Para entra en el tema de la metalurgia debemos hablar primeramente de su
historia:
Los principios de la metalurgia
son un misterio para la ciencia moderna, como poco que queda del desarrollo
temprano de las herramientas necesarias para la fabricación de objetos
metálicos. En algún momento de la prehistoria, el hombre logró determinar que
al fundir ciertas rocas, podrían amoldarlas en nuevos objetos con funcionalidad
y mayor durabilidad. Cuán pronto esto ocurrió tras la capacidad del hombre de
crear fuego se desconoce, pero los arqueólogos especulan que pudo haber sido
tan pronto como una generación. Se sabe que algunos de los primeros artefactos
conocidos son de carácter decorativo, como simples collares y anillos.
Alrededor del año 3500 a.C. ya
existía una primitiva metalurgia del hierro esponjoso; el hierro colado no se
descubrió hasta el año 1600 a.C. Algunas técnicas usadas en la antigüedad
fueron el moldeo a la cera perdida, la soldadura o el templado del acero. Las
primeras fundiciones conocidas empezaron en China en el siglo I a.C., pero no
llegaron a Europa hasta el siglo XIII, cuando aparecieron los primeros altos
hornos.
Conceptos básicos
utilizados:
METALURGIA
Son los procesos y técnicas
mediante los cuales separamos a los metales puros a partir de sus yacimientos
naturales. Cuyo objeto es el estudio de las operaciones industriales tendientes
a la preparación, tratamiento (físico y/o químico) y producción de metales y
sus aleaciones.
METALURGIA EXTRACTIVA
Es la tecnología de la extracción
de metales a partir de sus menas y la refinación de los mismos para su
posterior tratamiento.
Se estudian y aplican operaciones
y procesos para el tratamiento de minerales o materiales que contengan una
especie útil (Oro, Plata, Cobre, etc...), dependiendo el producto que se quiera
obtener, se realizarán distintos métodos de tratamiento. En estos procesos de
extracción de los minerales de la tierra, se encuentra en las rocas, son hechas
por la naturaleza y su condición ambiental. Objetivos de la metalurgia
extractiva.
Mena: Es el
mineral cuya explotación presenta interés. En general, es un término que se
refiere a minerales metálicos y que designa al mineral del que se extrae el
elemento químico de interés.
Ganga:
Comprende a los minerales que acompañan a la mena, pero que no presentan
interés minero en el momento de la explotación. El material que se obtiene de
la explotación de una mina está generalmente compuesto de una mezcla de
minerales de diferentes especies, algunos de los cuales constituyen el objeto
de la explotación, y de material pétreo y sin valor inmediato, constituido por
los minerales estériles que se encuentran dentro de un yacimiento mismo
(cuarzo, calcita, arcilla, feldespato, dolomita, etc.) y roca proveniente de
las cajas o paredes que limitan el yacimiento y que por efecto de los disparos
se desprenden y es imposible evitar que se junten al mineral.
Ensayo de Materiales
Se denomina ensayo de materiales
a toda prueba cuyo fin es determinar las propiedades mecánicas de un material.
Los ensayos de materiales pueden ser de dos tipos, ensayos destructivos y
ensayos no destructivos. Estos últimos permiten realizar la inspección sin
perjudicar el posterior empleo del producto, por lo que permiten inspeccionar
la totalidad de la producción si fuera necesario.
Ensayos no Destructivos
Son métodos para evaluar un
material, sin afectar o alterar sus características de servicio. Son usados
para medir algunas propiedades físicas del concreto y a partir de ellas obtener
un estimado de la resistencia y de los parámetros elásticos del concreto.
Clasificación
de ensayos no destructivos:
·Ensayos de Dureza
Superficial: Se usan solamente para estimar la Resistencia del Concreto.
·Ensayos Dinámicos: Incluyen
frecuencia de Resonancia y Métodos Sónicos y Ultrasónicos. Evalúan durabilidad
y Uniformidad del concreto y estiman su resistencia y propiedades elásticas.
·Métodos Radioactivos:
Incluyen Ensayos de Penetración de rayos X y rayos Gamma. Son usados para medir
la Densidad del concreto.
Ensayos destructivos
Se produce la rotura o un daño sustancial en la estructura del
material.
Clasificación
de ensayos destructivos:
Ensayo de tracción / Ensayo compresión
Diagrama de tracción
Ley de Hooke
Tensión de trabajo
Ensayos
de dureza:
·Por rayado Mohs, Martens y
lima.
·Por penetración :Brinell.
(relación entre dureza brinell y resistencia a la tracción)
Métodos especiales:
·Ensayos de resiliencia, ensayos por choque con tensiones
múltiples (Resiliencia),método de
Charpi.
Otros métodos utilizados en la metalurgia:
Anodización
Es el proceso electrolítico de
pasivación utilizado para incrementar el espesor de la capa natural de óxido en
la superficie de piezas metálicas. Esta técnica suele emplearse sobre el
aluminio para generar una capa de protección artificial mediante el óxido
protector del aluminio, conocido como alúmina. La capa se consigue por medio de
procedimientos electroquímicos, y proporciona una mayor resistencia y
durabilidad del aluminio. La protección dependerá en gran medida del espesor de
esta capa (en micras).
Electrólisis
Es el proceso que separa los
elementos de un compuesto por medio de la electricidad. En ella ocurre la
captura de electrones por los cationes en el cátodo (una reducción) y la
liberación de electrones por los aniones en el ánodo (una oxidación).
Fundición (metalurgia)
Es una forma de metalurgia extractiva. El proceso de fundición implica
calentar y reducir la mena mineral para obtener un metal puro, y separarlo de
la ganga y otros posibles elementos. Generalmente se usa como agente reductor
una fuente de carbono, como el coque, el carbón o el carbón vegetal en el
pasado.
Primeramente antes de indagar más
profundamente en el tema debemos de conocer el perfil del ingeniero en mantenimiento,
ya que de esto dependerá la mejor comprensión de lo explicado próximamente
Perfil del Ing. de Mantenimiento
Es un profesional que
cuenta con un conjunto de conocimientos, habilidades y actitudes para
aplicar métodos, técnicas y herramientas en la administración del mantenimiento
a instalaciones, maquinaria y equipo, en la mejora de los procesos productivos,
en el desarrollo del personal, en la aplicación de normas de calidad y de
seguridad e higiene.
Es un profesional con actitud
responsable, ética, honesta, sensibilizado a la conservación del ambiente,
consciente del rol del talento humano y de los recursos materiales, financieros
y energéticos, así también capaz de desarrollar una reflexión crítica y
creativa para generar respuestas a problemas nuevos, inesperados y no
triviales.
Formado para desempeñar la
gestión de los sistemas tecnológicos y los procesos administrativos aplicados
al mantenimiento a través de las funciones de dirección, organización,
planificación, programación, ejecución, control y evaluación en el sector
industrial, comercial, público y comunitario, demostrando habilidades de
comunicación, organización, análisis, toma de decisiones y trabajo en equipo, ahora
si con esto podemos entrar en el tema a tratar:
Análisis de La Metalurgia en Ingeniería de Mantenimiento Industrial.
Desde el punto de vista
particular, con el progreso en el conocimiento, el desarrollo de nuevos
materiales, unido al desarrollo tecnológico, se requieren nuevos productos más
sofisticados y especializados. Ya que los ingenieros en mantenimiento cuando se
están formando en su carrera tratan con materias como resistencia de materiales,
Ciencias de los Materiales, Elementos de Metalurgia, Laboratorio de Materiales
y propiamente la materia de Mantenimiento, muchas de estas asignaturas están
incluidas en el pensum de la Universidad Gran Mariscal de Ayacucho (UGMA), los
ingenieros egresados de esta universidad y otras poseen los conocimientos
necesarios para trabajar en conjunto con el ingeniero metalúrgico, y de tal
manera poder crear planes de mantenimiento efectivos y eficientes para las
maquinarias utilizadas en la extracción de las materias primas, ya que de esta
depende que las siderúrgicas puedan cumplir con sus itinerarios.
Un ingeniero en el área de la
metalurgia cumple extensivas funciones, Organiza, optimiza y adecúa procesos
productivos, desarrollando mejores itinerarios de mantenimiento, ya que los procesos
productivos de los materiales metálicos como hierro (Fe) y aluminio (Al) son de
alto riesgo, por lo tanto este debe de aplicar los 5 niveles del mantenimiento a
los equipos para que estos se mantengan en óptimas condiciones evitando así un
paro forzoso de la siderúrgica o peor aún un accidente en cual intervenga la
integridad física de los trabajadores, también evaluar la seguridad, durabilidad e integridad estructural
de las instalación ya que los procesos productivos llevados a cabo dentro de
las mismas son extremadamente destructivos a causa de las altas temperaturas
con las que se trabaja.
El
Ingeniero en Mantenimiento Industrial tiene un sólido conocimiento en las
propiedades físicas de los materiales, por lo que en este aspecto puede aportar
opiniones al ingeniero metalúrgico, para que el producto final de la siderúrgica
pueda ser utilizado ya sea en obras constructivas, maquinaria, herramientas o
cualquier producto necesario o requerido
por la sociedad.
La producción de aluminio consiste de 3 pasos: extracción de bauxita,
producción de alúmina y electrolisis de aluminio.
Con un porcentaje de 8%, el aluminio es el 3er metal más abundante
en la superficie de la tierra. La materia prima para la producción de aluminio,
bauxita, está compuesta principalmente por uno o más componentes de hidróxido
de aluminio, además de silica, hierro y óxido de titanio como las principales
impurezas.
Extracción de Bauxita
La bauxita es extraída principalmente por métodos de mina abierta, los
cuales tienen un impacto en el ambiente. Los principales aspectos ecológicos
a considerar están relacionados con la limpieza del suelo, impacto en la
flora y fauna local y la erosión del suelo. Cuatro toneladas de bauxita son
requeridas para producir dos toneladas de alúmina, las cuales producirán una
tonelada de aluminio en una reductora.
Producción de Alúmina
La bauxita tiene que ser convertida en óxido de aluminio puro (alúmina)
antes de que pueda ser transformada en aluminio por medio de la electrólisis.
Esto es realizado a través del uso del proceso químico Bayer en las refinerías
de alúmina. El óxido de aluminio es separado de las otras sustancias de la
bauxita mediante una solución de soda cáustica, la mezcla obtenida es filtrada
para remover todas las partículas insolubles. Después de esto, el hidróxido de
aluminio es precipitado de la solución de soda, lavado y secado, mientras que
la solución de soda es reciclada. Después de la calcinación, el producto final,
óxido de aluminio (Al2O3), es un fino polvo blanco.
Electrolisis de Aluminio
El aluminio primario es producido en plantas de reducción, donde el
aluminio puro es extraído de la alúmina por medio del proceso Hall-Heroult. El
proceso de reducción de alúmina en aluminio líquido es realizado a una
temperatura promedio de 950 grados Celsius en un baño fluorinado y bajo una
alta intensidad de corriente. Este proceso es realizado en celdas
electrolíticas, donde los cátodos de carbón forman el fondo de la celda y
actúan como electrodo negativo, los ánodos (electrodos positivos) son
mantenidos en el tope y son consumidos durante el proceso cuando reaccionan con
el oxígeno proveniente del electrolito.
Todas las líneas de celda construidas desde principios de 1970 usan la
tecnología de ánodo precocido, donde los ánodos manufacturados de una mezcla de
coque de petróleo y alquitrán son pre-cocidos en una planta de ánodos.
El aluminio trasegado a las celdas a intervalos regulares, es
transportado a la sala de colada, donde las aleaciones de aluminio son
preparadas de acuerdo a los requerimientos del cliente. El aluminio líquido
obtenido en la sala de celdas, 99,8 % puro, es transferido en crisoles a la
sala de Colada y vertido en hornos de retención, donde metales como titanio,
magnesio, hierro y cobre son añadidos para preparar las aleaciones requeridas
por los clientes. El metal líquido en los hornos es sometido a diferentes
pruebas de calidad para luego ser transferido a la unidad de producción
respectiva. Durante el proceso de producción, el aluminio líquido es vaciado en
moldes enfriados por agua. El producto final puede ser aluminio primario en
lingotes para refusión, lingotes para extrusión o planchones para laminación.
La sala de colada suministra planchones a la unidad de laminación. El
planchón es primero fresado para garantizar que las superficies estén libre de
rugosidades, posteriormente los planchones son transferidos a hornos de
precalentamiento, para calentarlos a una temperatura adecuada para empezar el
proceso de laminado en caliente.
Después de precalentado, el planchón es laminado en una bobina de 4-6 mm
de espesor y 150 mts de largo aproximadamente. Esta bobina es transportada al
laminador en frío por medio de grúas especialmente diseñadas para ello, donde
el espesor de la bobina es reducido a valores tan pequeños como 0,3 mm
dependiendo de los requerimientos del cliente. Posteriormente, las bobinas son
sometidas a un proceso de recocido para lograr el espesor final requerido por
el cliente. Una vez alcanzado el espesor final, la bobina está lista para ser
enviada al área de acabado final y empaque. Finalmente las bobinas están listas
para ser enviadas a los clientes, quienes transformaran las bobinas en
productos mas elaborados.
PROCESO PRODUCTIVO PASO A
PASO
Materias primas
·Bauxitas: es el mineral usado en el proceso Bayer, contiene principalmente:
óxido de aluminio, óxido de hierro, sílice y óxidos de titanio.
·La alúmina: es la materia prima base para la obtención de aluminio. Está
formada por óxido de aluminio (AL203), que se obtiene de la bauxita en
proporción 2 a 1 en peso. Posee punto de fusión de 2050° C. aproximadamente.
La alúmina tiene múltiples
usos en la industria no relacionada con el aluminio, debido a sus
características moleculares .al ser incombustible y no reaccionar con ningún elemento.
En virtud de estas propiedades, constituye uno de los principales componentes
de la sustancia utilizada en los extintores de incendios, así como en las
pinturas, aumentando su capacidad de resistencia al fuego. Su apariencia varía
desde casi blanco a rojizo, dependiendo del contenido de óxido predominante.
·Soda caústica: soda caústica (hidróxido de sodio) disuelto en agua a una
concentración de 50%. Es usada para disolver los óxidos de aluminio presentes
en la bauxita.
·Vapor: el vapor suministra el calor necesario para disolver los óxidos
de aluminio. La estación generadora de vapor, produce los requerimientos de
vapor de la planta.
·Caliza: es usada para producir una lechada de cal, la cual favorece la
filtración de lodos rojos.
·Floculante: generalmente se usa almidón, el cual favorece el proceso de
sedimentación de lodos rojos.
El proceso de producción de la bauxita, se inicia con la explotación del
yacimiento por métodos convencionales a cielo abierto, sin voladuras, después
de removida y apilada la capa vegetal, para uso posterior dirigido a la
forestación.
El mineral se extrae directamente de los diferentes bloques del
yacimiento, a objeto de lograr la calidad necesaria del mineral, con palas
hidráulicas que arrancan y cargan la bauxita en camiones roqueros de 50
toneladas, para su transporte hasta la estación de trituración.
En el sistema de trituración la bauxita es trasladada a través de un
transportador de placas hasta el molino, que tiene como función preparar el
material a una granulometría menor de 100 milímetros para su transporte y mejor
manejo. Este sistema está constituido por una tolva de alimentación principal,
un transportador, un sistema de muestreo y una balanza electrónica.
Una vez triturado el material, es recibido por una tolva de
transferencia hacia la correa de bajada, que a través de un a longitud de 4.2
kilómetros, con tecnología del tipo teleférico o cable y una capacidad de 1.600
t/h es trasladado a Pie de Cerro.
La correa de bajada dispone de un sistema, regenerativo que consiste en
el suministro inicial de energía para su puesta en marcha, en tanto que la
energía que la mantiene en funcionamiento es autogenerada por el peso del
material que se desplaza a través de ella.
En una trayectoria descendiente por la ladera de la serranía de Los
Pijiguaos, la correa de bajada deposita el material en los 4 patios de
homogeneización de Pie de Cerro, donde se carga el ferrocarril y sus 28 vagones
con destino al puerto de El Jobal, distante a 54 kilómetros, sobre la margen
derecha del río Orinoco.
El proceso de almacenamiento de la bauxita en los
patios de Pie de Cerro, lo constituye la correa de bajada, 4 patios de
apilamiento de 225.000 TM cada uno, 6 correas transportadoras, 2 máquinas
apiladoras de 1.600 TM/hora, 2 recuperadores con capacidad de 3.600 TM/hora
cada uno, y un carro de transferencia.
Finalmente, gabarras con capacidad de 1.500 a 2.000 toneladas,
auxiliadas por remolcadores, transportan el mineral desde el puerto fluvial de
El Jobal a través del río Orinoco hasta la operadora de alúmina en Ciudad
Guayana, en un recorrido de 650 kilómetros.
El primer paso en la planta de alúmina es la reducción del tamaño de
partícula de la bauxita, para incrementar la superficie de reacción y facilitar
su manejo. La selección del equipo de trituración y molienda está directamente relacionada
a las propiedades físicas de la bauxita. La solubilidad de la bauxita decrece
desde gibbsita, a boehmita a diáspora, mientras la dureza del mineral se
incrementa. Otro parámetro que afecta la selección del equipo, es el contenido
de humedad de la bauxita. Esto es dependiente de la composición y condiciones meteorológicas
de la bauxita. Un mineral conteniendo más de 10-12% de humedad puede reducir la
eficiencia del equipo.
Generalmente, entre estos equipos se usan diferentes trituradores, tales
como de mandíbula, de rodillo, de martillo y de impacto.
La reducción del tamaño de partícula es normalmente hecha en tres pasos:
1. – Trituración seca, obteniendo un tamaño de partícula con un diámetro
básico de varios centímetros;
2. – Trituración seca o húmeda para obtener partículas menores que un
cm.
3. –Molienda húmeda, para obtener un tamaño de partículas entre 700-300r
m.
La bauxita es alimentada al molino con licor fuerte precalentado para
obtener una concentración final aproximada de 1000 gr de sólido por litro en la
pasta aguada (pulpa). Esta suspensión obtenida es inyectada a los digestores.
II) DIGESTIÓN
En esta operación, la pulpa proveniente del área de molienda, es
disuelta en caústica fuerte para formar una solución enriquecida en aluminato
sódico, de acuerdo a las reacciones siguientes:
La digestión es una operación complicada, cuyos parámetros: temperatura,
concentración de NaOH y presión, dependen de la naturaleza del mineral de
bauxita. De aquí, que se habla de dos tipos de proceso Bayer, los que utilizan
monohidrato (Bayer Europeo) y los que utilizan trihidrato (Bayer Americano).
Para minerales gibbsiticos; la temperatura debe estar dentro de los confines de
la curva de equilibrio apropiada para la extracción de la alúmina. La
extracción de la alúmina del mineral ocurrirá en cualquier zona por encima de
la curva de equilibrio para una temperatura particular.
Si las condiciones físicas son ajustadas para una extracción por debajo
de la curva de equilibrio apropiada, la solución se hace inestable y la
reacción inversa de precipitación puede ocurrir. Es visto que en estas curvas
la concentración de NaOH es usualmente expresada en términos de su óxido
equivalente Na2O.
Es importante hacer notar, que en la operación de digestión, altas
temperaturas y altas concentraciones de NaOH, favorecen una cinética de
reacción más rápida, así como se incrementa la solubilidad de la alúmina
monohidratada, la cual siempre está presente en la bauxita. Sin embargo,
existen varias desventajas en usar temperatura y concentraciones de NaOH
demasiado elevadas, tales como:
·Presiones demasiado elevadas que resultan en los digestores.
·Problemas más severos de corrosión a partir del licor alcalino.
·Altas solubilidad de otros óxidos, etc.
Esto último puede conducir a un producto menos puro. En vista de las
diferentes desventajas mencionadas, las condiciones del proceso en un digestor
industrial deben ser un compromiso entre los varios parámetros.
El tiempo de digestión en cada reactor es de 18-30 minutos. El tiempo
total de digestión para la serie de reactores, es básicamente dependiente del
tiempo necesario para que ocurran reacciones de desilicatación o cristalización
de la sílice disuelta en el licor de aluminato. Esto se debe, a que durante la
lixiviación del óxido de aluminio, se disuelve una cantidad importante de
sílice reactiva (caolinita) para formar silicatos y aluminato de sodio.
Digestión de la pulpa. Aprovechamiento energético
Las plantas modernas tienen tres digestores en serie, verticales
generalmente, provistos de agitación. En estos equipos, que en las plantas
grandes pueden tener capacidad de 500-1000m3, se alimenta la pulpa utilizando
bombas especiales, y se le añade licor de retorno con contenidos en sosa, de
forma que se obtenga una relación alúmina cáustico a la salida de 0,60-0,68 g
Al2O3/gNa2CO3 el licor de retorno frecuentemente se corrige para conseguir el
adecuado contenido caustico. La temperatura de proceso es función de la
tipología de las bauxitas. Si la bauxita es gibbsítica es del orden de los
145ºC y la presión está en el entorno de los 4kg.cm-2; si, por el contrario, la
bauxita es de monohidrato (boehmítica o diaspórica), la temperatura necesita
alcanzar los 250ºC, con una presión cercana a los 40 Kg. cm-2.
El tiempo de digestión para bauxitas predesilicificadas o de aquellas
con alto contenido en sílice (> 3%) es de una media hora. Si el contenido de
sílice es intermedio (2%), la desilicificación se hace en el propio digestor,
utilizando mayores tiempos de digestión (60 minutos, por ejemplo). Cuando la
pulpa digerida alcanza los 100ºC, se transfiere a la sección de separación de
lodos. Los sistemas más modernos están diseñados para hacer una digestión en
continuo, que se consigue mediante un control riguroso de los licores en cuanto
a su temperatura y concentración.
III) DILUCIÓN Y SEPARACIÓN DE RESIDUOS
Al final de la digestión, la suspensión que abandona el último digestor
conteniendo la solución de aluminato, arenas (material con un tamaño >
100pm) y lodos rojos (partículas finas), está a una temperatura por encima de
su punto de ebullición a presión atmosférica, de manera que es pasada a través
de un sistema de enfriamiento por expansión en el cual ocurre una
depresurización en forma escalonada hasta la presión atmosférica y una
disminución de la temperatura hasta aproximadamente 105-100ºC. El vapor
generado es enviado a los intercambiadores de calor para calentar el licor
fuerte suministrado a las áreas de digestión y molienda.
En la dilución normalmente la suspensión al ser enfriada y llevada a la
presión atmosférica, presenta un estado de sobresaturación, es decir el valor
de RMC para estas condiciones indica que el licor se encuentra en estado de
inestabilidad, pudiendo producirse una precipitación prematura, esto es
favorecido por cualquier cantidad de alúmina no disuelta, que puede actuar como
elementos nucleante.
III.1) Desarenado
La pulpa que proviene de la digestión, después de todos los pasos de
recuperación térmica ya diluida, se somete a la separación de los lodos y
arenas que contiene. La suspensión acuosa diluida fluye dentro de
hidroseparadores (hidrociclones), donde las partículas relativamente gruesas
(100 r m a más) denominadas arenas compuestas en su mayor parte por sílice, son
separadas de las partículas finas. La solución con partículas gruesas sale por
la parte inferior del ciclón, mientras que la solución con las partículas finas
lo hacen por la parte superior como solución de rebose (overflow).
Las arenas separadas son lavadas, todo esto con la finalidad de
recuperar sosa caústica que luego es reciclada al proceso. Finalmente estas
arenas son enviadas a una laguna de lodos rojos.
La solución de rebose conteniendo los lodos rojos (partículas finas), es
enviada a tanques almacenadores de la suspensión acuosa de aluminato de sodio,
para la alimentación de los espesadores. Es aquí en estos tanques, donde se
adiciona el agente floculante que va a facilitar el proceso de sedimentación en
los espesadores.
III.2) Sedimentación, lavado y desecho de lodos rojos
La sedimentación se lleva a cabo en tanques espesadores, y el lodo rojo
depositado en el fondo de éstos, es removido continuamente por un sistema de
rastrilleo. Este lodo rojo saliente por la parte inferior de los espesadores,
es lavado con el fin de recuperar la solución caústica que contiene alúmina
disuelta, produciéndose simultáneamente un lodo que ha de ser desechado,
mientras que el agua de lavado es enviada al área disolución.
IV) PRECIPITACIÓN
A pesar de bajar la temperatura hasta los 75ºC, es difícil que se
produzca una precipitación espontánea. Se precisa, pues, de siembra de
cristales de hidrato, generalmente fino y en cantidad controlada, De esta manera,
se puede conseguir la granulometría deseada. La reacción de precipitación es
siempre la siguiente: NaAl(OH)4(ac) Al(OH)3 + NaOH(ac)
El equilibrio de esa reacción tarda mucho en alcanzarse, y el
rendimiento en la misma depende de varios parámetros.
Se deben propiciar unas condiciones que permitan obtener:
·La mayor cantidad de hidrato de grano grueso.
·La mayor producción de hidrato.
·Una textura de grano adecuado.
Las condiciones más favorables para conseguir esto son:
·Temperatura relativamente alta al comienzo de la precipitación, que
favorece la aglomeración.
·Posterior enfriamiento para aumentar el rendimiento al máximo.
·Tamaño de siembra adecuado, ya que influye en la superficie y en el
número de núcleos.
·Trabaja con la mayor sobresaturación de alúmina y sosa sin que afecte a
la calidad del producto.
·Tiempo óptimo. Tiempos excesivamente largos aumentan muy poco el
rendimiento, bajando la productividad.
Mecanismos de la precipitación
En general, en todo proceso de cristalización, se pueden presentar
diversos fenómenos:
·Nucleación.
·Crecimiento.
·Aglomeración.
En general, las condiciones industriales prácticas van dirigidas a
propiciar el crecimiento y la aglomeración, tendiendo a minimizar la
nucleación. No es probable la autonucleación, pero sí se puede producir una
nucleación secundaria por rotura de cristales gruesos en el bombeo de pulpas de
hidróxido. Este tipo de problema no debe presentarse en forma significativa.
El crecimiento se facilita cuando hay cierto grado de sobresaturación.
La aglomeración se ve favorecida por: una relación alúmina / sosa elevada,
altas temperaturas, poca siembra y poca destrucción de flóculos en el manejo de
las pulpas de hidrato.
Las granulometrías del hidrato tienen que tener unas determinadas distribuciones
que serán función del tipo de alúmina a fabricar y de la tecnología de la
planta, tanto en su parte de precipitación como en la calcinación. Una alúmina
arenosa típica tiene una distribución como sigue:
Granulometría
%
> 150m
0-3
> 75m
50-55
> 45m
9-12
> 20m
0-1
Los granos del hidrato tienen forma de policristales aglomerados, que se
conservan formando agregados cuando se calcinan y se produce la alúmina.
Los principales contaminantes del hidrato, aparte de la sosa, son: Fe,
Ti, Ca y Zn, que prácticamente precipitan en su totalidad con la alúmina, y
también: Si, V, P y F, que sólo lo hacen parcialmente. El Hierro se encuentra
en forma coloidal principalmente. Los elementos: Ti, Zn, Si, V, P y F pueden
hallarse como sales inorgánicas correspondientes de sodio.
Se sabe que ciertas sales orgánicas como el oxalato sódico, además de
las inorgánicas, pueden cristalizar entre los flóculos o aglomerados de
hidrato. Si el contenido es bajo, al calcinar, desaparecen por combustión, pero
si es excesivo, se puede producir la súbita explosión del aglomerado, generando
finos. El control del contenido de todos los contaminantes se realiza por
precipitación de sales cálcicas o sódicas en los propios lodos rojos, como
sucede con: Si, V, P y F; sin embargo, en casi todos los circuitos hay que
prever descargas que, en general, se hacen por concentración y cristalización
da sales, comúnmente sódicas, que sirven para descargar también los oxalatos y
de las que se pueden recuperar metales (Ga).
IV.1) Clasificación del hidrato
La precipitación se llevaba a cabo en forma discontinua. Las tendencias
en los últimos años han evolucionado hacia la precipitación continua, ya que
tiene un mejor control y resulta más barata. Su desarrollo va asociado a los
diseños de plantas grandes con producciones en el entorno de 106 Mg.
Para precipitar en un solo paso, se añade los gérmenes gruesos y finos
de forma conjunta, separándose los precipitados gruesos en el clasificador
primario, que se secan y calcinan. El control de esta operación no es sencillo,
ya que el producto final depende de la temperatura de llenado (alta al
principio para favorecer la aglomeración), de las granulometrías alimentadas y
de la cantidad de germen.
La precipitación en doble paso supone la separación de dos tipos de germen:
el grueso (en clasificadores secundarios) y el fino (en clasificadores de
bandeja). (l germen grueso sirve para nuclear el producto final y el fino para
producir germen grueso. Los sólidos, que sobrenadan en el precipitador de
hidrato, se clasifican en el precipitador de germen grueso y, de los que
sobrenaden en éste, se saca el fino.
La uniformidad de marcha en el circuito de precipitación es esencial
para llevar a cabo una buena operación que conduzca a la obtención de un
hidrato de granulometría correcta, a la vez que se consigue una lata
productividad, obteniendo el máximo rendimiento del licor.
El hidrato se clasifica en tanques de sedimentación de diámetros
crecientes, que permiten separar el hidrato en tamaños: gruesos (producto al
calcinador), por medio (núcleos de germen grueso) y fino (germen fino). Se
suelen conocer los tanques clasificadores como: primarios, secundarios y
espesadores de hidrato.
IV.2) Filtración del producto
La operación se realiza por medio de filtración al vacío en filtros
planos horizontales rotatorios. Esta operación es realizada con el fin de:
a.Alcanzar un contenido bajo
de humedad superficial en el hidrato para minimizar los requerimientos de calor
en el área de calcinación.
b.Lograr un contenido bajo en
soda caústica para minimizar pérdidas y reducir la contaminación del producto.
El hidrato precipitado se separa del licor agotado en tanques de
almacenamiento y bombeado a los filtros horizontales, donde forma una llamada
"torta de hidrato, la cual es sometida a dos o más ciclos de lavado
utilizando la menor cantidad de agua posible. Seguidamente el hidrato filtrado
es enviado al área de calcinación. Mientras que el licor agotado es transferido
al área de evaporación.
IV.3) Evaporación
Después que el hidrato ha sido removido, el licor agotado puede ser
usado para el próximo ciclo en el proceso Bayer. Primeramente, no obstante, el
agua debe ser evaporada hasta que sea almacenada la concentración original. El
licor es primero calentado por intercambio de calor con el licor preñado
caliente, desde el licor preñado al licor agotado. Entonces el licor es
concentrado hasta la concentración del licor fuerte usado en las áreas de
digestión y molienda.
V) CALCINACIÓN
El hidrato lavado se somete a secado y calcinación. El secado se
consigue aprovechando los gases calientes del calcinador y, una vez seco el
mismo, se pone en contacto a alta temperatura (900-1200ºC) en un horno. De esta
forma se obtiene el producto final, la alúmina (Al2O3). La reacción es la
siguiente:
2Al(OH)3 1100ºC Al2O3 + 3H2O
El producto final es función de la temperatura y tiempo de calcinación.
Si la temperatura es alta, 1200ºC, se obtiene alúmina mayoritariamente a. Si la
temperatura es baja, 1000ºC, se obtiene alúmina g, denominándose así una serie
de alúminas de transición a las que acompaña pequeñas cantidades de alúmina a .
En el apartado correspondiente se tarta de las diferentes clases de alúminas,
producto de los distintos sistemas de calcinación.
Como tecnologías de calcinación hay fundamentalmente, dos:
- Horno rotativo.
- Lecho fluido.
La primera fue tradicional, que siempre produjo alúmina a, y en la
actualidad adaptada para obtener alúmina mayoritariamente g. Este tipo de horno
es muy parecido a los hornos de cemento.
Los hornos de lecho fluido producen una alúmina bastante uniforme y de
características "sandy" (con alto contenido en fase g ). Dichos
lechos fluidos están llegando a tal grado de perfección en su tecnología que el
producto final tienen ya propiedades buenas, no sólo desde el punto de vista de
distribución granulométrica, sino también en cuanto a su contenido en hidrato
residual y alúmina a . Los recuperadores del calor sensible de la alúmina
calcinada, que se enfría con aire son de diseño muy eficaz y permiten obtener
aire caliente para la combustión del fuel. El recuperador tiene unas
tubuladuras inferiores por las que circula agua, que se calienta con el calor
cedido por las partículas de alúmina y los gases al chocar con las paredes de
los tubos.
Aquí un vídeo del proceso explicado anteriormente para su mejor compresión:
Áreas Básicas
En la operadora de aluminio existen 3 áreas básicas: Carbón, Reducción y
Colada.
PLANTA DE CARBON
La planta de carbón y todas sus instalaciones sirven de apoyo al núcleo
vital de las operaciones: las celdas. En Carbón se fabrican los ánodos y la
pasta catódica que hacen posible el proceso electrolítico.
Carbón tiene 5 áreas:
-Molienda y Compactación
-Homos de cocción
-Sala de Envarillado
-Planta de pasta catódica
-Reparación de Celdas
En primer lugar, en el área de Molienda y Compactación se construyen los
bloques de ánodos verdes a partir de coque de petróleo, alquitrán y remanentes
de ánodos consumidos (Cabos).
Durante 16 a 28 días, los ánodos son colocados en hornos especiales de
cocción, con la finalidad de mejorar su dureza y conductividad eléctrica. Luego
el ánodo es acoplado a una barra conductora de electricidad en la Sala de
Envarillado. En esta misma sala se reacondicionan las varillas y se recuperan
los cabos utilizados en las celdas. La planta de pasta catódica es la que
produce la mezcla de alquitrán y antracita que sirve para revestir las celdas, que
una vez cumplida su vida útil, se limpian, reparan y reacondicionan con bloques
de cátodos y pasta catódica
REDUCCIÓN
En las celdas se lleva a cabo el proceso de reducción electrolítica que
hace posible la transformación de la alúmina (óxido de aluminio), transportada
por correas desde la operadora de alúmina y almacenada en silos.
El procedimiento es similar al de una batería: la carga eléctrica pasa
de un polo a su opuesto. En el caso de la celda, el electrolito por el que pasa
la carga eléctrica lleva disueltas moléculas de alúmina, las cuales se disocian
produciendo aluminio. El oxígeno que se libera en el proceso de reducción se
combina con el ánodo (carbón) y otros compuestos (fluoruros),"produciendo
gases que son recogidos y transportados a las plantas de tratamiento de humos
generándose el beneficio dual de reciclaje de fluoruros a celdas yr educción de
emisiones de gases al ambiente.
Para producir una tonelada de aluminio se requieren 2 toneladas de
alúmina y 20 kilos de fluoruro. Cada 24 horas se extraen aproximadamente 1.200
kilogramos de aluminio de cada celda de los complejos l y 11; 1.800 kilogramos
de cada celda de la V Línea y 2.300 kilogramos de cada celda
El funcionamiento de las celdas electrolíticas, así como la regulación y
distribución del flujo de corriente eléctrica, son controlados por un sistema
computarizado que ejerce vigilancia sobre el voltaje, la rotura de costra, la
alimentación de alúmina y el estado en general de las celdas.
COLADA
El aluminio líquido obtenido en las salas de celdas es trasegado y
trasladado en crisoles de 6 toneladas al área de Colada, donde se elaboran
todos los productos terminados de la empresa. El aluminio se vierte en los
hornos de retención y se le agregan, si es requerido por los clientes, los
aditivos aleantes que necesitan algunos productos.
Cada horno de retención determina la colada de una forma específica:
lingotes de 10 y 22 kg., pailas de 545 kg., cilindros y metal líquido.
Concluido este proceso, el aluminio está listo para la venta a los mercados
nacionales e internacionales. .
PLANTA DE CARBON
En la Planta de Carbón comienza el proceso de producción de aluminio con
la preparación de los carbones o ánodos. Estos son los electrodos positivos en
el proceso electrolítico. Están compuestos de coque de petróleo calcinado y
brea de carbón o alquitrán, que se combinan y compactan en una máquina
vibratoria a 145 grados centígrados. Luego se someten a un proceso continuo
durante 28 horas. Finalmente son llevados a la sección de envarillado y de allí
a las celdas electrolíticas.
PLANTA DE REDUCCIÓN
La planta de reducción o celdas electrolíticas, es el corazón del
proceso de producción del aluminio. Allí se disuelve la alúmina en un medio
electrolítico de criolita fundida, descomponiéndola en sus dos elementos
básicos: oxígeno y aluminio. El oxigeno es atraído por los ánodos en la parte
superior de la celda. Es quemado y convertido en dióxido de carbono en el
ánodo. El aluminio es atraído hacia el fondo del recipiente por los cátodos y
se extrae por succión hacia el crisol, para ser enviado a la planta de
fundición. El proceso de reducción del aluminio es continuo y las celdas se
trasegan cada 24 horas, los 365 días del año.
PLANTA DE FUNDICIÓN
En esta área se preparan las mezclas o aleaciones con otros metales, de
acuerdo con los requerimientos del mercado. El metal proveniente de las celdas
de reducción, que en 99,8% aluminio puro, se vacía en los hornos de retención
donde se le añade otros metales como el titanio, magnesio, cobre o hierro, para
preparar las distintas aleaciones.
El Metal líquido dentro de los hornos es sometido a diversas pruebas y
controles de calidad, para luego ser vaciado en la mesa de colada. En la colada
se vierte el metal líquido a través de canales, a los diferentes moldes que son
enfriados por agua. El producto final es aluminio primario en forma de pailas,
cilindros, planchones y lingotes, según el uso que se les vaya a dar y de
acuerdo con las necesidades del cliente.
El proceso Hall-Heroult es
aquél en el cual el aluminio es fundido para darle una forma utilizable. Una
olla de reducción, que es básicamente un gran contenedor de acero, es forrado
con carbón, el cuál actúa como conductor. Existe otro electrodo que es colocado
encima de la olla de reducción. Se hace circular corriente eléctrica por los
electrodos, que están sumergidos en una solución de electrolitos. La corriente
separa los átomos de aluminio de cualquier otro átomo integrante, y el aluminio
puro se sedimenta en el fondo de la olla. Las mayorías de las ollas de aluminio
no se producen en bloque, sino que se trata de un proceso constante en el cual
constantemente se añade nuevo material. El aluminio que ha sido obtenido
durante el proceso de fundido se trasladado a otro horno en el que se le da
forma de barras. Las barras son enfriadas y distribuidas a los manufactureros,
quienes las utilizan para sus procesos de producción.
PLANTA DE LAMINACIÓN
El aluminio lega a la Planta de Laminación en forma de planchones de
533,4 milímetros de espesor, 1.422,4 milímetros de ancho, con un peso de 10
toneladas, donde se somete al fresado de pieza, con el cual se le da una
superficie lisa a ambas caras. Esta es trasladada a los hornos de
precalentamiento, para nivelar la temperatura en todos los puntos del planchón.
De allí, el planchón es llevado a la mesa del laminador en Caliente para
ser transformado en una bobina de 2.5 a 3 milímetros de espesor y con una
longitud que sobrepasa los 150 metros. Esta bobina es transportada por grúa o
carros especialmente diseñados hacia el Laminador en Frío. Previamente, esta
bobina es enviada de nuevo al Horno de Recocido, donde se somete a ciertas
temperaturas para acondicionar de nuevo el material. Al salir del Horno de
Recocido, vuelve al Laminador en Frío para los pases finales, se rebobina y
está lista para ir al área de Acabado. Por último, la bobina pasa a una moderna
máquina de empaque, para posteriormente ser enviada a los clientes, los cuales
convertirán este insumo en relucientes y resistente productos elaborados en
Venezuela.
Las impurezas de la bauxita en el proceso
·La Sílice: la sílice se presenta
como: cuarzo en sus varias formas y minerales, tales como: Kaolinita (
Al2O3.2SiO2.2H2O) y Halosita (Al2O3.2SiO2.3H2O). La sílice en forma de cuarzo
no es perceptiblemente atacada durante la extracción del hidrato de alúmina;
pero la sílice combinada como arcilla y otros silicatos es altamente reactiva y
se disuelve en sosa cáustica en el tanque de reacción (autoclave) entonces
reacciona con sosa y la alúmina en solución y tiende a precipitarse como un
silicato de sodio y aluminio ( silico-aluminato de sodio) , de composición por
ejemplo: 2Na2O. Al2O3.3H2O, el cual es eliminado del proceso con el hierro insoluble
y el titanio en los lodos rojos.
Un porcentaje de sílice aceptable, no debería ser mayor de 7%.
·Hierro: el hierro se presenta como : hematita
(Fe2O3), limonita (FeOH.nH2O), goetita (FeO OH), siderita ( Fe CO3) y
nontronita (Fe2O3. 3SiO2.5H2O). El óxido de hierro en si no es un material
dañino excepto, en grandes cantidades, cuando tiende a incrementar pérdidas de
sosa en el lodo rojo. Aumentando la cantidad de material manipulado por unidad
extraída.
·Titanio: TiO2- El titanio presenta en las bauxitas
(2-3%) se solubiliza y precipita como NaHTiO3 ( metatitanato sódico),
produciendo pérdidas de sosa. Esto se evita con la presencia de cal (3-5% de la
bauxita); excesos mayores pueden producir la pérdida de alúmina como aluminato
tricálcico hidratado.
El titanio es una impureza indeseable en la alúmina, debido que al pasar
al aluminio reduce notablemente la conductividad eléctrica del mismo. El
titanio es insoluble en condiciones normales de la digestión y es eliminado en
los lodos rojos.
·Berilio: ocurre en cantidades muy pequeñas
(0.0006-0,01%) en algunas bauxitas.
En el proceso Bayer se ha detectado en el licor y se ha pensado que
precipita con sales vanadio bajo ciertas condiciones. Su efecto es que causa
costras muy duras en la celda de reducción electrolítica.
·Calcio: Se presenta en bauxitas originales de las
rocas calcáreas. Su contenido en la caliza es usualmente inferior a 0.4%,
aunque ocasionalmente, puede encontrarse en un rango de 1-2% en minerales
comerciales. La caliza no es apreciablemente extraída en el proceso Bayer y es
usada por cauterización del carbonato en el licor.
·Carbón: La mayoría de las bauxitas comerciales
contienen materiales orgánicos en variadas cantidades. La presencia de materia
orgánica, entre otros como oxalatos, carbonatos, pueden causar licores
espumosos embarazosos, que interfieren en el asentamiento del lodo, en ciertas
circunstancias retardan el proceso de descomposición y alteran las
características de las sales depositadas durante la evaporación y dificultan su
filtración.
Las materias orgánicas presentes en la bauxita pueden ser extraídas
mediante previa calcinación del mineral, dependiendo la efectividad de este
tratamiento de la naturaleza y cantidad de materia orgánica.
·Cromo: ocurre en un rango de 0003-0.3% como Cr2O3
probablemente asociado con el Fe. Este óxido permanece casi inatacado durante
la digestión.
·Fluoruro: (0,01-0,05%), cuando se observa excesiva
cantidad de fluoruro en la bauxita, el balance de fluoruro entre bauxita, licor
y cristales de vanadio no es mantenido, depositándose fluoruro de sodio en una
fuerte escala en los evaporadores e interfieren con la transferencia de calor.
·Galio: ha sido reportado en la mayoría de las
bauxitas 0.001-0.05% Ga2O3. El galio se disuelve casi completamente durante la
extracción, eliminándose en la alúmina hidratada depositada durante la
descomposición. La mayoría se extrae en la digestión y se acumula en solución
hasta 0,8-1 Kg. Ga2O3 por tonelada de alúmina. Se puede extraer también por
electrólisis en la solución caústica. En general es más ventajoso recuperarlo
en los concentrados de carbonatación de las soluciones de aluminato. Generalmente,
la mayoría de los aluminios comerciales (puros) contiene de 0.01-0.02% de
galio.
·Manganeso: está usualmente presente
en la mayoría de las bauxitas en un rango de 0,003-0,2% como MnO. El Mn
presente en las bauxitas no es dañino en el proceso Bayer. El dióxido de Mn se
recomienda como un medio para promover la oxidación de materias orgánicas
durante la digestión.
·Vanadio: el vanadio de la bauxita es parcialmente
soluble (30-70%) durante la digestión. Constituye una impureza indeseable,
haciendo la alúmina hidratada inadecuada para el aluminio incrementando su
resistencia eléctrica al igual que el titanio.
·Fósforo: puede presentarse en apreciables cantidades
en ciertas bauxitas, aunque las cantidades son generalmente menores a 0,5% de
P2O5. En las bauxitas de Jamaica se encontraron porcentajes de 0,3-2,8% de P2O5
combinado con fostato de hierro o calcio. Resulta una impureza indeseable, una
tercera parte puede ser disuelta durante la digestión y precipitar en apreciables
cantidades con la alúmina trihidrata. El fósforo polivalente conduce a pérdidas
de eficiencia de corriente en las celdas electrolíticas a través de su
oxidación y reducción cíclica.
·Potasio: Ocurre solamente en cantidades
insignificantes en minerales comerciales.
·Azufre: el 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 solución. Con contenidos menores de 0,6% de S en la
bauxita no se presentan problemas en el proceso. Si hay más, los sulfatos
pueden alterar la sedimentación del lodo rojo y pueden producirse pérdidas de
Na2O al ser preciso retirar el Na2SO4 excesivo del circuito.
·Componentes orgánicos: principalmente son los
ácidos húmicos que acompañan a la bauxita: a veces se producen al adicionar
floculantes como la harina. Una acumulación excesiva de estos productos puede
generar productos que distorsionen la precipitación o presenten problemas en la
calcinación. Estos productos orgánicos (oxolatos) se retiran cuando cristaliza
el Na2CO3.H2O. Esta sal puede calcinarse y tratarse con CaO para regenerar
NaOH.
