio de la reaccin:

Polarizacin de los electrodos. La polarizacin, o sobrepotencial, es la energa

capaz de mantener la velocidad de reaccin correspondiente a la densidad de
corriente. En otros trminos, es la diferencia entre el campo creado por el
potencial aplicado y el correspondiente al potencial de equilibrio. El potencial de
equilibrio no puede producir el paso de corriente por lo que es necesario para ello
un cierto sobrepotencial. Existe un sobrepotencial andico y otro catdico, cada
uno de ellos influenciado por distintos parmetros. En la electrlisis del aluminio, la
polarizacin catdica es baja (0,2 V). Se debe a la concentracin de las especies
inicas que se descargan en el ctodo. La polarizacin andica es ms importante,
del orden de 0,4- 0,5 V. Es una polarizacin de concentracin y reaccin

(creacin de una fase gaseosa). En lneas generales, el sobrepotencial se

reduce: elevando la concentracin de almina (figura 3.26), aumentando la
temperatura, aumentando la superficie real del nodo y disminuyendo la densidad
de corriente. La agitacin disminuye tambin el sobrepotencial de concentracin
pero origina prdida de R.

Cadas hmicas. En la figura 3.27 pueden observarse los distintos componentes

que constituyen las cadas hmicas de la cuba de electrlisis. La cada en lnea
viene determinada por el diseo y la intensidad empleada. La cada andica total
se compone de varios trminos, entre los que cabe sealar la cada travesa- o-
vstago (minimizable mediante un correcto mantenimiento) y la cada en el nodo
(minimizable con un buen mantenimiento de agujas o patas, amn de una correcta
implantacin o sellado de los mismos, y la obtencin de un nodo de carbn de
buenas caractersticas mecnicas y elctricas). Para que la cada en el contacto
nodo-bao sea mnima se precisa una buena inmersin del mismo en el
electrlito. En el ctodo hay una ganancia potencial mediante el empleo de bloques
de, o con, grafito y mejorando la unin barra- bloque con el uso de ctodos no
convencionales. En cualquier caso, debe efectuarse el oportuno clculo econmico
justificativo. La disminucin de la cada en el electrlito es una de los aspectos
fundamentales en
 la disminucin de la tensin. Puede conseguirse, a densidad de corriente
constante, modificando la composicin del bao o disminuyendo la distancia
interpolar. Como nico aditivo que mejora la conductividad, sin perjudicar el
rendimiento de corriente, ha de sealarse el fluoruro de litio. El criterio seguido
para disminuir la cada en el bao ha sido la disminucin de la densidad de
corriente mediante el aumento de tamao de las cubas.

La concentracin de almina en el electrlito afecta a la tensin total de la cuba

teniendo un mnimo para el 5-6% en peso. Puede comprenderse que el objetivo de
conseguir una concentracin de almina cuasi-constante en el electrlito no es
alcanzable con el sistema de picado convencional, quedando reservado esto a los
sistemas de picado central semiconti- nuo, recientemente desarrollados.

Un cuadro energtico comparativo que visualice cual es la energa utilizada en el

proceso y cmo se distribuye es el siguiente:

E es la tensin necesaria para descomponer la molcula de almina en un

electrodo inerte segn la reaccin:

E2 es la tensin correspondiente a la formacin de CO2(g):

E3 = E{ + E2: como la reaccin anterior tiene un efecto despolarizador, E <

Ey
 E4 es el potencial andico de reaccin.

E es el sobrepotencial andico de concentracin.

E es el sobrepotencial catdico.

E1 es la fuerza contraelectromotriz de la cuba, obtenida como suma

algebraica de todos los potenciales anteriores.

E0 es la denominada cada en el electrlito sin

tener en cuenta la resistencia de las burbujas de gas.

E9 es la cada debida a las burbujas de gas.

10 es la cada anodica total.

En es la cada catdica total; y

E es la cada en lnea o externa.

 En la parte derecha de la figura 3.27 se muestra en qu se emplea la tensin
total calculada en la parte izquierda:

Qx es la energa necesaria para que se verifique la reaccin e incluye la

necesaria para llevar los reactivos a la temperatura de reaccin.

Q2 representa el calor que debe ser evacuado de la cuba para que sta opere
de forma isotrmica; y

Q es el calor generado en la parte externa de la cuba.

A partir de estos datos, obtenidos en el supuesto de que la cuba opere al 90%

para R ya 970 C, el rendimiento energtico es Qj (Q} +Q2+Q3), es decir, del
orden del 42,6%.

Materias Primas Carbonosas

Se pretende en este apartado, de tanto inters para la produccin del aluminio,

describir consecutiva

mente las materias primas que se utilizan en la fabricacin de los electrodos,

nodos y ctodos, estableciendo sus propiedades, especificaciones y mtodos de
fabricacin. Posteriormente, se exponen los distintos procesos de fabricacin de los
electrodos, as como las especificaciones de los mismos y los mtodos de
caracterizacin de sus principales propiedades.

El carbono 'ementaI y su naturaleza

El carbono es un elemento del sistema peridico con las caractersticas y

propiedades que se indican en el cuadro 3.5.

El carbono elemental se puede presentar en forma amorfa o en dos estados

cristalinos, el grafito y el diamante, pertenecientes a los sistemas hexagonal y
cbico centrado en las caras, respectivamente, y con propiedades bien diferentes.
Debido al tipo de enlace covalente, el diamante tiene propiedades pticas
singulares y una gran dureza; se emplea, por tanto, en joyera y el producto
sinttico en tiles para corte; tambin se fabrican recubrimientos con diamante
sinttico.

El grafito es la otra forma natural del carbono, con estructura planar hexagonal,
bien diferente a la del diamante. El hecho de ser un material constitutivo de
 los electrodos hace que se estudie en un apartado especfico.

Las materias carbonosas naturales y artificiales

Las materias primas carbonosas, que existen de forma natural o se pueden

fabricar a partir de otras, con inters para la industria de electrodos son: la
antracita, el coque de hulla, el coque de petrleo, el coque de brea, el grafito
natural y el electrografito, la brea metalrgica, las resinas sintticas y otros
ligantes.

a) La antracita

Para la fabricacin de electrodos no consumibles, en la industria del aluminio se

utiliza, entre otros materiales y todava de forma mayoritaria, el carbn antracita
sometido a un tratamiento de calcinacin.

Se sabe que la mayor fuente de carbono natural es el carbn, material de tipo

orgnico-sedimentario y en el que el carbono aparece en estado amorfo y/o
combinado formando multitud de compuestos con el H2, N2, 02, y, adems,
mezclado con otras sustancias minerales inorgnicas principalmente arcillas,
pizarras y esquistos.

Los materiales carbonosos, para ser utilizados como materia prima para la
fabricacin de electrodos, deben ser puros y con pocos voltiles de modo que al
calentarlos a elevadas temperaturas presenten un comportamiento qumico-fsico
estable. Parece pues que de los carbones existentes los que ms se acercan a los
requerimientos enunciados son las antracitas y, dentro de stas, las que tienen
menores contenidos en cenizas. El tratamiento de calcinacin
 de las antracitas las convierte en productos dimensionalmente ms estables,
ms conductoras del calor y la electricidad, y adquieren una resistencia superior a
la abrasin.

La antracita se calcina de dos formas diferentes dando dos productos distintos:

antracita calcinada con gas (ACG), a 1200-1300C, y antracita calcinada
elctricamente (ACE), a 2000C.

Las propiedades de estos dos productos se presentan en el cuadro 3.6.

Se puede observar de la tabla anterior las mejores propiedades de la antracita

AEC, en particular su baja resistividad.

b) El coque de petrleo

En las refineras de petrleo se produce, con cierta frecuencia, un exceso de

fuel-leo que puede hacer poco rentable el aprovechamiento de los diferentes
productos. Esto ha llevado a pensar en el procesamiento de los residuos del
cracking cataltico y del cracking trmico para obtener un gasleo y un residuo
slido que constituye el coque verde (figura 3.41). En el cuadro 3.7 se presentan
los distintos residuos del petrleo, as como los coques con ellos fabricados y sus
propiedades definitorias. Entre los coques se tienen dos tipos originados por las
tecnologas de fabricacin: coque retardado y coque fluido.

El coque retardado, fabricado por destilacin a partir de productos tan diversos,

tendr caractersticas bien distintas, tambin derivadas de las del petrleo. El
residuo de destilacin, el coque, supone un 15% del destilado.

Tambin se pueden cargar, para producir este tipo de coque, los productos
residuales de los dos cracking, el cataltico y el trmico.
 La instalacin, representada en la figura 3.42, funciona con dos tambores en
marcha alterna en los que se inyecta el residuo sobrecalentado a 500C.

El coque esponjoso, llamado as por su aspecto, es el ms interesante en la

fabricacin de electrodos. Se obtiene, fundamentalmente, de colas de destilacin
que tie-
 nen componentes parafnicos y naftnicos, principalmente.

Coque crudo o verde de petrleo

El coque de petrleo crudo o verde es una mezcla de carbn e hidrocarburos

pesados con un contenido del 88-95% de carbn, de 3-4% de hidrgeno, de 1-2%
de nitrgeno, 0,5-6%. de azufre y de 1-7% de oxgeno. Los hidrocarburos tienen
un valor elevado de la relacin C/H. Contiene, adems, impurezas metlicas
procedentes del petrleo o adquiridas en los distintos pasos de su manejo. Los
contenidos en azufre, vanadio, hierro y silicio, principalmente, definen las
calidades que se indican en el cuadro 3.8.

Entre los crudos petrolferos con gran inters para produccin de coque est el
de Libia. Por lo contrario, con los crudos mexicanos se producen coques muy

altos en azufre y vanadio totalmente rechazables para la produccin de

electrodos.

El coque de petrleo calcinado

El coque de petrleo calcinado es el producto obtenido por calcinacin, entre

1.200 y 1.400C, de coque verde, producindose en l la deshidrogenacin
trmica y la expulsin casi total de los restos de materias voltiles, que se
queman. El coque calcinado es prcticamente carbn con pequeas cantidades de
impurezas metlicas.

La calcinacin se realiza mayoritariamente en dos tipos de hornos: rotativos y de

solera giratoria. Las propiedades del coque dependen de la temperatura y de la
velocidad de calcinacin del coque.
 La figura 3.43 representa muy bien, de forma grfica, las variaciones del
parmetro de red, Le, con la temperatura de calcinacin, en el coque de petrleo.
Las figuras 3.44 y 3.45 representan la variacin de la
 densidad, y de la resistividad elctrica y el parmetro de red, respectivamente,
en funcin de la temperatura de calcinacin.
 Las propiedades y caractersticas del coque calcinado que ms se estudian son:
porosidad y densidad del coque, impurezas metlicas, oxirreactividad y car-
boxirreactividad, dureza y tamao de partcula, y estructura del coque.

Las propiedades dependen de tres aspectos fundamentales como son: el grado

de calcinacin, la estructura y las caractersticas fsico-qumicas. Del primer
aspecto dependen la densidad real, el Le y la resistividad elctrica, que tienen
entre s cierto grado de correlacin. Del segundo dependen la densidad aparente,
la porosidad y la estabilidad del grano.

Son propiedades tpicamente fsico-qumicas la reactividad, el coeficiente de

expansin trmica y la anisotropa, entre otras.

Al calcinar un coque, a mayor temperatura se obtiene mayor densidad real y

mayor parmetro de red.

La porosidad aumenta con la temperatura. La porosidad aumenta, y la densidad

disminuye, al incrementar la velocidad de calentamiento. La porosidad excesiva no
es deseable en el coque porque conduce a un mayor gasto de brea.

Las impurezas como V, Ti y Ni provienen del coque verde y, por tanto, del
crudo; no as el Fe y el Si que se incorporan mayoritariamente en la operacin y

manejo. El contenido en cenizas refleja la contaminacin metlica.

Como se sabe, los metales ms nobles que el aluminio tienen un efecto

impurificador al reducirse pre- ferencialmente en la electrlisis gnea.

Sin embargo, no es menos importante el efecto que ciertas impurezas producen

aumentando la reactividad y, por tanto, los consumos de coque. Este consumo
adicional se llama consumo secundario y no se debe a la pura reaccin de
electrlisis.

La oxirreactividad es el parmetro que nos expresa el consumo por unidad de

tiempo del electrodo andico debido a su reaccin con el oxgeno del aire.

La carboxirreactividad es el parmetro que nos expresa el consumo por unidad

de tiempo del electrodo andico debido a su reaccin con el C02 (recurdese la
reaccin de Boudouard).

Por efecto de la diferencia de reactividad entre el carbn primario (coque) y el

secundario (coque producido por el ligante en la fabricacin del electrodo) y, en
particular, si el coque secundario es ms reactivo, se puede producir la
desagregacin del nodo aumentando los trozos de carbn en el bao, los cuales
se conocen por carbonilla.

En el cuadro 3.9 se expresa de forma orientativa, en mayor o menor grado, los

efectos de los metales en las reactividades del coque.
 El tamao tiene que ser suficiente para cumplir la especificacin del grueso. Los
coques de brea son mucho ms duros que los de petrleo y de ms difcil
molienda.

Parmetros definidores del coque

Se consideran a continuacin los principales parmetros definidores de un

coque: humedad, voltiles, cenizas, azufre, metlicos, densidad real, densidad
bulk (bulk density), densidad aparente (Hg), granulme- tra, resistividad elctrica
y aceite.

Cabe destacar la densidad bulk por su importancia en la calidad del electrodo. Es

la densidad de empaquetado por vibracin de una cierta fraccin granulo- mtrica
fina de un coque. Estos ensayos estn normalizados por diferentes compaas.
Esta densidad bulk

se ha manifestado como un valor fundamental, indicativo de la calidad del

coque, en cuanto a su potencial para producir un nodo denso y poco reactivo.
Para obtener un nodo de buena calidad, y con un consumo adecuado de brea, es
preciso que la densidad bulk tenga un valor, segn Alean, de por lo menos 0,83 g
cm~3. Valores inferiores llevan a un deterioro de la calidad del nodo que influir
en los rendimientos de electrlisis y en el consumo de nodo. Un valor deseable de
densidad bulk estar en el entorno de 0,87 g cm~3. Valores inferiores aumentan
sensiblemente el consumo de brea generando ms nodo secundario.

Se admite por la mayora de las compaas un tamao mximo del coque de 20

mm.
 El desmuestre, los ensayos y los anlisis son determinados por la compaa
compradora quien, adems,

emite la normativa correspondiente. No obstante, hay una tendencia creciente

hacia la utilizacin de una normativa nica como la normativa ISO.

Las especificaciones del coque de petrleo calcinado

Se presentan a continuacin, en el cuadro 3.10, las gamas de valores tpicos de

las especificaciones de los coques retardados que ms se usan en la actualidad.

c) El coque de brea

El coque de brea es el residuo de la pirlisis de la brea de alquitranes de carbn.

Como materia prima de los electrodos para la industria del aluminio es un material
perfectamente til que tiene, en ciertos casos, mejores propiedades que el coque
de petrleo. Calcinados a la misma temperatura, el coque de brea tiene menor
contenido en azufre, menor porosidad abierta y mayor dureza. Los contenidos en
elementos metlicos son menores, a excepcin del cinc.
 La descomposicin trmica de la brea se produce cuando sta se somete a
calentamiento continuado a 400C. Se presenta un fenmeno conocido como
maduracin que se evidencia por la presencia de unos glbulos denominados
mesofase. Si se incrementa la temperatura, se produce crecimiento y coalescencia
de la mesofase. Posteriormente, a una temperatura de 500C, se produce
semicoque, como residuo, pasando por la formacin de una mesofase y por la
fusin de sta de forma cclica. La masa solidifica a 550C desarrollndose la
estructura bsica del coque. A 1000C, se produce la evolucin rpida de los
voltiles y un fenmeno de contraccin.

Una brea de 150C de punto de ablandamiento produce 70% de coque, 20% de

aceite y 250 Nm3 Mg_1 de gas (80% en volumen de H 2 y 12% en volumen de
CH4).

La fabricacin del coque puede hacerse de dos formas:

1. Coquizacin en hornos de coque (proceso Kop- pers).

2. Produccin de coque retardado.

El coque retardado se obtiene mediante un proceso similar al del coque de

petrleo. El coque se des

carga, despus de enfriarlo con agua, mediante sistemas hidrulicos o

mecnicos, se machaca y se calcina hasta 1200C.

Especificaciones del coque de brea calcinado

Se presentan a continuacin, en el cuadro 3.11, los valores tpicos y lmites de la

especificacin de un coque de brea fabricado en Alemania.

d) El grafito natural y el electro grafito

 La estructura del grafito es laminar. El espaciado entre los planos es de 0.335
nm, que es ms del doble de la longitud del enlace C-C: 0,142 nm. La distribucin
de los tomos de carbono en los planos macro- moleculares es hexagonal y estn
unidos entre s por fuertes enlaces covalentes. En contraste,

el enlace entre los planos es mucho mas dbil y es del tipo de fuerzas de Van der
Waals. Como consecuencia de ello, el grafito tiene unas marcadas propiedades
direccio- nales. As por ejemplo, el coeficiente de expansin trmica lineal, en la
direccin normal a los planos, es 27 veces mayor que en la direccin paralela. As
mismo, las conductividades trmica y elctrica son mayores en la direccin
paralela a los planos que en la direccin perpendicular.

La anisotropa del grafito puede aprovecharse para lograr que cumpla ciertas
condiciones de uso. As, uti-

lizando procedimientos de fabricacin que orienten los planos (extrusin,

prensado, etc.), se puede conseguir:

1. Alta resistencia al ataque por escoria (planos paralelos a la superficie de

trabajo).

2. Alta conductividad trmica y elctrica (planos paralelos a la direccin de

conduccin).

Por otro lado, los dbiles enlaces entre planos permiten que las capas deslicen
unas sobre otras cuando se somete el grafito a esfuerzos cortantes. A esto se
deben sus propiedades lubricantes.

El grafito utilizado como materia prima refractaria puede ser natural o artificial.
En la naturaleza se encuentra en estado ms o menos puro, con color pardo o
negro y con concentraciones de carbono variables.

Los principales yacimientos de grafito natural se encuentran en Madagascar, Sri

Lanka, Alabama (EEUU), Siberia (CEI), Corea, Per, Mxico, Canad y Europa
Central (Austria y Alemania). Su ley en carbono es muy variable segn el tipo de
yacimiento, variando desde el 2,5% de los yacimientos de EEUU hasta el 98% de
los de Sri Lanka pasando por el 70% de los de Per. Por tanto, en la mayora de
los casos, es necesario un proceso de concentracin previo.

El grafito artificial, o electro grafito, se obtiene a partir de materiales

carbonosos, como la antracita de bajo contenido de cenizas, el coque de petrleo y
el coque de brea, mediante un tratamiento trmico a alta temperatura (2.500-
3.000C) en hornos elctricos, durante un perodo de tiempo que va de 3 a 5
semanas.

El grado de grafitizacin se puede determinar calculando el valor del parmetro

cristalogrfico Le que expresa la altura de la unidad cristalina o cristalito formado
por un paquete de planos paralelos. Dicha altura puede ser estimada por difraccin
de rayos X mediante la ecuacin:
 donde As es proporcional a la mitad de la altura del pico del difractograma
correspondiente a los planos (002) (figura 3.46).

El grafito presenta inconvenientes importantes para su utilizacin: es blando y

tiene un coste elevado, lo que condiciona su uso de forma apreciable.

e) La brea metalrgica

La brea metalrgica, que se obtiene por destilacin de los alquitranes de hulla,

es el ligante principal de los electrodos de carbono, particularmente en la industria
del aluminio. Su papel es el de hacer de aglomerante en caliente del material
carbonoso slido de los nodos y, una vez destilados los voltiles en la coccin, el
de crear el esqueleto carbonoso ligante de los granos de carbn. En los nodos
Sderberg permite adems efectuar operaciones tales como los cambios de agujas
y la adicin de la pasta pues conserva un cierto grado de fluidez.

La brea se utiliza tambin para la fabricacin de pastas usadas en la

construccin de monolticos o juntas en los ctodos de las cubas, as como para la
fabricacin de los bloques catdicos.

En la composicin de los alquitranes entran gran cantidad de hidrocarburos

aromticos, desde el benceno hasta compuestos de alto peso molecular.
 La destilacin de los alquitranes produce, a medida que se eleva la temperatura,
distintas fracciones y componentes, desde los aceites ligeros a las creosotas
pesadas. Como componentes de los primeros estn el

benceno, tolueno, etc. Los productos intermedios contienen naftaleno y fluoreno

y las creosotas antraceno y pyreno entre otros. El residuo de esta destilacin es lo
que se denomina brea y la proporcin oscila en el entorno del 50% del alquitrn
original.

La brea es una sustancia bituminosa formada por ms de 4.000 compuestos, de

los que solamente unos pocos han podido ser aislados, identificndose un
centenar. El 60% de estos son aromticos y el resto son heterocclicos de ms de
tres anillos; hierven entre los 300 y los 550C. Algunos de los compuestos tienen
radicales metlicos o hidroxlicos.

La composicin qumica aproximada de la brea es ms de 90% de carbono, 5%

de hidrgeno y el resto pequeas cantidades de nitrgeno, oxgeno y azufre.

La brea se destila en instalaciones discontinuas (figura 3.47) que tratan el

alquitrn entre 15 y 20 horas. Tambin existen instalaciones de destilacin
continua, con una mayor productividad aparente, pero en las que el
mantenimiento de unas condiciones tipificadas, que garanticen una buena calidad
de brea, es problemtico. La tendencia de las plantas productoras de brea es la de
tener suministros que les permitan satisfacer las especificaciones de las plantas de
aluminio, tanto las Sderberg como las precocidas.

Naturaleza y propiedades de las breas

Las breas son productos no cristalinos, sin un punto definido de fusin,

termoplsticos, de aspecto y consistencia, a temperatura ambiente, de fluida a
slida; en cualquier caso, sus propiedades dependen de la calidad de los
alquitranes de partida y del tipo de destilacin. Por desgracia, los mtodos de
caracterizacin

de las breas son simulativos de algunas de sus propiedades, no existiendo

mtodos analticos suficientemente fiables como para su identificacin. Los
procedimientos en los que se est avanzando estn relacionados con la
espectroscopia infrarroja asistida con transformada de Fourier; se pretende
desentraar as la constitucin qumica de estos productos orgnicos. A pesar de
los esfuerzos, an no se han hecho grandes progresos que permitan objetivar los
anlisis y determinar mediante este procedimiento la calidad de la brea y su futuro
comportamiento. Tambin se estn haciendo estudios por medio de ATD
pudindose apreciar las diferencias en los registros de las breas con o sin
tratamiento trmico. En estas circunstancias, an se utilizan los procedimientos
tradicionales y alguno ms moderno como el estudio de la presencia de mesofase
utilizando microscopio ptico.

La brea se puede vender slida o lquida. En el primer caso, se produce su

solidificacin bajo un chorro de agua fra al salir por unos orificios. Esta es la razn
de denominar a este tipo de brea como brea lpiz. La brea se seca y se evita la
formacin de polvo. El almacenamiento de esta brea debe hacerse en condiciones
en las que sta no pierda su carcter slido por efecto de un bajo punto de
ablandamiento, del calor o de la presin.

La brea lquida se transporta en vehculos isoter- mos desde los tanques de

almacenamiento en donde se mantiene fundida a 60-70C por encima de su punto
de ablandamiento; existe la desventaja de que se puedan alterar sus propiedades
por efecto del envejecimiento.

La brea slida se tritura en el taller de pasta y se dosifica, como un slido

cualquiera, en las amasado-

ras de pasta andica. La brea lquida se dosifica a las amasadoras mediante las
bombas adecuadas. La brea se caracteriza por los parmetros que se comentan a
continuacin, los cuales se determinan segn ensayos especficos.

Punto de ablandamiento. Determinar esta propiedad supone, mediante una

prctica estandarizada, encontrar a qu temperatura una brea presenta una cierta
viscosidad que permita su fluencia. Por medio de este parmetro se puede conocer
su poder ligante, la cantidad de voltiles, y propiedades tan lejanas como la
resistividad de los electrodos. El valor del punto de ablandamiento se determina
por mtodos empricos. Las breas oscilan en su punto de ablandamiento entre los
55 y 115 K.S. (una de las prcticas) teniendo aplicaciones distintas en la industria
del aluminio en funcin de ese parmetro.

Viscosidad. Las breas tienen un comportamiento tal que la velocidad de fluencia

es proporcional a la fuerza aplicada (comportamiento newtoniano). El valor de la
viscosidad en el punto de ablandamiento para una brea metalrgica ronda,
aproximadamente, los 8.000 poises. Esta viscosidad disminuye con la temperatura
de una forma drstica y, por ejemplo, es de slo 10 poises a una temperatura
50C por encima del punto de ablandamiento.

Los tratamientos trmicos especiales. El sometimiento de la brea a una

temperatura alta, 400-500C, y a la presin de 0,2-0,4 MPa (2-4 atm) incrementa
apreciablemente su contenido en insolubles. El soplado de aire a 300C produce
deshidrogenacin y condensacin. Las breas tratadas incrementan la necesidad de
ligante y el consumo de pasta por lo que, generalmente, no se admiten. Las
mejores breas son las de destilacin directa y no aqullas que se obtienen por
mezcla de otras ms secas, con productos ms ligeros.

Existe un fenmeno en el nodo Sderberg, denominado segregacin, que

consiste en que la brea y los finos se separan del resto de la granulometra del
coque. Este fenmeno no debe suceder y para ello se ha de escoger bien la brea,
el coque y la granulometra.

Carbono fijo. El propsito de una brea es permitir las operaciones del nodo y
unir, despus de la destilacin trmica de sus voltiles, los granos de coque

de forma correcta. El parmetro carbono fijo da una idea del residuo carbonoso
que quedar tras la coqui- zacin y volatilizacin de los componentes de la brea.
En principio, es deseable un valor alto del carbono fijo al tener un mayor
rendimiento de producto anodico y, quizs tambin, una mejor unin. El valor del
carbono fijo se determina por pirlisis en un crisol cubierto, rodeado de granos de
coque (atmsfera reductora), a una temperatura de 550C.

Peso especfico. Este parmetro es un ndice de la aromaticidad C/H e,

indirectamente, de su origen. Para valores altos, la aromaticidad es mejor.
Adems, se obtiene en el nodo mayor resistencia a la compresin.

Indice de aromaticidad C/H. La aromaticidad de la brea depende de la del

alquitrn. El parmetro C/H debe ser alto y la brea tendr alto rendimiento en
coque ligante siendo, pues, de buena calidad. Los valores para una brea de coque
se sitan alrededor de 1,8. Este parmetro es, quizs, hoy da, el ms importante
de una brea.

Anlisis de la solubilidad. Se ha estudiado la solubilidad de las breas en distintos

productos: benceno, tolueno, acetona, antraceno, quinolena, etc. Los residuos
obtenidos se denominan resinas y son productos naturales, impurezas slidas,
productos slidos del cracking trmico y tambin productos de coagulacin. Los
solubles en benceno son productos de bajo peso molecular, entre 2 y 20 anillos
aromticos (C/H alrededor de 1,5). Su valor cambia al tratar trmicamente la brea
(maduracin), pero no se aumenta el C/H ya que no se alcanzan las temperaturas
de cmara (las que producen la aromatizacin).

Se denomina resina beta a la fraccin insoluble en benceno y soluble en

antraceno (o quinolena). Su valor se halla por diferencia. Tiene entre 30 y 40
anillos y un C/H de 1,8. Esta fraccin tiene un alto poder aglomerante. Los
insolubles en quinolena constituyen la fraccin formada por partculas menores de
5 mjLt, negras. Pueden ser polvo de coque u holln. Su carbono fijo est sobre el
96% y su C/H por encima de 3,5 (los procedentes de la pirlisis). Los falsos
insolubles, producidos por maduracin (mesofase), tienen un C/H de 2,7. Los
insolubles en quinolena o resinas a son muy similares a los insolubles en
antraceno, producto este ltimo utilizado ms frecuentemente en Europa. La
importancia de las resinas, tanto a como P, es fundamental. As, sucede que las
resinas a pare-
 cen incrementar el contenido en carbono fijo. La importancia de los insolubles en
quinolena, as como las resinas beta, afectan de una forma clara las necesidades
de brea, que pueden acercarse al medio punto por unidad de tanto por ciento.

Finalmente, en el cuadro 3.12 se resumen las especificaciones ms importantes

de las breas, tanto lquidas como slidas.

f) Las resinas sintticas

La unin entre materiales carbonosos se hizo tradicionalmente por pastas de

juntas con constituyentes slidos (antracita o grafitos) y termoplsticos (brea).
Como se conoce, las breas se obtienen por destilacin de los alquitranes, de hulla
o petrleo, y en su composicin entra un cierto nmero de compuestos que se
pueden llamar resinas (a, (3, mesofase) y que tienen un papel determinante en el
proceso de com- pactacin-coccin y en el posterior sellado de los materiales
carbonosos.

Debido a los problemas txicos de la destilacin de la brea en la pirlisis de la

pasta de juntas, se han desarrollado pastas de sellado y colas de pegado basadas
en resinas orgnicas, ms o menos sintticas, de tipo fenlico o furnico. El
endurecimiento de stas se produce en fro por un proceso qumico.

Se puede explicar, sucintamente, la forma de actuar de las resinas orgnicas

sintticas mediante diversos procesos de polimerizacin. Los hidrocarburos con
dobles o triples enlaces entre carbonos (insaturados) pueden romper esas uniones
por accin del calor, presin, luz o un catalizador, formando polmeros. Los
polmeros obtenidos por polimerizacin aditiva son termoplsticos.

La polimerizacin tambin se puede hacer por condensacin; entonces, varias

molculas, al reaccionar con ayuda de un catalizador como, por ejemplo, el calor,
producen el polmero ms otro producto (agua, alcohol, cido, etc.). As, el fenol
ms un formaldehi- do produce el polmero fenol-formaldehido ms agua. Los
productos obtenidos son resinas las cuales son rgidas en cuanto se produce la
reaccin y no tienen termoplasticidad.

Finalmente, se encuentra el fenmeno de la cristalizacin polimrica. La

generacin de un cierto grado de cristalinidad en un polmero modifica sus
propiedades apareciendo mayor resistencia mecnica y a la fluencia. Se produce a
veces lo que se denomina uniones cruzadas y ramificaciones. Las cadenas
adyacentes se unen a la cadena del polmero mediante enlaces covalentes, ms
rgidos, que dan lugar a las propiedades antes citadas. La estructura coquizada de
estos polmeros suele ser carbono ms o menos grafitico en funcin de la
temperatura de pirlisis.
Tecnologa De Fabricacin De Electrodos (nodos)

Existen dos tecnologas distintas para la fabricacin de nodos en la industria del

aluminio: la Sder- berg y la de nodos precocidos.

Pasta Sderberg

Se conoce como pasta Sderberg la que se produce en las plantas de aluminio

primario para alimentar los nodos del mismo nombre. Est compuesta de dos
productos bien definidos: el coque de petrleo y la brea de alquitrn. En algunas
ocasiones, el coque puede ser de brea. Estas materias primas, amasadas en cierta
proporcin y condiciones y con una determinada gra- nulometra del slido, se
mezclan ntimamente en caliente producindose unas pastillas que, enfriadas y
slidas, se almacenan para posterior utilizacin en los electrodos.

a) La granulometra del coque

La granulometra del coque es fundamental para las buenas propiedades del

nodo, en particular su resistencia mecnica, densidad y consumo especfico. Se
han usado diversos tipos de granulometras. Las ms comunes tienen forma de S,
con un plato central, o, por el contrario, son en lnea recta. Las primeras han sido
las tradicionales mientras que las segundas se usan desde hace pocos aos.
 El caminar hacia esta tecnologa en lnea recta ha venido impuesto por la
necesidad de consumir menos

brea sin alterar las propiedades del nodo. Adems, estas pastas ms secas
emiten menos vapores cancergenos al ambiente.

Se describen, a continuacin, en el cuadro 3.13, las distribuciones

granulomtricas tpicas de las pastas Sderberg.

b) La calidad de la brea e interaccin con el coque

Anteriormente, se ha hablado de esta materia prima. En este momento, se

deben recordar las caractersticas a tener en cuenta para formar una buena pasta,
es decir, la mojabilidad del coque y la consecucin de una buena fluidez de la
pasta con las menores cantidades de brea posibles. Los insolubles en antraceno y
el punto de ablandamiento incrementan el consumo de brea para un mismo
alargamiento.

La densidad msica del coque, determinada por vibracin en un tubo graduado

al introducir una granulometra fina determinada (0,5 mm), debe ser mxima, en
torno a 0,85 g cm-3; esto implica unas necesidades de brea menores que se han
llegado a cuantificar en un ahorro del 0,25% por un incremento de la densidad en
0,01 g cm'3.

c) Fabricacin de la pasta

La fbrica de pasta Sderberg es una unidad de produccin bien diferenciada en

una planta de aluminio primario. Prcticamente todas las plantas cuentan con una
fbrica de pasta. En ella se preparan las materias primas carbonosas para obtener,
una vez mezcladas en caliente, las pastillas de pasta solidificada.

Un esquema de una fbrica de pasta se encuentra en la figura 3.48a. El coque

viene del almacn conducido por cintas que descargan en un sistema clasificador.
Los materiales gruesos se tratan en un molino tipo Simons (de cono excntrico) y
los finos se obtienen mediante molienda en molino de bolas. El coque seco se
conduce en cintas hasta un elevador de cangilones, siendo previamente tratado en
un molino de impacto. El producto se descarga en una tolva de almacenamiento o
directamente sobre las cribas vibratorias clasificadoras. El coque se criba en las
fracciones siguientes: 10-5 y 5-1,1-0,2 y < 0,2 mm. Esta ltima fraccin se
obtiene en el molino de bola con cicln y filtros de mangas. El rechazo pasa por el
molino de impacto. En caso de trabajar con coque de brea se precisa una molienda
en molino Simons al ser este material ms duro. Todas las granulometras se
almacenan en los silos correspondientes y por medio de dosificadores controlados
se prepara la granulme- tra especfica de la pasta. Este material se mezcla y
precalienta mediante tornillos mezcladores y precalentadores. La brea slida se
muele en un molino de martillos y se agrega en la primera de las dos amasadoras
-continuas o sigma- obtenindose la pasta caliente (160-170C) que se extruye en
hileras y se corta en pastillas bajo un bao de agua.

La pasta se controla por un parmetro muy grosero que es el alargamiento.

Aunque existan distintas prcticas, las ms normales consisten en someter un

cilindro de pasta a calentamiento, durante un cierto perodo de tiempo, en una

placa soporte inclinada con cunas y observar el tanto por ciento de alargamiento.

La fbrica de pasta ha de estar, en lo posible, atenta a la produccin de aluminio

debiendo poder actuar sobre la molienda para cumplir la granulometra y actuar
sobre la calidad de la brea y su tasa de adicin, y colaborar con los tcnicos para
estudiar las mejores materias primas, con el fin de suministrar la mejor pasta a la
serie.

La fabricacin de los electrodos andicos precocidos

a) Materias primas

Las materias primas son las mismas que para la pasta Soderberg: coque de
petrleo y brea metalrgica. En realidad, las especificaciones de estos dos
materiales son similares a las que se utilizan para la pasta mencionada; quizs, la
brea sea la que tenga una especificacin ms diferenciada ya que su papel es
distinto en las dos tecnologas de fabricacin de aluminio.

En el cuadro 3.14 se recogen las especificaciones del coque utilizado para los
nodos precocidos.

Especificaciones de la brea para nodos precocidos: Mientras en la tecnologa

Soderberg el nodo se ha de cocer en el proceso y la pasta fundida servir
 tambin para taponar los agujeros de las agujas, en la tecnologa precocida la
brea solamente tiene un papel de ligante hasta la coccin del bloque andico; por
esta razn, las necesidades de este ligante son muy inferiores estando alrededor
15-18% (28%, o ms, en la pasta de Soderberg). El amasado se suele hacer con
una sola amasadora. Es muy importante hacer el prensado a una temperatura
controlada y constante (en el entorno de 140-145C) para mejores caractersticas
del bloque andico crudo, en particular, de su densidad y la ausencia de grietas.

b) Conformado del electrodo

El conformado del nodo se puede hacer por prensado, de simple o doble efecto,
o bien por vibropren- sado (figura 3.48b). La tendencia es la de utilizar el
vibroprensado para los nodos grandes que hoy se utilizan en las plantas
modernas de aluminio. La presin, la frecuencia de vibracin y su energa
condicionan el buen nodo crudo.

Los bloques andicos crudos se inspeccionan a nivel de grietas y se determina su

densidad, que debe ser del orden de 1,60 g cmf3, y sus dimensiones ( 6 mm
de tolerancia). El tamao de los nodos y su nmero es funcin de la intensidad de
diseo de las cubas precocidas. Hoy da, una cuba, para una intensidad de 150 kA,
puede tener unos veinte nodos de dimensiones 1.400 x 700 x 500 mm3 y con un
peso unitario de unos 800 kg. Si las

dimensiones son 2.000 x 1.000 x 600 mm3, para 300 kA, los nodos pesan
2.000 kg aproximadamente.

c) Coccin de los nodos

Esta operacin se lleva a cabo en dos tipos de hornos: de coccin (del tipo de los
de conductos horizontales; figura 3.49) y de Riedhamer (del tipo de los de
conductos verticales).

Ambos hornos son de trabajo en anillo; esto quiere decir que son continuos y
que mientras unas cmaras se estn llenando, las que hay a continuacin estn en
precalentamiento, las siguientes en coccin, las siguientes en enfriamiento y,
finalmente, se tienen las cmaras vaciando. El ciclo trmico es de varios das
(figura 3.50). En este proceso el nodo pierde un 6% de su peso en crudo.

Una vez que los nodos alcanzan la temperatura mxima de coccin, que est
sobre los 1.150C, se les mantiene durante varias horas. Los hornos disponen de
varias secciones de fuego, tres o cuatro, con capacidades de 50.000 Mg de nodos
cocidos por ao, e incluso ms.

Los nodos se encuentran en las fosas empaquetados con antracita o coque, que
se carga y descarga con un puente auxiliar. Esto permite que, al pasar por la
temperatura de reblandecimiento, los bloques andicos no pierdan su forma
original. La transmisin de calor es indirecta a travs de la pared que separa los
conductos de gases de combustin y las propias fosas.
d) Sellado de los nodos

Los nodos cocidos se retiran de los hornos y, una vez limpiados de las
adherencias, se envan al almacn de producto cocido. La parte superior del nodo
lleva conformados los agujeros en los que se van a

sujetar las patas de acero de los vstagos de aluminio (figura 3.51).

En esta operacin, que se denomina sellado, se usa fundicin o pasta adecuada

para esta operacin, lo que no influye en la cada de tensin de forma importante.
 e) Calidad de los nodos precocidos: caractersticas

Es indudable que la calidad, en cuanto a pureza de un nodo, depende de la

calidad de las materias primas. Por ello, el contenido en los diversos elementos
contaminantes menos nobles que el aluminio ha de ser bajo ya que stos pasan,
en su totalidad, al metal. Otros elementos, como los alcalinos o el fsforo, tienen
efectos diversos en las reacciones carbn-oxgeno, C02-car- bn, e incluso
cambian las caractersticas del bao al aparecer reacciones secundarias.

En cuanto al sodio, se recicla con los restos an- dicos machacados que se
introducen en la granulo- metra de fabricacin de la pasta cruda. La limpieza de
las costras de estos restos andicos debe ser, por tanto, cuidadosa.

La densidad bulk del coque es crucial para la calidad del mismo. El paso de 0,80
a 0,88 gr cm-3 supone un aumento de densidad de cocido de 1,3-1,4 a 1,4-1,5 g
cm-3, una disminucin de resistividad de 90-80 a 70-55, un aumento de la
resistencia a la compresin de 200 a 450 kg cm2 (20 a 45 MPa), y un aumento
de la conductividad trmica de 3 a 5 W m_1.C_1.

f) Especificaciones de los nodos

En el cuadro 3.15 se presentan las especificaciones de los nodos precocidos.

El contenido de brea mejora, en general, la calidad del nodo; as, la densidad

aparente pasa de 1,40 a 1,51 al aumentar del 14 al 18% el contenido de brea. La
resistividad elctrica disminuye bajando de 80 a 50, la conductividad trmica pasa
de 4 a 4,5, la permeabilidad disminuye de 250 a 25. La resistencia a la compresin
pasa de 200 a 400. El contenido en brea afecta a la densidad aparente del nodo.
Las resinas verdaderas mejoran sensiblemente la calidad del nodo.

La granulometra del agregado tambin est relacionada con las caractersticas

del nodo. Hoy se tiende a distribuciones en lnea recta en contraposicin con las
curvas en S con plato en el centro.

Parece que la adicin de restos andicos no afecta demasiado las propiedades

del nodo produciendo nicamente tensiones internas y aumentando el consumo
de nodo, aunque se precisa incrementar la tasa de brea para grandes adiciones.

La resistividad desciende, lgicamente, con la temperatura de coccin.

El contenido en cenizas vara entre plantas: de 0,4 a 1,2; el Si, entre 0,01 y
0,03; el Fe, entre 0,02 y 0,12; el V, entre 0,005 y 0,030; el S, entre 0,7 y 1,6; el
F, entre 0,01 y 0,15; y el Le entre 36 y 51.

Una buena conductividad trmica y un bajo coeficiente de expansin garantizan

las propiedades mecnicas de un nodo. Ambas mejoran sensiblemente con la
temperatura de coccin. As, la conductividad trmica puede ser 4 W m-1
0C_1, cociendo a 1.000C, y pasar a 4,2 si se cuece a 1.100C.

La cada de tensin en el nodo se puede dividir como sigue: 16% en la pata,

12% en el contacto pata- nodo y 72% en el bloque de carbn.

Se puede decir que un valor de 7,0 MPa de resistencia a la flexin es adecuado,

as como un mdulo de Young en flexin de 7 10~3 MPa.

Los agregados gruesos y los contenidos altos en brea dan mejores propiedades
fsicas y trmicas.
 El control del proceso en la fabricacin de los nodos se basa fundamentalmente
en los siguientes pasos:

1. Control de las materias primas: coque y brea.

2. Control de la molienda: curva granulomtrica.

3. Control de dosificacin.

4. Temperatura de mezcla.

5. Temperatura de amasado.

6. Temperatura de carga al molde.

7. Temperatura del molde.

8. Vibrado. Densidad en crudo. Dimensiones del nodo.

9. Coccin correcta: 1.150 50C.

10. Limpieza del nodo (sin mucho material pegado por exceso de brea).

11. Ausencia de fracturas o grietas importantes.

12. Sonido correcto al martillo (buena coccin).

g) El consumo del nodo

Las reacciones en la superficie andica se pueden expresar a travs del

rendimiento de corriente o de Faraday, R. La reaccin resumen equivalente es:

El consumo de carbn es de 333R1 kg/Mg de Al; este valor pasa a ser de

333/C1(l+x+y) siendo jk la oxi- rreactividad e y la carboxirreactividad. La reaccin
andica produce oxgeno naciente; o bien el ion Al2OF62", en presencia de C y F~,
produce C02:

que es la reaccin electroqumica andica termodinmicamente favorable. La

reoxidacin del aluminio
 disuelto, que se encuentra en la proximidad del nodo, por el C02 genera una
cierta cantidad de CO. La reaccin total (andica + catdica) de cuba es:

La reaccin catdica correspondiente a la anterior es:

El balance final indica una produccin de 2R de Al; ya que se consumen 3/2

tomos de carbono, el consumo especfico es el ya hallado 333/R; en todo caso
habra que introducir el factor de oxirreactividad y carboxirreactividad (1 +x+y).

Como se ve en las reacciones anteriores, el consumo de nodo viene

determinado por: la cantidad termodinmica necesaria; la cantidad que se pierde
como carbonilla; la cantidad que se oxida al aire; la cantidad que se oxida por el
C02; y las prdidas mecnicas.

El aumento de la densidad de corriente disminuye drsticamente el consumo de

nodo. El rendimiento de corriente disminuye con la carbonilla debido al
incremento de la resistividad del bao que aprieta las cubas (se disminuye la
distancia interpolar). La carbonilla calienta las cubas y baja el rendimiento de
corriente, ms o menos, un 0,15% por grado centgrado. Se puede decir que el
rendimiento de corriente es afectado por el nodo en tanto se vare el consumo
especfico de carbn; as, parece ser que un nodo que mejore su consumo en
0,01 kg/kA h aumentar la eficacia de corriente, como mnimo, en un 2%, en
particular en los nodos precocidos.

La fabricacin de la pasta catdica

Se han descrito con anterioridad las materias primas carbonosas. Para la

fabricacin de la pasta catdica se utilizan las siguientes: antracita (desgasificada
o electrocalcinada), grafito, brea o resinas.

Las granulometras correspondientes de los materiales slidos (antracita y

grafito) se estudian cuidadosamente para producir una pasta compacta y densa
que en su coccin no tenga contraccin y sirva para el cierre estanco de las juntas,
pequeas y grandes. El tipo de ligante utilizado tradicionalmente es una brea de
bajo punto de ablandamiento (40) o bien se pueden utilizar distintos tipos de
resinas entre las que destacan las fenlicas. El amasado suele ser discontinuo en
amasadoras tipo doble sigma.
 La pasta tradicional se compactaba en caliente (110C) con el correspondiente
peligro producido por la exposicin a los gases destilados de la brea, que son
dainos para la salud. En este sentido, se ha caminado hacia una especificacin de
pasta menos caliente (50-60C) que emite muchos menos gases y a la que,
siguiendo teniendo brea como ligante, se pueden aadir otros productos.

Finalmente, la pasta fra est imponindose cada vez ms. Diversas compaas
americanas y europeas la utilizan de forma mayoritaria o prcticamente total. Esta
pasta se aplica a temperatura ambiente y el endurecimiento se produce por efecto
de la resina agregada. En este caso, el trabajador no est expuesto a los humos de
las breas mientras trabaja en la confeccin de las juntas.

Se utiliza principalmente antracita electrocalcina- da con las siguientes

especificaciones: menos del 77% de cenizas; 1,88 g cm-3 de densidad real; 350-
500 KT4 Q cm de resistividad; 0,3-0,5% de Fe; 0,2-0,3% de S; y menos de 15
mm de tamao.

La fabricacin se hace en una planta similar a la de pasta de nodos. Una

granulometra correcta, similar a la del bloque catdico, se mezcla con un 15% de
brea en amasadoras doble sigma. As, se obtiene un producto homogneo que
dar, tras compactacin a 110C y posterior coccin, las mejores propiedades en
cuanto a densidad, resistividad, ndice de hinchamiento y resistencia mecnica.

El ctodo de la cuba de electrlisis

El recipiente que contiene el metal y el bao fundidos, a la temperatura de

950C, se denomina ctodo de la cuba al ser, obviamente, donde tiene lugar la
reaccin catdica.

Tiene pues el ctodo que cumplir dos misiones: ser un conductor para el aporte
electrnico a dicha reaccin y, a la vez, ser un horno resistente al aluminio fundido
y, lo que es peor, a las sales fundidas de base criolita.

El nico material que de forma industrial ha demostrado cumplir estos requisitos

es el carbn. As que el ctodo se fabrica de este material; en un principio, se
haca a partir de material carbonoso que se construa monolticamente, y hoy se
hace con diversas piezas unidas mediante la pasta catdica de la que se ha
hablado en el apartado anterior.

En resumen, el ctodo es un gran cajn de acero, con forma de doble

paraleppedo y con las esquinas truncadas, en el que la parte inferior, por donde
salen las barras conductoras, es de dimensiones ligeramente menores que la
superior, la cual contiene el metal y el bao fundidos.

En alguna de las figuras expuestas con anterioridad se ha podido ver algo sobre
la forma del ctodo y su constitucin; ahora toca hablar de los materiales que lo
conforman y algo sobre su diseo.
 En las figuras 3.52 y 3.53 se muestran los cortes transversales de dos tipos de
ctodos: el europeo y el americano. La diferencia fundamental entre ellos es que
producen distintos perfiles de talud al ser el recipiente americano cuasiprismtico y
el europeo tron- copiramidal.
 La disposicin de materiales se hace, hoy da, con la ayuda de un modelo
electro-trmico y con otro magntico. Los materiales constitutivos del ctodo son:
los ladrillos aislantes, los refractarios, la pasta de juntas, los bloques catdicos y
las losetas catdicas.

De la pasta de juntas se ha hablado ya. Quedan por exponer las caractersticas y

especificaciones de los otros materiales catdicos.

El cajn de acero que contiene el ctodo debe de

ser robusto, preferiblemente fortalecido con cunas, o sujeto por vigas en pie
derecho.

a) Los materiales aislantes

Los ladrillos aislantes deben tener una baja conductividad trmica (0,14-0,18 W
m_1 C_1) compatible con una resistencia mecnica al aplastamiento
aceptable (2,0 MPa).

Las tolerancias dimensionales deben ser menores del 1% de la dimensin

correspondiente no presentando deformacin cncava y, en su caso, si la hay, sta
debe ser menor de 2 mm.

Existen algunos ensayos de resistencia al ataque por bao alcalino (fluoruros),

pero no estn generalizados.

Es frecuente que estos materiales, con baja resistencia a la compresin, se

aplasten en el perodo de uso habiendo disminuido en algunos casos su grosor a la
mitad.

Las mejores calidades de aislantes se fabrican con tierra de diatomeas.

b) Los materiales refractarios

El ladrillo refractario de las cubas de electrlisis tiene un papel importante ya

que, an no estando en contacto con los materiales (el bao fundido, el aluminio y
el metal), debe mantener sus caractersticas durante todo el perodo de vida til
de la cuba y debe tener buen comportamiento si es alcanzado por el bao.

Existen dos tendencias: una, que recomienda el uso de un ladrillo de baja

almina y caractersticas mediocres, y otra, que defiende que el ladrillo debe ser
de un contenido ms elevado de almina y caractersticas buenas. Las cubas con
un buen control de proceso y baja temperatura en el refractario pueden marchar
muchos aos con un ladrillo de caractersticas bajas, pero las cubas con un control
de proceso no muy adecuado y con carga de potencia excesiva pueden morir con
rapidez an usando un buen ladrillo.

Las especificaciones del ladrillo refractario son: una tolerancia dimensional de

1% y una flecha menor de 2 mm.
 Las materias primas utilizadas para fabricar este tipo de refractarios
silicoaluminosos, de contenidos bajos o medios en almina, son las chamotas y las
arcillas a las que se pueden aadir materiales enriquece - dores de almina:
silicatos ricos en almina o bauxi- tas calcinadas.

La resistencia a la compresin es de 30 a 45 MPa, 2-2,1 g cm3 de densidad

aparente, 1,2 a 1,4 de conductividad trmica, 28 a 40% de almina y 68 a 55% de
slice.

c) Los bloques catdicos

Desde hace muchos aos se vienen utilizando preformas, o bloques

preformados, para la construccin de las cubas electrolticas. Entre estos destacan
los bloques catdicos, pero adems existen las losetas de costado y, ms
recientemente, los bloques sustitutivos de la denominada junta grande. En la
figura 3.54 se muestra la situacin de estos materiales en la cuba:

(1) es el bloque en seccin longitudinal; (2) y (2) es la loseta en seccin

longitudinal y transversal; (3), (3) y (4) son juntas; y (5) es la pasta (cola) de
pegado y sellado de bloques.

Los materiales con los que se construyen las preformas y las pastas son mezclas
de distintos slidos en grano, como antracita EC (electrocalcinada), grafito y, rara
vez, coque, con productos aglutinantes, como breas de distintos tipos o resinas
orgnicas.
 La fabricacin de estos materiales se hace en plantas muy parecidas a una
planta de pasta andica, ya vista. Es aceptado el uso de antracita, material
carbonoso impuro y por tanto no utilizable para la fabricacin de electrodos
andicos; no obstante, en el ctodo se acepta al no tomar parte el material en la
reaccin electroltica y aunque pueda ser atacado de forma muy lenta en el
transcurso de la vida de la cuba.

El esquema de una fbrica de bloques catdicos se presenta en la figura 3.55.

En esta fbrica se pueden hacer losetas o piezas de forma. El sistema consta,
como parte no descrita en la planta de pasta Sder- berg, de una extrusora para
sacar los bloques y losetas. Las piezas de forma, en algn caso, se pueden hacer
por compresin o extrusin, y en otros casos se hacen

manualmente, dentro de un molde por apisonado de varias capas de material,

trabajando en caliente, si es con brea, y en fro, si se usa como ligante resina.

Tipos de bloques

Existen cinco tipos fundamentales de bloques: antracticos, semigrafticos,

grafiticos, semigrafitiza- dos y mixtos.

Los primeros estn fabricados con antracita EC y brea. Los semigrafticos estn
fabricados con grafito artificial (fabricado a partir de coque de petrleo o de brea
calentados por encima de 2.500C). Esta materia prima es el grano que se mezcla
con brea y se fabrican los bloques que posteriormente se cuecen en un horno a
1.000C.

Los bloques grafiticos se fabrican, por el contrario, a partir de coque de petrleo

o de brea. Estudiada una composicin granulomtrica adecuada, se amasa con
brea y se extruye para formar el bloque crudo. Despus, se cuece a 900C y se
somete, ms tarde, en horno elctrico, a otra coccin entre 2.700 y 3.000C. El
producto final es prcticamente 100% grafito.
 Finalmente, los bloques semigrafitizados se fabrican como los anteriores pero la
temperatura final de calentamiento es slo de 2.200-2.400C con lo que la
grafitizacin no es tan completa.

Existen otros bloques que se podran llamar mixtos y cuya composicin es

parcialmente grafitica siendo el resto antracita.

Las tolerancias dimensionales son: 10 mm en cuanto a longitud; 6 mm en

cuanto a anchura; y 5 mm en cuanto a altura. El bloque tendr la ranura de
alojamiento de la barra segn se puede ver en las figuras anteriores donde se
muestran cortes transversales de los ctodos. Para obtener buenas superficies,
bien acabadas, los bloques se mecanizan.

Las ltimas tecnologas apuntan hacia el uso del bloque con grafito buscando,
principalmente, disminuir entre una y dos dcimas de voltio la cada de tensin
catdica. El uso de estos bloques cambia radicalmente la distribucin trmica en la
cuba, se genera menos calor en el bloque por efecto Joule y, adems, se conduce
ms calor por unidad de tiempo desde el metal al refractario. La distribucin de
isotermas cambia y esto puede alterar la zona de rotura del bloque la cual est
muy relacionada con la congelacin de fluorados de impregnacin que
normalmente se asocia con la isoterma 900C.

Existen otros materiales catdicos que se usan en menores cantidades. Entre

ellos merecen destacarse las barras catdicas de acero extra dulce, con buen
acabado en las caras de su seccin cuadrada o rectangular, y con menos del
0,10% de C, 0,05% de P y 0,01% de N.

d) El diseo del ctodo

 El diseo del recipiente catdico es un paso fundamental para el buen
funcionamiento de las cubas de electrlisis. El ctodo, como se ha visto,
compuesto de distintos materiales, tiene un comportamiento trmico y elctrico
que es preciso disear.

Los sistemas de ecuaciones diferenciales que gobiernan la distribucin de

tensiones elctricas y de temperaturas se pueden resolver, dentro de los distintos
materiales, por varios procedimientos tres de los cuales son: mtodo de la
relajacin (con una red de puntos cuadrada); mtodo de las diferencias finitas (red
triangular); y mtodo de elementos finitos (red triangular o cuadrada).

Con la ayuda de un ordenador y conociendo las condiciones de contorno (que

suministran los sensores externos o internos), se puede resolver el campo de flu-

jos de calor e isotermas de temperaturas y el campo de corriente y las curvas de

isotensin elctrica. Se calculan as los campos trmico-elctricos en equilibrio.

La situacin de la isoterma de cristalizacin de fluorados por debajo del bloque

evita que ste se rompa por presin de cristalizacin. Esto se consigue con
redistribuciones convenientes de refractario y aislante para una cierta potencia
generada en el bao. En la figura 3.56 se ve como se mueve esta isoterma, tan
peligrosa para el bloque, cuando se cambia el bloque antractico a grafitico y luego
se incrementa el aislamiento para conseguir ahorro energtico.

La Fundicin En Una Planta De Aluminio Primario

El aluminio metal obtenido en las cubas electrolticas debe retirarse, para su

procesado, cada 24 horas. Con el fin de conseguir que las cubas no tengan
alteraciones trmicas importantes, se pens en una colada continua pero se
desestim por razones operativas a pesar de las claras ventajas que aportara al
control del proceso una altura de metal constante.

El metal, colado por sifonado de cada cuba, con un peso aproximado dado por la
expresin:

en donde I se considera en kA para hacer el clculo, se vierte en un caldero

comn por medio del cual se transporta a la nave de fundicin. Los camiones
vierten el aluminio en distintos hornos en los que se preparan las aleaciones
programadas.

La fundicin tiene, en la planta de aluminio primario, el fin primordial de

tratamiento y solidificacin del metal en las mejores condiciones para obtener un
semie- laborado, o un lingote limpio y homogneo, con la composicin y el formato
adecuados.

Dentro de la fundicin se realizan los tratamientos trmicos inherentes a la

produccin de un slido homogneo, no slo composicionalmente sino tambin
desde el punto de vista de su estructura cristalina, la cual habr de ser fina y
adecuada para disponer de un producto que pueda someterse posteriormente a
tratamiento de deformacin.

Las fundiciones realizan, desde antiguo, algunas producciones de material final,

como el hilo elctrico, utilizando las tcnicas apropiadas y hoy da, adems, tienen
tambin instalaciones de colada continua de banda que, en cierto modo, acercan el
producto ms al laminador.

Las mejoras en los tratamientos trmicos de los productos semielaborados,

tochos y placas, hacen que la calidad y productividad se hayan incrementado
notablemente. Los antiguos hornos estticos han dejado paso a los modernos
hornos en lnea.

El control de calidad en una fundicin es tan prioritario que de l depende cada

vez ms la introduccin y competencia en los mercados ms exigentes. Mediante
tcnicas modernas se garantiza la calidad del producto que se sirve a las plantas
de transformacin y a los fundidores.

Se puede decir, por ltimo, que una fundicin que marcha correctamente es, sin
lugar a dudas, el mejor espejo para mirar el buen hacer de una planta de aluminio
primario.

La colada del metal

Segn la frmula aproximada que da la produccin diaria en kg de la cuba:

 donde I es la intensidad de corriente en kA y Re rendimiento de corriente en
tanto por uno, se puede colegir que la produccin por cuba en las series ms
extendidas -entre 100 y 250 kA- oscilar entre 0,75 y 1,88 Mg/da. Esta cantidad
de metal colado diariamente procede de todas las cubas productivas. Al tener las
series entre 100 y 200 cubas, se ha de tener capacidad de colar, mover, tratar y
solidificar entre 75 y 375 toneladas de metal por serie. ste es el trabajo de la
fundicin.

La programacin de la colada ha de tener en cuenta la disponibilidad de las

mquinas de colada por succin -crisoles movidos por un vehculo o colgados de
un puente-, los turnos en que se cuela y el anlisis del metal de cada cuba, as
como su posicin en la serie, para poder atender de esta manera a las previsiones
que surgen de los pedidos que tiene la factora de reduccin.

Los contenidos en hierro, silicio y otros metales condicionan el direccionamiento

del metal a las distintas bolsas de colada (los grandes crisoles de transporte) para
luego ser descargado en los hornos disponibles. Existen programas de ordenador,
cada vez ms depurados, que, conociendo el anlisis y posicin de las cubas, as
como las precisiones de las aleaciones a fabricar, proponen una o ms soluciones
del programa de colada. Los tiempos de colada, el sobrecalentamiento del metal,
el tiempo de tratamiento en cada horno y su capacidad son datos fundamentales
que se manejan en la programacin de la colada.

Si la marcha de la serie, o de las series, de que disponga la instalacin es la

correcta, y no hay problemas mayores, es cada vez menor el nmero de casos en
los que no se puede atender a la demanda de la fundicin en un 100%.

Cuanto ms estable sea la marcha de las series de electrlisis y cuanto ms alta

sea la pureza del metal, el problema tiene mejor solucin.

La sobretemperatura del metal colado en las bolsas permite un tiempo de

maniobra para realizar la colada de las cubas que llenarn dichos recipientes. Una
vez lleno, un camin especial transporta la bolsa a la nave de colada, pasando
previamente por una pequea planta en la que se produce el desnatado del bao,
es decir, la eliminacin de la almina e impurezas que suben a la superficie del
caldero. As, el metal llega a la fundicin ms limpio.

Tratamiento del metal

Antiguamente, la prctica comn en ciertas compaas era introducir el metal en

un horno de reposo, con calentamiento elctrico, en el que, se produca la
homogeneizacin, limpieza y eliminacin de sodio de todo el material colado. El
metal, en cantidad de 20 Mg, pasaba posteriormente a un horno de colada
calentado por fuel o gas. En este horno, se hacan los tratamientos con gases,
principalmente, nitrgeno o gases inertes y cloro, con el fin de desgasificar de
hidrgeno, de oxidar elementos en disolucin, como el sodio, y de limpiar de
impurezas slidas el caldo. El hidrgeno existe en el metal fundido debido a la
reaccin del aluminio a altas temperaturas con la humedad y los gases del
ambiente. Este hidrgeno se disuelve en el metal y, aunque su solubilidad
disminuye con la temperatura, da malas propiedades al metal solidificado, al que
fragiliza.

La base de la deshidrogenacin es la siguiente. Una burbuja de gas en el interior

de un lquido tiene una presin igual a la presin metalosttica a la que se
encuentra. Si se supone que la altura del metal es x centmetros y la densidad del
aluminio es 2,37 g cm-3, la presin metalosttica es de 0,2325.x kPa. Por tanto,
la presin total para una altura de metal de 100 cm ser 0,1246 MPa. A esta
presin del gas le corresponde en la burbuja, al comienzo de su formacin, una
presin de hidrgeno prcticamente nula, con lo que el hidrgeno disuelto en el
metal, que puede alcanzar como cifra* orientativa el 8,9 10"5% en peso, cuando
la presin interna es de

124 kPa (y nula de H2), tender a pasar a la burbuja producindose la

evacuacin del mismo.

La reaccin de desgasificacin es la siguiente:

La solubilidad del hidrgeno en el metal est afectada por la temperatura y la

concentracin de aleantes por lo que es preciso corregir la Ley de Sievert. Para el
equilibrio anterior, la constante es:

de aqu se llega a que la concentracin en el metal ser:

y corrigiendo para tener en cuenta el efecto de la temperatura y los aleantes, se

llega a:

donde P es la presin de hidrgeno en atmsferas; S es la solubilidad del

hidrgeno, en cm3 normales por cada 100 g de metal, en aluminio puro a 973 K y
101,3 kPa (1 atm), es decir, 0,92 mi H/100 g Al (8,9 10"5% en peso); CA es el
coeficiente corrector de composicin:
 donde c. se expresa en % en peso; y CT es el coeficiente corrector por
temperatura:

Las expresiones de CT y CA se deben a Doutre y Dewing. Manteniendo pues el

contenido de H2 en el gas de purga se puede controlar el contenido residual de
hidrgeno.

La eliminacin del H2 depende de la cantidad de gas borboteado y de los

contactos gas-lquido. Tam

bin se podra utilizar vaco para desgasificar el gas. La presencia de este

hidrgeno y la disminucin de la solubilidad del mismo con la temperatura hace
que puedan quedar burbujas indeseables y que haya precipitacin interna de gas,
a alta temperatura, durante los tratamientos trmicos. Tambin se habla de que el
hidrgeno molecular es el posible causante de discontinuidades que hacen al metal
ms susceptible a la corrosin bajo tensin (especialmente en las aleaciones de Al-
Mg).

Para obtener piezas sin poros, en colada por gravedad, se precisa la

desgasificacin previa del metal lquido. Este requisito es menos crtico en la
fundicin inyectada debido a la mayor velocidad de enfriamiento utilizada y a la
presin de inyeccin empleada.

Preafino del metal

Existen distintas formas de eliminar el Na e incluso el Li del metal. El efecto

beneficioso del Cl2 diluido en argn, o el del nitrgeno, sirve para eliminar el Na;
sin embargo, el Na se puede eliminar simplemente dejando el metal reposar a alta
temperatura. La alta tensin de vapor del Na (0,986 atm a 730C) hace que ste
baje su concentracin eliminndose del metal. Algo similar ocurre con el Li. En
plantas que utilizan baos con criolita de litio, el contenido del metal sobrepasa los
lmites para algunas aplicaciones con lo que el tratamiento con F3A1 se hace
inevitable:

El borboteo de Cl2 no slo se usa como purifica- dor de Na y Li, se sabe,

adems, que facilita la limpieza y el desgasificado.

Si se supone que el burbujeo es suficiente, de forma que el Na pueda reaccionar

en la superficie de las burbujas, esto supone que cualquier cloruro formado en
dichas burbujas reaccionar con el Na. La evaporacin del sodio en la superficie
estar controlada por el transporte del mismo a dicha interfase.

En el caso de aleaciones Al-Mg parece que el MgCl2 desempea un papel

importante en la eliminacin del sodio. La causa es que se producen cantidades
importantes de gotas de MgCl2 de unos 30 jum. La presencia de MgCl2 en las
natas que flotan ratifican lo afirmado. Cuando el aluminio es puro las costras slo
contienen almina, probablemente, porque hay pocos cloruros.

El uso de sales propiciadoras de la limpieza es tambin una prctica usual para

eliminar impurezas por reacciones de intercambio. As pues, sucede que:

siempre que M sea un metal deseable y menos activo que el sodio. Lo mismo
sucede con el Li al usar fluoruro de aluminio.

Si, adems, la sal tiene propiedades fundentes y baja viscosidad a la

temperatura del metal, se propicia la limpieza de las inclusiones.

Instalaciones de preafino y desgasificado

Hay diversas tecnologas para el tratamiento del metal a la salida del horno,
antes de colar, para realizar as el deshidrogenado, la eliminacin del litio y otras
operaciones preafinadoras. En la figura 3.57 se puede ver la instalacin de
Pechiney, de uso comn en varias fbricas. En la figura 3.58 se ve la disposicin
del desgasificador entre los hornos y la instalacin de colada.

En general, estas mquinas estn constituidas por rotores cermicos que

permiten un perfecto contacto de los gases o fundentes afinantes con el metal. La
introduccin de los gases se hace igualmente por lanzas cermicas (carburo de
silicio nitrurado) que tienen en la parte final un difusor. Tanto los rotores como las
lanzas, se

pueden introducir en forma alternativa dentro de la artesa en la que el metal se

preafina. A la salida de la artesa el metal puede filtrarse antes de ser colado.
 La eliminacin de inclusiones

Estas partculas o inclusiones en el metal pueden producir defectos, o causar

problemas, tanto en los productos como en los procesos, tales como: mal acabado
superficial, rotura incipiente, defectos en el aluminio brillante, roturas en botes de
bebida, porosidad interna, maquinabilidad ms difcil, menor brillo del aluminio
anodizado, agujeros pinholes en el papel, y disminucin de la vida de las matrices
de extrusin.

Las partculas que incorpora el metal tienen naturaleza diferente. Algunas son
productos de oxidacin, como puede ser la almina y otros xidos; otras, son
pequeos trozos de material refractario o escorias; finalmente, puede haber otras
partculas que se introdujeron en los tratamientos del metal.

Las inclusiones pueden eliminarse por medio de tratamientos de gaseado,

manteniendo el horno a alta temperatura, mediante el uso de sales, etc.; sin
embargo, la garanta final de que el metal se cuele puro slo se tiene si se procede
al filtrado del mismo.

En cualquier caso, hoy da existen filtros de tipo cermico que actan de forma
doble: a) creando, con el tiempo de colada, una capa de partculas retenidas que
hacen, a su vez, de filtro ms fino; y b) reteniendo partculas dentro del propio
filtro. El filtro es eficaz si su estructura interna es la adecuada para retener las
distintas morfologas, tamaos y calidades de partculas, y si no se ve afectado por
interacciones con las partculas slidas. El carburo de silicio es un material idneo
para la fabricacin de filtros aunque tambin se usan otros materiales cermicos.

Adicin de aleantes, modificadores y afinantes

Previamente a la colada deben de hacerse en el horno las adiciones de aleantes

y otros elementos cuyo fin es conseguir buenas propiedades estructurales o
conductoras en el producto final. Se denominan metales de adicin los que
persiguen los siguientes fines: afinar el grano, como el conjunto Ti-B-Al o el Ti-Al;
modificar las aleaciones para fundicin, como el Na en las aleaciones Al-Si; y
aumentar la conductividad elctrica, como el B-Al.

Los modificadores de las aleaciones de fundicin actan preferencialmente sobre

la estructura de los eutcticos intergranulares evitando el crecimiento de cuboides
de silicio -al no conseguirse una cristalizacin planar en un frente comn, como
corresponde a un eutctico- y propiciando la estructura eutctica de pequeas
lminas de silicio en la matriz de aluminio. Estas aleaciones se suministran en
pequeos lingotes o en varilla que se introduce en canal de colada.

Como elementos de aleacin se utiliza una amplia gama de metales; entre ellos
el Mn, Cu, Cr, Zr, Fe, etc., que se pueden adicionar como aleaciones madre
(diluidos en aluminio), en lingotes o tabletas, o en otros casos puros. Estos
elementos se adicionan al horno.

Tanto las aleaciones madre, como los lingotes o las tabletas de Ti-B-Al, Si-Al o
B-Al, deben estar limpias y con las composiciones prescritas para conseguir los
fines perseguidos de composicin y calidad de la aleacin.

Tratamientos trmicos

En la fundicin de las plantas primarias se encuentran los hornos de

tratamientos trmicos. A continuacin, se describen el tratamiento de homogenei-
zacin de los tochos, as como sus instalaciones.

a) Homogeneizacin

La homogeneizacin es un tratamiento trmico que se aplica, principalmente, a

las preformas de extrusin, es decir, a los tochos. Con este tratamiento, se
persigue facilitar el extruido disminuyendo las tensiones de colada y mejorando la
estructura mediante la disminucin de las heterogeneidades de composicin, de
los dentritos y de la globulizacin de los precipitados intergranulares.

La base de la homogeneizacin se puede explicar si se observa un diagrama Al-

aleantes como el de la figura 3.59; la parte del diagrama de baja concentracin
est representado a la izquierda.

En la colada del tocho o placa, con una composicin de aleante menor de C , tal
como la C2, el primer
 solido cristalizado tiene, en teora, la composicin Cy aunque en la prctica es
C3 debido a que la velocidad de enfriamiento es mayor que la de equilibrio,
desplazndose la lnea de solidus del diagrama hacia la izquierda. El ltimo slido
cristalizado tendr la composicin Cr Es decir, los dentritos de fase a presentarn
una composicin qumica heterognea tendrn tanto mayor porcentaje de aleante
cuanto ms alejados estn del primer germen de solidificacin ac.

Esta inhomogeneidad composicional no es deseable para las caractersticas de la

aleacin que se va a extrudir.

Si la composicin de aleante es mayor de C y menor de Ce aparecern en los

dentritos el mismo tipo de heterogeneidades composicionales, con el inconveniente
de que una cierta porcin del lquido (segmento Cj-C2) va a solidificar a
temperatura constante en forma de eutctica en el espacio intergranular. Esta
estructura planar o acicular, en la que puede aparecer un compuesto intermetlico,
no es deseable para el proceso de deformacin a que va a ser sometida la
aleacin, muy particularmente en la extrusin. Por otra parte, al proseguir el
enfriamiento por debajo de la temperatura eutctica disminuye la solubilidad del
aleante en la solucin slida a apareciendo, en el caso de las aleaciones de
composicin C<="" p="">

Con el tratamiento trmico se pretende, pues, no slo homogeneizar la

composicin qumica del grano sino tambin producir una estructura de las
segregaciones intergranulares adecuada evitando su forma planar e intentando
que segregaciones y precipitados adquieran una morfologa globular.

Todo esto se puede conseguir mediante el proceso de homogeneizacin al

calentar la aleacin a una temperatura prxima a la lnea solidus con la precaucin
de que como las curvas de solidificacin no sern las tericas, sino otras ms bajas
(curvas solidus en trazos), se puede producir el quemado del tocho por fusin
incipiente.
 La aleacin as calentada propicia movimientos difusionales de solutos y
disolucin de compuestos intermetlicos (o estructuras eutcticas) que pueden
segregar con formas adecuadas y facilitar el posterior proceso de extrusin.

Las aleaciones de aluminio se calentarn a una temperatura bastante elevada

(aleacin AIMnCu,

3.003, a 620-635C; AISi, 4.543, a 470-490C), cercana a la lnea solidus, y

variable, segn el tipo de aleacin, durante un tiempo, normalmente entre 4 y 12
horas.

Se pueden resumir los cambios metalrgicos producidos en los tratamientos de

homogeneizacin como sigue:

- Disolucin de constituyentes eutcticos en los lmites de grano mejorando la

estructura.

- Los constituyentes intermetlicos de la aleacin pasan a disolucin o se

transforman a otros ms deformables ((3 > a en la aleacin Al-Fe- Si).

- Se igualan las diferencias de concentraciones.

- Las segregaciones finas o aciculares pueden aumentar de tamao,

redondendose y mejorando sensiblemente la deformabilidad.

- En las aleaciones Al-Mg-Si, el homogeneiza- do provoca la disolucin del Mg^i

a la vez que se aminoran las diferencias de concentracin. Esto permitir
posteriormente mejorar las estructuras de maduracin.

En las aleaciones Al-Mg-Si se debe controlar la velocidad de enfriamiento para

evitar un crecimiento excesivo de las segregaciones, por doquier, si la velocidad no
es suficiente. En ciertos casos se debe enfriar a 300-600C/h.

El recocido de homogeneizacin, o alto recocido, permite aumentar la velocidad

de salida del perfil extruido en la prensa evitando la presencia de grietas. Este
incremento puede llegar al 40% en aleaciones Al-Mg y Al-Mg-Mn.

Del tratamiento de homogeneizacin slo se podran librar los tochos de

aluminio puro, as como el Al-Mg con menos del 3,5% de Mg.

Instalaciones de la fundicin

Las instalaciones principales de la fundicin, en una planta de reduccin

electroltica, son las siguientes: hornos de fusin, sistemas de colada, hornos para
tratamientos trmicos, y sierras y embalajes.

a) Hornos de fusin
 Los hornos de fusin de una instalacin primaria son hornos de reverbero, de
capacidades entre 30 y 60 Mg, calentados por quemadores a gas o fuelleo, con
sistema de tiro forzado y que, a veces, tienen recuperadores de calor.

Los hornos modernos estn monitorizados para conocer las temperaturas en

pared, refractario, metal, gases, temperatura de llama y composicin de los gases.
Los hornos, segn el tipo de aleacin a fabricar, tienen un tiempo de espera, otro
de carga de metal primario (y chatarra), de calentamiento hasta la temperatura de
colada, de limpieza, de adiciones, de acondicionado y de colada. Por medio de un
modelo matemtico se puede simular el horno calculando los balances de materia
y energa, as como el estado trmico de los mismos. Se pueden calcular las
prdidas por chimenea, paredes, puertas, etc. y saber el rendimiento del
combustible, as como el punto final en el que se debe comenzar a colar.

b) Instalaciones de colada

Son sistemas en los que la aleacin preparada se solidifica. El ms simple es la

cadena lingotera (figura 3.60) en el que se producen lingotes del peso adecuado
(15 o 25 kg) que son apilados en una mquina de forma automtica, y flejados.
Hoy se ofrece un lingote colado continuo en forma de cuadradillo que se corta a
medida y se empaqueta de forma perfecta.

Los sistemas de colada semicontinua son pozos de colada en los que se cuelan
los tochos y las placas. Mediante una canaleta principal se conduce el metal a
varios canales distribuidores en la mesa de colada que alimentan cada uno un
tocho o una placa. El flujo de metal se controla por un flotador cermico y el vaso
metlico se solidifica radialmente por un pulverizador de agua (figura 3.61). As,
se consiguen tochos y placas de 6 m de largo con distintas secciones; los

primeros son producidos para extrusin; las segundas para la laminacin.

 Las mquinas de colada continua son las que colaban entre la rueda y la banda
el llantn que era estirado para producir hilo elctrico. Estas mquinas, que se
desarrollaron bajo la patente Properzi, son mundialmente conocidas por este
nombre. La laminacin se produce por pares de rodillos, girados 90 unos con
respecto a los otros, que permitan el adelgazamiento continuo del hilo. La
velocidad de giro de los rodillos y el bobinado final permitan obtener una seccin
circular de unos 10-15 mm, ideal para trenzar cables de aluminio con alma de
acero.

Existen hoy distintas mquinas de colada continua de banda que producen unos
semiacabados en banda gruesa, de 5-10 cm, para posterior laminacin. Estas

coladas continuas de banda adicionan el afinante durante la propia colada

mediante un rollo de hilo de Ti-B-Al. La colada de metal se hace entre dos cilindros
refrigerados, perfectamente rectificados y tratados superficialmente; cuando el
metal pasa entre los rodillos, el vaso est prcticamente solidificado en su
contorno, est caliente y es dctil. La posterior cristalizacin, una vez aadido el
afinante, da una estructura apropiada.

Tambin existen coladas de banda, entre bandas de acero, con las que se
consiguen espesores mayores, 15 a 25 mm, y anchuras de casi dos metros
(Hazelett). Y se puede colar entre cilindro y banda de acero por un sistema
parecido a la colada del llantn para hilo.

c) Hornos de homogeneizacin

Tradicionalmente, se usaron hornos discontinuos en los que se proceda al

apilado de tochos en una disposicin tal como la de la figura 3.62. El horno, de
forma paralepipdica, se cerraba y se proceda al calentamiento elctrico. Con el
fin de que la distribucin de temperaturas fuera homognea en el horno, se
propiciaba la conveccin forzada por medio de ventiladores. Con una buena
conveccin, las diferencias de temperatura en el horno llegaba a ser del orden de
5C, como mximo. Esto garantizaba que todos los tochos iban a seguir la misma
curva de calentamiento alcanzando la misma temperatura mxima. La figura 3.63
representa las curvas de calentamiento en un horno discontinuo, as como las de
un horno continuo.

Los hornos continuos de la figura 3.64 son de desarrollo reciente y su instalacin

ha conseguido mejorar la homogeneizacin al conseguir trabajar con planos de
tochos que se alimentan al horno. Las diferencias trmicas son menores, la
productividad es mayor e, incluso, se consigue ahorro energtico.

d) Sierras y embalaje

Tanto los tochos como las placas, as como el metal colado en continuo, hay que
serrarlos con doble fin: para eliminar los finales defectuosos y para obtener el
formato requerido. Las sierras suelen ser de disco
 de acero, lubricadas con taladrina, y de movimiento automtico.

Los productos cortados, particularmente los tochos, se enflejan a la salida de la

sierra para

proceder a su transporte. El empaquetamiento y enflejado se hace tambin, hoy

da, con mquinas automticas que proceden posteriormente al etiquetado identifi-
cador de la aleacin colada.

Metalurgia Secundaria Del Aluminio

El uso, cada vez mayor, del aluminio ha hecho que se estn obteniendo mayores
tasas de aluminio secundario, de refusin, al poderse procesar enormes cantidades
de chatarra que, en algunos casos, se pueden seleccionar con relativa facilidad:
bloques de motor de automvil o latas de envasado de bebidas, por ejemplo.

La tasa de reciclaje sobrepasa el 20%, dependiendo de los pases. Este metal es

muy barato de producir pues los costes de fusin estn muy lejos de los de
reduccin (300-600 kwh/Mg frente a 13.000-14.000 kwh/Mg).

La refusin del aluminio metal se hace en muchos tipos de hornos: desde los de
reverbero tradicionales a los modernos denominados torres fusoras pasando por la
fusin en hornos de induccin.

La capacidad de produccin, a veces aminorada por obsolescencia, y la

elevacin, por tanto, de la productividad y del beneficio de las plantas primarias
tradicionales, las ha llevado, en algunos casos, a apostar

por tasas importantes de refusin como en la planta de Avils (Asturias,

Espaa); el cierre de una serie vieja de 50 kA ha llevado a conservar, e incluso
aumentar, la produccin incrementando la fusin de chatarras en los hornos de
reverbero. Si se dispone de un 60-70% de aluminio primario, se puede programar
perfectamente la refusin de un 30-40% de chatarra con considerables beneficios.

La instalacin ms moderna para fundir metal secundario es la torre fusora que

se usa tambin en otras metalurgias. Se compone esta instalacin de una parte
vertical de fusin, la torre, en la que se cargan lingotes o chatarras, troceadas y en
paquetes, sobre los que inciden unos quemadores a gas que producen la rpida
fusin del metal. ste y las escorias bajan al fondo de la torre que se comunica,
mediante un tabique, con un horno tipo reverbero en el que se hace el
acondicionamiento de la aleacin y la separacin de las escorias. Los consumos
energticos con muy ajustados.

Las chatarras para fundir deben tener tratamientos desengrasantes o

eliminadores de pinturas u otros recubrimientos para evitar problemas en la salida
del horno fusor. Un sistema de ciclones y un lavador de partculas es necesario
para que la emisin del horno est controlada.

La Metalurgia Extractiva Del Aluminio Y El Medio Ambiente

Una revisin pormenorizada de las tecnologas que permiten la obtencin del

aluminio no puede concluir

sin considerar el impacto medioambiental de las mismas.

De lo expuesto en los captulos anteriores se deduce que tanto el proceso Bayer

como el proceso Hall-Hroult, las fbricas de electrodos y la fundicin son
potencialmente contaminantes lo que exige la adopcin de medidas correctoras
eficaces.

Estudio de impacto medioambiental

En nuestros das, todo proyecto industrial, sea de nueva instalacin o de

ampliacin, ha de ir acompaado de un estudio del impacto medioambiental y de
las medidas correctoras previstas.

El citado estudio ha de contemplar los siguientes aspectos:

- Condiciones meteorolgicas de la zona en la que se instala la planta: direccin

y fuerza del viento, y pluviometra.

- Descripcin del ecosistema de la zona: reinos animal y vegetal, y orografa.

- Estudio socio-econmico de la zona: densidad de poblacin, red de

comunicaciones, nivel de vida.

- Descripcin de los procesos con indicacin de los efluentes -sean stos

lquidos, slidos o gaseosos- y los mtodos de correccin propuestos.
 - Descripcin de la red de vigilancia y control as como de la prctica operativa a
seguir en diferentes supuestos de fallo en los sistemas correctores.

a) Minera de la bauxita

Prcticamente todas las minas de bauxita existentes en el mundo se localizan en

la zona tropical y ecuatorial. Son, por tanto, zonas en las que lo exuberante de la
naturaleza favorece las posteriores labores de restitucin del terreno y la
preservacin del ecosistema.

Como toda actividad minera en la que se mueven grandes tonelajes de

materiales, los sistemas de arranque, transporte, almacenamiento y carga han de
estar dotados de medios correctores consistentes en:

- Pulverizacin de agua en los frentes de arranque para evitar las emisiones de

polvo.

- Captacin, control y tratamiento de las aguas de escorrenta para evitar que

alcancen los cau

ces. Se deben controlar el pH y slidos en suspensin.

- Carenado de las cintas de transporte para evitar las emisiones de polvo.

- Captacin del polvo all donde se produzca (transferencia entre cintas y carga)
mediante el empleo de ciclones y filtros de mangas.

b) El proceso Bayer

En el proceso Bayer, desde un punto de vista medioambiental, se pueden

distinguir las siguientes etapas unitarias:

Tratamiento de la bauxita

En la mayora de las plantas, la bauxita se recibe por va martima existiendo,

por tanto, instalaciones de descarga y transporte que han de disponer de sistemas
de captacin de polvo. La bauxita se muele en hmedo formando una papilla que
se alimenta a digestin.

Digestin

En esta fase se emplea vapor que se produce en la central trmica de la planta.

La central, segn sea el combustible empleado, ha de disponer de sistemas
correctores de las emisiones de gas (xidos de azufre y nitrgeno) y de partculas.

Separacin slido-lquido

Realizada la descompresin de la pulpa de digestin, se ha de proceder a la

separacin slido-lquido. Los residuos principales del ataque son la slice y el
xido de hierro. Su eliminacin se consigue con la ayuda de floculantes los cuales
permiten separar por filtracin un residuo insoluble denominado lodo rojo.

Los lodos rojos, decantados y filtrados, se bombean hasta un pantano en el que

se depositan. En dicho pantano experimentan un proceso de consolidacin
inducida, es decir, de expulsin de agua y aumento de la densidad. Las aguas
producidas han de tratarse antes de su vertido para corregir el pH y flocular las
partculas en suspensin.

Precipitacin

El licor que sobrenada se filtra generndose limos que hay que retirar por
arrastre con agua. En la pre-

cipitacin propiamente dicha no se genera ningn efluente contaminante ya que

una vez producida sta, el custico se recircula a la etapa de molienda.

Los residuos de purificacin de metales, normalmente custicos, se tratarn

previamente a su depsito.

Calcinacin

Los gases procedentes del calcinador son depurados por medio de filtros en los
cuales quedan retenidas las partculas de almina ms finas. Esta almina o bien
se emplea directamente en la electrlisis o se procesa para obtener alminas
especiales de ms alto valor aadido.

Tratamiento del licor pobre

Antes de su neutralizacin, parte del licor pobre procedente de la precipitacin

es tratado para extraer la materia orgnica que contiene en forma de oxala- to. La
torta obtenida en dicha planta se vende como subproducto al contener metales
valiosos.

Transporte y almacenamiento

La almina obtenida se transporta hasta silos de almacenamiento cerrados los

cuales estn provistos de filtros de mangas que evitan la emisin de partculas.

De lo expuesto se deduce que el impacto medioambiental de una planta Bayer

se limita al vertido controlado de los lodos rojos y a la emisin a la atmsfera de
dixido de carbono y de azufre procedentes de la produccin de vapor y de la
calcinacin de la almina.

c) La planta de carbn

La produccin de una tonelada de aluminio requiere aproximadamente 500 kg

de carbn. Este carbn constituye el nodo de la cuba el cual se consume por
oxidacin electroqumica.
 Las cubas Sderberg poseen un nodo de auto- coccin que debe ser alimentado
sin solucin de continuidad mediante briquetas formadas por coque y brea. Estas
briquetas funden y experimentan, posteriormente, por el calor generado en la
propia cuba, la coquizacin del ligante dando lugar al nodo cocido y emitiendo,
simultneamente, vapores HPA. Por el contrario, en las cubas precocidas el nodo
est for

mado por bloques preformados y ya cocidos, los cuales se van sustituyendo a

medida que se consumen. Las plantas de carbn que equipan las fbricas sern,
por tanto, diferentes segn que en las mismas estn instaladas cubas Sderberg o
precocidas, por lo que se analizarn ambos casos.

Anodos Sderberg. La fbrica de pasta

La planta de carbn en las fbricas que equipan cubas Sderberg se denomina

fbrica de pasta ya que se limita a la molienda, dosificacin, mezcla y baqueteado
del coque y la brea.

Las instalaciones de recepcin de materias primas, molienda y dosificacin han

de disponer de captacin de polvo. El polvo captado se depura mediante el empleo
de ciclones, filtros de mangas y/o precipita- dores electrostticos.

El mezclado se realiza en cmaras cerradas que evitan la emisin de vapores de

hidrocarburos polic- clicos aromticos.

La planta de fabricacin de nodos precocidos

Las instalaciones de recepcin de materias primas, molienda y mezclado son

similares a las descritas en el apartado anterior.

Estas plantas incorporan una instalacin para el machaqueo de los restos de

nodo procedentes de electrlisis. El carbn as recuperado se incorpora
nuevamente al circuito de preparacin de nodos y el bao se devuelve a las
cubas. De esta manera, se evita el vertido y se mejoran el coste y la calidad de los
nodos cocidos.

Una vez formados los nodos crudos, normalmente por vibrocompactacin, se

envan al horno de coccin. Este horno emite gases que contienen hidrocarburos
policclicos aromticos procedentes de la coquizacin de la brea, y adems dixido
de azufre y flor. Es, por tanto, imprescindible que dichos gases se traten antes de
su emisin a la atmsfera.

Entre las opciones posibles, los precipitadores electrostticos han sido

sustituidos por otros equipos ms eficaces para esta aplicacin. La tecnologa ms
adecuada consiste en la inyeccin de finos de coque en la corriente de gases que
previamente ha sido enfriada lo que permite la fijacin de los alquitranes. El flor
se elimina mediante riego custico de la corriente de gases antes de ser emitidos
por la chimenea. El licor fluorado as obtenido ha de ser tratado antes de su
vertido.
 Como alternativa tambin se ha planteado el mismo procedimiento pero
inyectando almina en lugar de coque. Este procedimiento tiene la ventaja de que
la almina absorbe todos los elementos contaminantes: alquitranes, dixido de
azufre y flor. Sin embargo, la utilizacin de esta almina en las cubas plantea
problemas lo que exigira su tratamiento previo volviendo a generarse en el mismo
nuevos efluentes contaminantes.

Las instalaciones de sellado de nodos y de alu- minizado no presentan

problemas medioambientales dignos de mencin.

d) La serie de electrlisis

El tipo de cuba empleada -Sderberg o precocida- condiciona la naturaleza y la

cantidad de gases emitidos.

Las emisiones del nodo Sderberg

En las series de cubas Sderberg los gases contienen ms hidrocarburos

aromticos ya que la coccin del nodo se realiza in situ. Adems, dichos gases
son difciles de captar en origen ya que el capotado de las cubas presenta
dificultades prcticamente insalvables. Por ello, para evitar la exposicin de los
trabajadores a concentraciones de benzopirenos y en general de HPA superiores a
las permitidas, se favorece la ventilacin de las naves en la forma sealada en la
figura 3.65 y se evita, adems, la presencia continuada del personal junto a los
focos de emisin, es decir, junto al nodo de la cuba.

Para contribuir a resolver este problema se desarroll la denominada tecnologa

Sumitomo o de la pasta seca. sta consiste en formular un nodo con menor
contenido en brea y que, por tanto, presenta una superficie no humeante lo que
disminuye las emisiones. Para ello, es preciso modificar la tecnologa de operacin
del nodo.
 Las emisiones de la cuba

Las cubas de electrlisis emiten flor, tanto en partculas como en forma de gas,
hidrocarburos, mon- xido y dixido de carbono y dixido de azufre. Estos gases
han de ser captados y tratados antes de su liberacin a la atmsfera.

Cubas Sderberg

En las cubas Sderberg la captacin de gases se efecta mediante un canal

perifrico alrededor del nodo que termina, en los dos extremos de la cuba, en
sendos quemadores. En ellos, se produce la combustin de los hidrocarburos y del
monxido de carbono. Los gases de combustin se dirigen al centro de lavado
siendo conveniente que, previa a la entrada en el mismo, se realice una fase de
ciclonado para separar las partculas ms finas en las cuales se concentra el
carbn.

Para que el rendimiento de captacin primario sea elevado, se precisa que la cuba
est bien tapada con almina la cual ejerce la funcin de sellado. En la figura 3.66
se presenta el diseo ms apropiado para aumentar el rendimiento de captacin
de gases de las cubas Soderberg. Esto ha permitido alargar la vida de plantas que
estaban abocadas al cierre por motivos medioambientales.

Cubas precocidas

Este tipo de cuba es la que ha experimentado un mayor desarrollo en los ltimos

aos. A ello ha contribuido, entre otras razones tecnolgicas, el que facilitan la
consecucin de rendimientos de captacin de gas muy elevados (superiores al
95%).
 En estas instalaciones, el carenado del conjunto es total trabajando la cuba en
depresin para favorecer la captacin del gas generado. La incorporacin del
picado puntual en las ltimas generaciones de cubas ha permitido el diseo de
minicapotas modulares que evitan la puesta al descubierto completa de un lateral
de la cuba para alimentarla de almina y cambiar un nodo. Esto supone un gran
paso en la mejora del rendimiento de captacin de gas.

e) El tratamiento de los gases captados

Los gases captados, como ya se indic anteriormente, lo han de ser antes de su

emisin a la atmsfera. Existen dos tipos de tratamiento: va hmeda y va seca.

Va hmeda

Este tratamiento, hoy en da, ha quedado limitado al lavado de los gases

captados en el techo de las naves de electrlisis, es decir, aquel que no fue
recogido por la capota de la cuba. Consiste en la pulverizacin de agua sobre la
corriente de gases obtenindose un licor fluorado que bien pasa a neutralizacin
con cal viva para fijar el flor como CaF2 insoluble o bien se trata para obtener
criolita recuperada.

Va seca

Este tratamiento es el ms comnmente utilizado en la actualidad para tratar el

gas recogido

mediante el sistema de capotado instalado en las cubas. Consiste en la inyeccin

de almina, en la corriente de gases o en reactor, para fijar sobre ella el flor. Este
proceso requiere el empleo de almina poco calcinada y, por esto, de elevada
superficie especfica: 50-60 m2 g-1.

La almina fluorada as obtenida se alimenta a las cubas, con lo cual disminuye

el consumo especfico de flor al reciclarse por esta va. Por desgracia, la almina
tambin capta el azufre y se impurifica en hierro. Sin embargo, este inconveniente
no ha sido bice para que sea ste el procedimiento ms eficaz para limpiar los
gases emitidos por las plantas de electrlisis. En la figura 3.67 se presenta un
esquema del mismo.

f) Los residuos del proceso de electrlisis

Escorias de electrlisis

En el proceso de electrlisis se genera una escoria denominada carbonilla, que

procede de la oxidacin selectiva del nodo, y que es un agregado heterogneo
formado por coque de brea y coque de petrleo. La diferente carboxirreactividad
de uno y otro favorece el consumo del coque procedente de la brea (ligante) frente
al coque de petrleo. Ello produce el desprendimiento de pequeas partculas de
coque de petrleo que, por su menor densidad, flotan en el electrlito del cual
deben ser extradas peridicamente por rableado manual ya que son perjudiciales
para el proceso electroltico.

La carbonilla, adems de carbn, contiene electrlito, es decir, productos

fluorados contaminantes de alto coste. Su vertido en escombrera presenta
problemas medioambientales ya que el flor, por lixiviacin, puede contaminar los
cauces. Para su recuperacin se han propuesto diferentes procedimientos siendo el
ms utilizado la flotacin con espumas. El producto resultante puede ser
alimentado a las cubas, en forma de criolita recuperada, eliminndose el vertido.
La produccin de carbonilla es variable oscilando entre 2 y 15 kg/tonelada de
aluminio producida.

Revestimiento de cubas

Es ste el contaminante ms importante de una planta integral de aluminio

primario. Procede de la demolicin del revestimiento refractario que se utili-

za en las cubas de electrlisis. Est constituido por dos fracciones: la carbonosa

y los ladrillos. Ambas contienen flor, cianuros y carburos, siendo los lixiviados
fuertemente bsicos. Su hidratacin genera acetileno. Su vertido en escombreras
plantea graves problemas estando catalogado como residuo txico y peligroso.

La composicin estimada de las fracciones es la siguiente: 20% de carbn de

bloques; 10% de ladrillos; y 70% de todo uno.

Una planta que produzca 100.000 toneladas/ao de aluminio genera unas

3.000-4.000 toneladas/ao de estos residuos.
 La bibliografa especializada seala una gran cantidad de procedimientos para el
tratamiento de estos residuos. Atendiendo al producto final que se obtiene, pueden
clasificarse en procedimientos de tratamiento de almacenamiento (deposicin) y
tratamiento de recuperacin.

Los tratamientos de deposicin, a su vez, pueden agruparse de la siguiente

manera:

- Descarga sin ningn tratamiento o precauciones especiales (no admitido hoy

da por la generalidad de los pases).

- Descarga en terrenos impermeables con control de efluentes.

- Venta a terceros: centrales trmicas, industrias del cemento, industrias

siderrgicas, etc.

- Combustin en lecho fluido.

Los tratamientos de recuperacin se pueden clasificar de la forma siguiente:

- Tratamientos con vapor.

- Tratamientos hmedos por va hidrometalr- gica.

- Tratamientos fsicos.

- Tratamientos diversos: pirosulflisis, calcinacin seguida de tratamiento de las

cenizas, etc.

Por ser una opcin utilizada en algunos pases y de eficacia probada, se

recomienda la combustin controlada. Hoy da existe tecnologa que permite
quemar, con bajas emisiones de flor, la fraccin carbonosa en el hogar de
centrales trmicas siendo sta una alternativa realista de solucin al problema. Por
otra parte, existe tambin tecnologa para emplear los ladrillos como materia
prima en la fabricacin de cementos cuyas especificaciones tcnicas no sean muy
rigurosas: firmes, arrecifes artificiales, prefabricados de hormign con bajas
solicitaciones, etc.

g) La fundicin

Una vez obtenido el metal en electrlisis, ste pasa a la fundicin donde se

transforma en un producto intermedio: lingote de aleacin, placa, banda, tocho de
extrusin, alambrn, etc.

El impacto medioambiental de una fundicin se limita a los gases de combustin

de los mecheros de los hornos, a los lubrificantes utilizados en los equipos de
proceso y a las escorias de aluminio. Unicamente, por su importancia, se har
referencia a las escorias de aluminio.
 Escorias

En la elaboracin de las aleaciones se producen escorias cuyo constituyente

mayoritario es el xido de aluminio. Estas escorias contienen aluminio metal en
proporciones tanto mayores cuanto mejor y ms rpido haya sido el proceso de
enfriamiento de las mismas.

Las escorias se procesan en hornos de sales para extraer el aluminio metal, en

forma de lingote, quedando un residuo constituido por almina y sales que
presenta problemas de recuperacin y cuyo vertido indiscriminado puede afectar al
medio ambiente.

El Aluminio Y La Salud

Se ha intentado relacionar el aluminio con algunas enfermedades, entre ellas el

Alzheimer, pero no existe evidencia de que sea el aluminio la causa de los cambios
patolgicos, sntomas y signos observados en esa enfermedad. Tampoco parece
que las patologas de los huesos dependan directamente del aluminio.

Por otra parte, el contenido de aluminio en los alimentos es la suma de lo que

naturalmente contienen, del que se les aade con ciertos aditivos conservantes y
emulsionantes, y del que adquieren en su procesamiento o contacto con utensilios
o contenedores de aluminio. Los problemas de anlisis son claros por lo que las
estimaciones, a veces, son discordantes dependiendo de los autores. El contenido
de aluminio de los alimentos vara, por 100 g, entre menos de 0,001 y 0,5 mg
para el 75% de una lista de 234 publicada por el TDS del Food and Drug
Administration de EEUU. Esta relacin est hecha sobre alimentos, en principio,
cocinados en acero y procedentes de tres reas distintas. El consumo normal en la
dieta humana es menor de 15 mg por da lo que parece no crear problemas
acumulativos ni txicos.

Finalmente, la inhalacin de aluminio, almina o efluentes de series de aluminio

no parece ser la causa directa de bronquitis o del fibroma pulmonar.

Existen numerosos preparados farmacuticos, como los que incluyen hidrxidos

como protectores anticidos gstricos, que demuestran un efecto curativo notable
en las lceras.

Bibliografa

Crowson, P.: Minerals Handbook 1996-97.

Roskill's Metals Databook. Londres, 1995.

Sancho, J.P., Del Campo J.J., Grjotheim, K. (1995):

La metalurgia del aluminio. Aluminum Verlag.