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ALUMINIOPRIMARIO

CELDASREDUCCIONDEALUMINIO

SIFAX THERMAL DEVICES, S.L. C/ Navas 20-H, Pol. Industrial Rio de Janeiro, 28110 - Algete, Madrid (España), tel: +34 91 806 36 31 email: info@sifaxtd.com

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ALUMINIO PRIMARIO

CELDAS DE REDUCCION DE ALUMINIO

El proceso Hall-Héroult es el sistema industrial por excelencia para la producción de aluminio fundido.

Este envuelve la disolución del óxido de aluminio (alúmina) obtenida a través de yacimientos de bauxita (principal fuente de alúmina) mediante el Proceso Bayer, en un baño electrolítico fundamentalmente compuesto por criolita (Na3AlF6) con otros fluoruros como son AlF3, CaF2 y NaF a una temperatura del orden de 960⁰C. La alúmina disuelta es reducida electroquímicamente para producir aluminio metal de acuerdo con:

2Al2O3 (s) + 3C (s) 4Al (l) + 3CO2 (g)

Fig.1- Estructura de celda de reducción aluminio

Fig.2- Celda precocida (prebaked cell)

La reacción no se produce espontáneamente, debe aplicarse energía eléctrica en forma de corriente con un voltaje por celda del orden de 4 a 4.5 V pasando la corriente a través de los electrodos de carbono dispuestos en configuración horizontal.

Los modernos equipos de fusión operan con corriente de 300.000 A con un voltaje de 4 a 4.3 V y la energía requerida es del orden de 13 Kw/Kg Al.

Existen dos tipos principales de celdas de reducción los cuales se diferencian por la configuración del ánodo:

- Celda tipo Söderberg, en la actualidad únicamente el 10% del aluminio fundido se obtiene por este sistema.

- Celda de ánodo precocido (“prebaked anode cell”)

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El aluminio fundido formado durante el proceso de reducción se acumula sobre la superficie del cátodo debido a su alta conductividad eléctrica actuando como un “cátodo efectivo”.

En los modernos equipos de fusión, el diseño de los bloques del cátodo puede tener dos tipos de configuraciones:

- Bloques de cátodo “precocido” y sellados alrededor con pasta de carbón de tipo “ramming” conteniendo resinas de tipo fenólico o no fenólico, de curado (reticulación) al calor, y /o resinas de curado al aire. Este sistema es el más común en la actualidad.

Fig.3- Máquina aplicando “ramming” periférico

Fig. 4- Croquis de celda de reducción de aluminio

- Y, por otro lado, los sistemas más avanzados, que consisten en bloques de cátodo “precocido” y mecanizados a la dimensión conveniente, eliminando la aplicación de la pasta de “ramming” y en consecuencia las juntas que se pudieran producir durante la aplicación.

Fig. 5- ADCARNIT ARC en pared de

celda de reducción de aluminio Fig.6- Croquis de celda de reducción de aluminio (sin ánodos): a) material refractario de protección, b) material aislante, c) bloques ADCARNIT ARC

en pared, d) material de “ramming”, e) material precocido

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La “vida útil” en servicio de los sistemas de las celdas de reducción de aluminio (ARC) es de vital importancia respecto a la operatividad económica de los fusores de aluminio.

No únicamente respecto al coste inicial de los materiales que componen las celdas de reducción, sino a la vida útil de los materiales durante el proceso de producción, siendo un factor clave en el coste final, mejorando el rendimiento y reduciendo el número de paradas y posterior reacondicionamiento de las celdas.

La vida de los ARC puede ser incrementada por dos componentes fundamentales, el cátodo de carbón y el revestimiento de las paredes el cual es el contenedor del aluminio fundido y el electrolito.

Los nuevos materiales “reforzados” de SIFAX del tipo ADCARNIT ARC, de carburo de silicio aglomerados con nitruros están al más alto nivel tecnológico, siendo “estado del arte” en revestimientos de paredes para celdas de reducción de aluminio.

Fig.7– Bloques ADCARNIT ARC antes del Tratamiento térmico de nitruración

Fig.8– Bloques en ADCARNIT ARC después del tratamiento térmico de nitruración

Los bloques de materiales en ADCARNIT ARC presentan ventajas importantes en el revestimiento de paredes en las celdas de reducción frente a los sistemas tradicionales basados en carbón y/o grafito:

- Mejora la resistencia a la oxidación y formación de CO2 incrementando la vida en servicio. - Incrementa la capacidad de la celda. Los bloques de carbón de tamaño medio 150-200 mm

de espesor pasan a 50-100 mm (60-75 mm son los más habituales) reduciendo el espesor de las paredes y por lo tanto incrementando el volumen efectivo, pudiendo usar ánodos de

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mayor tamaño y como resultado un incremento en la capacidad de producción con la misma configuración de la celda.

- Conductividades térmicas x 2,5 veces el revestimiento de pasta aplicado en forma de “ramming”. Esto produce una formación estable del enfriamiento en la protección del baño “frozen ledge” sobre la cara caliente de los bloques, siempre y cuando la celda esté operando a la temperatura normal del baño criolítico.

- Baja conductividad eléctrica.

- Excelente resistencia al choque térmico frente a altas variaciones de temperatura. El gradiente de temperatura entre el baño electrolítico y la parte superior de la alúmina puede llegar a ser de 400-500⁰C.

Fig.9- Contornos isotérmicos en ARC

- Excelente resistencia a la corrosión, no reaccionando con el aluminio fundido.

- Excelentes propiedades mecánicas.

Fig.10- Ventajas ADCARNIT ARC

Propiedades Físicas y mecánicas de los productos ADCARNIT ARC

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PRODUCTO SIFAX ADCARNIT ARC

Propiedad Norma Unidad SiC-Si3N4

Temperatura máxima oC 1550

Módulo rotura a flexión (1250 oC) EN 993-7 MPa 65

Resistencia a compresión EN 993-5 MPa 165

Módulo de elasticidad EN ISO 12680-1 GPa 160

Conductividad térmica (1250oC) EN 993-15 W/(m⁰K) 16,0

Resistencia a la abrasión EN ISO 16282 cm3 <1,5

Exp. térmica lineal (20-1400⁰C) EN 993-10 10-6/⁰C 4,9

Calor específico medio (20-1000⁰C) EN 1159-3 J/Kg⁰K 1050

Resistencia oxidación excelente

Comportamiento choque térmico excelente

Los mecanismos de oxidación y corrosión de los bloques de carburo de silicio nitrurado son un factor importante en las celdas de reducción de aluminio lo cuales se describen a continuación. Por este motivo SIFAX ha diseñado, para fortalecer la resistencia a la corrosión y a la oxidación los materiales tipo ADCARNIT ARC.

Fig. 11- Mecanismo de corrosión en las paredes de la ARC

Fig. 12- Mecanismo de oxidación paredes ARC

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Las soluciones técnicas con los revestimientos de ADCARNIT ARC pueden realizarse en diferentes diseños:

a) Bloques de 20-30 mm de espesor, preservando al bloque de carbón del contacto con el baño electrolítico y el aluminio fundido.

b) Bloques de 20-30 mm de espesor en contacto con la estructura metálica de la celda, previniendo fugas del fundido en el caso de daños en el revestimiento de carbón.

c) Anillo superior en ADCARNIT ARC incrementando la transferencia de calor en la parte superior del revestimiento y reduciendo la oxidación.

d) Bloques de 20-30 mm de espesor, con 10-20 mm de revestimiento aislante para reducir la transferencia de calor.

e) Bloques de 60-100 mm de espesor en contacto con la estructura metálica y bloque de carbón, previniendo el contacto con el aluminio fundido.

f) Bloque de 60-100 mm de espesor en contacto con la estructura metálica y con la pared de bloque de carbón, previniendo del contacto con el baño electrolítico y el aluminio fundido. Este diseño es denominado “combiblock” El bloque de carbón del denominado “combiblock” depende del diseño de la celda, la calidad utilizada puede ser de antracita grafítica (normalmente 0% de grafito) o grafito.

Fig. 13- Diseños de paredes con ADCARNIT ARC

Normalmente los morteros de unión son de carbón aglomerados con resinas fenólicas o no fenólicas curadas en caliente.

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Los bloques combinados “combiblocks” ayudan a disminuir la mano de obra durante el montaje y las heterogeneidades en la aplicación de la pasta de “ramming”.

Fig. 14- Diseño de combiblock

Por lo general, el espesor de los bloques en ADCARNIT ARC es de 60-70 mm. No obstante, la tendencia es a utilizar espesores mayores del orden de 100 mm, sobre todo en celdas de reducción de alta intensidad de corrientes del orden de 350.000-400.000 A, siendo el balance térmico más efectivo y en consecuencia de mayor protección.

Fig. 15- Instalación bloques ADCARNIT ARC

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Normalmente las esquinas de los revestimientos se realizan con bloques rectos con inclinaciones a 45⁰, aunque cada vez más la tendencia es a utilizar bloques con esquinas redondeadas con el radio necesario.

Los bloques de ADCARNIT ARC se unen con mortero a la estructura metálica (carcasa) del tipo ADMOR 80 SiC con sistema de aglomeración al aire y/o químico (tipo fosfático). Para estructuras que han sufrido varias campañas y han desarrollado espacios de aire entre la carcasa metálica y los bloques de la pared lateral alterando el equilibrio térmico y promoviendo la oxidación, SIFAX recomienda productos de nivelación aplicados a paleta y/o autocolables del tipo ADTRW 80 SiC y ADCAST 80 SiC especialmente diseñados para la realineación y el montaje de paredes compactas y seguras.

Fig. 16- Productos ADCAST y ADMOR Fig. 17- Monolíticos para solución en ARC

En definitiva, SIFAX suministra nuevos materiales de carburo de silicio aglomerados con nitruro de silicio tipo ADCARNIT ARC, revestimientos de referencia para la aplicación en las paredes laterales de las modernas celdas de reducción de aluminio.

ADCARNIT ARC ofrece una excelente resistencia a la erosión y corrosión, al ataque químico y a la oxidación, proporcionando una mayor vida útil en servicio.

Las paredes laterales de menor espesor para las celdas de reducción de aluminio ADCARNIT ARC maximizan las características de flujo de calor a través de la pared, mejorando la capacidad y rendimiento de la celda, proporcionando una resistencia óptima al ataque químico combinado frente a la oxidación y la criolita.

El alto nivel de calidad y prestaciones de los materiales de SIFAX fabricados con materias primas de muy alta pureza, garantizan su constancia y trazabilidad, ofreciendo un servicio seguro y confiable.

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