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  • saludo para todas. amigos yo lo que quiciera que alguien me ayuda en dar solucion a este problema tramo de trabajo unos 1035m de largo del puente en el mar . 1- en un puente transportador de fosfatosse va a quitar unas vigas hormigon de 45m de largo y reemplazaelas por unas vigas de cajon de acero sin que se pare la cinta de trabajar . -los riesgos y medidas de seguridad que se puede tomar antes que se realiza el trabajo. se los agredecere de todo corazon su respuesta. pueden entrar en el youtube ver Puentes acceso patalan de phosbucraa -
    mi email es kozar1980@hotmail.com
    su ayuda es importante
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  • 1. Serie: Desarrollo de contenidosColección: Tecnología química en industrias de procesosLos minerales como materia prima–bauxita y minerales de hierro–Miguel KatzMinisterio de Educación, Ciencia y Tecnología.Instituto Nacional de Educación Tecnológica.Saavedra 789. C1229ACE.Ciudad Autónoma de Buenos Aires.República Argentina.
  • 2. a u t o r i d a d e sPRESIDENTE DE LA NACIÓNDr. Néstor KirchnerMINISTRO DE EDUCACIÓN, CIENCIA Y TECNOLOGÍALic. Daniel FilmusDIRECTORA EJECUTIVA DEL INSTITUTO NACIONAL DEEDUCACIÓN TECNOLÓGICALic. María Rosa AlmandozDIRECTOR NACIONAL DEL CENTRO NACIONAL DEEDUCACIÓN TECNOLÓGICALic. Juan Manuel Kirschenbaum
  • 3. Educación técnico-profesional Los minerales como materia prima _bauxita y minerales de hierro_ Serie: Desarrollo de contenidos Tecnología química en industrias de procesos
  • 4. Serie “Desarrollo de contenidos”. Colección “Tecnología química en industrias de procesos” Distribución de carácter gratuito. Queda hecho el depósito que previene la ley n° 11.723. © Todos los derechos reservados por el Ministerio de Educación, Ciencia y Técnologia - Instituto Nacional de Educación Tecnológica. La reproducción total o parcial, en forma idéntica o modifi- cada por cualquier medio mecánico o electrónico incluyendo fotocopia, grabación o cualquier sistema de almacenamiento y recuperación de información no autorizada en forma expre- sa por el editor, viola derechos reservados. Industria Argentina. ISBN 950-00-0542-5 Katz, Miguel Los minerales como materia prima: bauxita y minerales de hierro, coordinado por Juan Manuel Kirschenbaum. Dirección del Programa: - 1a ed. - Buenos Aires: Ministerio de Educación, Ciencia yJuan Manuel Kirschenbaum Tecnología de la Nación. Instituto Nacional de Educación Coordinación general: Tecnológica, 2006. Haydeé Noceti 116 p.; 22x17 cm. (Desarrollo de contenidos; 3)0 Diseño didáctico: ISBN 950-00-0542-5 Ana Rúa Administración: 1. Tecnología Química. Adriana Perrone I. Kirschenbaum, Juan Manuel, coord. II. Título Diseño gráfico: Tomás Ahumada CDD 622.349 26 Carolina Macedra Fecha de catalogación: 3/01/2006 Diseño de tapa: Tomás Ahumada Con la colaboración Impreso en MDC MACHINE S. A., Marcelo T. de Alvear 4346del equipo de profesionales (B1702CFZ), Ciudadela, en setiembre 2006 del Centro Nacional de Educación Tecnológica Tirada de esta edición: 2.000 ejemplares
  • 5. Instituto Nacional de Educación TecnológicaCentro Nacional de Educación TecnológicaCeNET-MaterialesSerie: “Desarrollo de contenidos” • Construcciones • Diseño industrial y gráfico • Electricidad, electrónica y sistemas de control • Empresa simulada • Fluídica y controladores lógicos programables (PLC) • Gestión de la calidad • Gestión de las organizaciones • Invernadero computarizado • Proyecto tecnológico • Tecnología de las comunicaciones • Tecnología de los materiales • Tecnología en herramientas de corte • Tecnología química en industrias de procesos 1. El aire como materia prima 2. El azufre como materia prima 3. Los minerales como materia prima –bauxita y minerales de hierro– • Unidades de Cultura TecnológicaTodos los libros están disponibles en la página web del INET. www.inet.edu.ar
  • 6. A la memoria de mi hijo Pablo
  • 7. ÍndiceLas metas, los programas y las 2 Los minerales de hierro comolíneas de acción del Instituto materia prima 70Nacional de Educación Tecnológica 8 • El hierro • El sistema hierro-carbonoLas acciones del Centro Nacional 9 • Fundiciones; clasificación y pro-de Educación Tecnológica piedadesPresentación 10 • Obtención del hierro a partir de los minerales1 La bauxita como materia prima 12 • Obtención de arrabio en el alto • Obtención de alúmina a partir de horno la bauxita. Proceso Bayer • Obtención de acero a partir del • El aluminio arrabio • Proceso de desgasificación del • Algunas nociones de electroquími- acero fundido ca • Proceso de colada continua • Obtención de aluminio por el pro- ceso Hall-Héroult • Tratamientos térmicos que se apli- can al acero • Consumo de energía en la fabrica- ción de aluminio • Producción de acero crudo • Aceros aleados • Productos comerciales • Aceros inoxidables • La producción de aluminio prima- rio en la Argentina • Principales establecimientos side- rúrgicos del país • Reciclaje del aluminio • La industria siderúrgica y el medio • Usos y aplicaciones del aluminio ambiente • Aspectos ambientales derivados de la producción de aluminio Bibliografía de consulta 116 Miguel Katz Profesor en Química (Instituto Nacional Superior del Profesorado "J. V. González"), licenciado en Enseñanza de la Química (Universidad CAECE). Es docente en el ISP "J. V. González" donde dicta diversas disciplinas en los Departamentos de Química y de Física, y en el Instituto de Educación Superior Nº 2 "Mariano Acosta" donde es profesor de "Termodinámica". Fue profesor adjunto de "Termodinámica" (Facultad Regional Buenos Aires. Universidad Tecnológica Nacional) y profesor asociado de Este libro "Química Orgánica" en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Morón. En losfue desarrollado últimos años ha dictado gran cantidad de cursos de capacitación docente en temas de por: Química.
  • 8. Programa 1. Formación técnica, media y superior no universitaria:LAS METAS, LOS PROGRAMAS 1.1. Homologación y validez nacional de títulos.Y LAS LÍNEAS DE ACCIÓN 1.2. Registro nacional de instituciones de forma-DEL INSTITUTO NACIONAL ción técnica. 1.3. Espacios de concertación.DE EDUCACIÓN TECNOLÓGICA 1.4. Perfiles profesionales y ofertas formativas.El Instituto Nacional de Educación Tecnológica -INET- 1.5. Fortalecimiento de la gestión institucional;enmarca sus líneas de acción, programas y proyectos, equipamiento de talleres y laboratorios.en las metas de: 1.6. Prácticas productivas profesionalizantes: Aprender emprendiendo. • Coordinar y promover programas nacionales y federales orientados a fortalecer la educación téc- Programa 2. Crédito fiscal: nico-profesional, articulados con los distintos 2.1. Difusión y asistencia técnica. niveles y ciclos del sistema educativo nacional. 2.2. Aplicación del régimen. • Implementar estrategias y acciones de coope- 2.3. Evaluación y auditoría. ración entre distintas entidades, instituciones y organismos –gubernamentales y no gubernamen- Programa 3. Formación profesional para el desarrollo tales-, que permitan el consenso en torno a las local: políticas, los lineamientos y el desarrollo de las 3.1. Articulación con las provincias. ofertas educativas, cuyos resultados sean conside- rados en el Consejo Nacional de Educación-Trabajo 3.2. Diseño curricular e institucional. –CoNE-T– y en el Consejo Federal de Cultura y 3.3. Información, evaluación y certificación. Educación. Programa 4.Educación para el trabajo y la integración • Desarrollar estrategias y acciones destinadas a vin- social. cular y a articular las áreas de educación técnico- Programa 5. Mejoramiento de la enseñanza y del apren- profesional con los sectores del trabajo y la produc- dizaje de la Tecnología y de la Ciencia: ción, a escala local, regional e interregional. 5.1. Formación continua. • Diseñar y ejecutar un plan de asistencia técnica a las jurisdicciones en los aspectos institucionales, 5.2. Desarrollo de recursos didácticos. pedagógicos, organizativos y de gestión, relativos a Programa 6. Desarrollo de sistemas de información y la educación técnico-profesional, en el marco de los comunicaciones: acuerdos y resoluciones establecidos por el Consejo Federal de Cultura y Educación. 6.1. Desarrollo de sistemas y redes. • Diseñar y desarrollar un plan anual de capacitación, 6.2. Interactividad de centros. con modalidades presenciales, semipresenciales y a Programa 7. Secretaría ejecutiva del Consejo Nacional distancia, con sede en el Centro Nacional de de Educación Trabajo –CoNE-T–. Educación Tecnológica, y con nodos en los Centros Regionales de Educación Tecnológica y las Unidades Programa 8. Cooperación internacional. de Cultura Tecnológica. • Coordinar y promover programas de asistencia Los libros que, en esta ocasión, estamos acercando a la económica e incentivos fiscales destinados a la comunidad educativa, se enmarcan en el Programa 5 actualización y el desarrollo de la educación técni- del INET; han sido elaborados por especialistas del co-profesional; en particular, ejecutar las acciones Centro Nacional de Educación Tecnológica del INET y relativas a la adjudicación y el control de la asig- por especialistas convocados a través del Programa de nación del Crédito Fiscal –Ley Nº 22.317–. las Naciones Unidas para el Desarrollo –PNUD– desde su línea “Conocimientos científico-tecnológicos para el • Desarrollar mecanismos de cooperación interna- desarrollo de equipos e instrumentos”, a quienes esta cional y acciones relativas a diferentes procesos de Dirección expresa su profundo reconocimiento por la integración educativa; en particular, los relaciona- tarea encarada. dos con los países del MERCOSUR, en lo referente a la educación técnico-profesional.Estas metas se despliegan en distintos programas y María Rosa Almandoz Directora Ejecutivalíneas de acción de responsabilidad de nuestra institu- del Instituto Nacional de Educación Tecnológica.ción, para el período 2003-2007: Ministerio de Educación, Ciencia y Tecnología
  • 9. disponibles en el espacio web www.inet.edu.ar–:LAS ACCIONES • Educación Tecnológica, que abarca materiales queDEL CENTRO NACIONAL posibilitan una definición curricular del área de la Tecnología en el ámbito escolar y que incluyeDE EDUCACIÓN TECNOLÓGICA marcos teóricos generales, de referencia, acerca del área en su conjunto y de sus contenidos, enfo-Desde el Centro Nacional de Educación Tecnológica ques, procedimientos y estrategias didácticas más–CeNET– encaramos el diseño, el desarrollo y la imple- generales.mentación de proyectos innovadores para la enseñanzay el aprendizaje en educación técnico-profesional. • Desarrollo de contenidos, nuestra segunda serie de publicaciones, que nuclea fascículos de capaci-El CeNET, así: tación en los que se profundiza en los campos de problemas y de contenidos de las distintas áreas • Es un ámbito de desarrollo y evaluación de del conocimiento tecnológico, y que recopila, metodología didáctica, y de actualización de con- también, experiencias de capacitación docente tenidos de la tecnología y de sus sustentos cientí- desarrolladas en cada una de estas áreas. ficos. • Capacita en el uso de tecnología a docentes, profe- • Educación con tecnologías, que propicia el uso de sionales, técnicos, estudiantes y otras personas de la tecnologías de la información y de la comu- comunidad. nicación como recursos didácticos, en las clases de todas las áreas y espacios curriculares. • Brinda asistencia técnica a autoridades educativas jurisdiccionales y a educadores. • Educadores en Tecnología, serie de publicaciones • Articula recursos asociativos, integrando a los que focaliza el análisis y las propuestas en uno actores sociales involucrados con la Educación de los constituyentes del proceso didáctico: el Tecnológica. profesional que enseña Tecnología, ahondando en los rasgos de su formación, de sus prácticas,Desde el CeNET venimos trabajando en distintas líneas de de sus procesos de capacitación, de su vincu-acción que convergen en el objetivo de reunir a profe- lación con los lineamientos curriculares y consores, a especialistas en Educación Tecnológica y a repre- las políticas educativas, de interactividad consentantes de la industria y de la empresa, en acciones sus alumnos, y con sus propios saberes y modoscompartidas que permitan que la educación técnico-pro- de hacer.fesional se desarrolle en la escuela de un modo sistemáti-co, enriquecedor, profundo... auténticamente formativo, • Documentos de la escuela técnica, que difundetanto para los alumnos como para los docentes. los marcos normativos y curriculares que desde el CONET –Consejo Nacional de EducaciónUna de nuestras líneas de acción es la de diseñar y llevar Técnica- delinearon la educación técnica deadelante un sistema de capacitación continua para profe- nuestro país, entre 1959 y 1995.sores de educación técnico-profesional, implementandotrayectos de actualización. En el CeNET contamos con • Ciencias para la Educación Tecnológica, que presentaquince unidades de gestión de aprendizaje en las que se contenidos científicos asociados con los distintosdesarrollan cursos, talleres, pasantías, conferencias, campos de la tecnología, los que aportan marcosencuentros, destinados a cada educador que desee inte- conceptuales que permiten explicar y fundamentargrarse en ellos presencialmente o a distancia. los problemas de nuestra área.Otra de nuestras líneas de trabajo asume la respon- • Recursos didácticos, que presenta contenidos tec-sabilidad de generar y participar en redes que vinculan nológicos y científicos, estrategias –curriculares,al Centro con organismos e instituciones educativos didácticas y referidas a procedimientos de cons-ocupados en la educación técnico-profesional, y con trucción– que permiten al profesor de la edu-organismos, instituciones y empresas dedicados a la cación técnico-profesional desarrollar, con sustecnología en general. Entre estas redes, se encuentra alumnos, un equipamiento específico para inte-la Red Huitral, que conecta a CeNET con los Centros grar en sus clases.Regionales de Educación Tecnológica -CeRET- y conlas Unidades de Cultura Tecnológica –UCT– instaladosen todo el país. Juan Manuel KirschenbaumTambién nos ocupa la tarea de producir materiales de Director Nacionalcapacitación docente. Desde CeNET hemos desarrolla- del Centro Nacional de Educación Tecnológica.do distintas series de publicaciones –todas ellas Instituto Nacional de Educación Tecnológica
  • 10. PRESENTACIÓN A lo largo de este trabajo abarcamos los fun- Más allá de los aspectos beneficiosos que damentos teóricos de la producción de alu- brindan los productos de aluminio, hay per- minio, de hierro y de acero, así como una juicios ambientales que están causando preo- descripción de los principales procesos cupación: la emisión de contaminantes industriales que, en la actualidad, se efectúan atmosféricos; especialmente, CO2 y perfluo- para obtenerlos. rocarbonos. Estos últimos contribuyen en tal grado al efecto invernadero que se estima En apenas 120 años, la industria del alumi- que un kilogramo de tetraflurometano conta- nio experimentó un crecimiento vertiginoso, mina tanto como seis toneladas y media de suministrando un material de múltiples apli- CO2. caciones. Ese metal –que, a mediados del siglo XIX, era mucho más caro que el oro– La segunda parte de este trabajo está dedi- pasó a ser constituyente de una infinidad de cada la obtención del hierro y el acero. En artículos de nuestra vida cotidiana: marcos ciertas épocas, el conocimiento de la tecno- de ventanas, envases de bebidas gaseosas, logía de estos metales ha cambiado el curso baterías de cocina, etc. El método de su de la historia y es así que una de las transi- obtención es prácticamente único. ciones de la civilización está constituida Descubierto por un estudiante de escuela por el paso de la edad de bronce a la edad secundaria que experimentaba en el fondo de del hierro. Los objetos de hierro y acero son su casa, ha dado lugar a la formación de una parte de nuestra vida cotidiana y es de par- media docena de empresas multinacionales ticular interés que los estudiantes conozcan que proveen de este material a todo el los procesos mediante los cuales se obtie- mundo. nen. Pero, también es importante que tomen conciencia del efecto ambiental que La bauxita es la materia prima que más se provoca la reducción del mineral por el car- utiliza; es tan abundante sobre la corteza bón. La producción mundial de acero terrestre que asegura la producción de alumi- crudo ronda los 1000 millones de tonela- nio por muchas décadas. Pero, el costo das anuales y por cada tonelada de metal se mayor lo constituye la energía requerida para liberan a la atmósfera 2,0-2,2 toneladas de el proceso de obtención. La búsqueda de CO2, con lo que la industria siderúrgica se fuentes de energía baratas ha dado lugar a constituye en uno de los mayores emisores operaciones comerciales que parecen insóli- de ese gas. tas como, por ejemplo, que una empresa lleve la bauxita desde Australia hasta Para el docente que desee ampliar la infor- Islandia, obtenga allí el aluminio y lo expor- mación sobre algunos procesos, se indican te a los Estados Unidos. páginas de Internet, así como una bibliogra- fía de consulta.10
  • 11. También se agregan algunos encuadres teóri- Esperamos que el contenido de este trabajocos y referencias biográficas de personas que sea de utilidad al docente y le sugiera algunashan contribuido al desarrollo de la ciencia o ideas para su traslado al aula.la tecnología. A lo largo de este material de capacitación apela- ¿Cómo funciona? ¿Cómo está hecho y de qué mate- mos al análisis de productos y de procesos tecno- rial? ¿Qué valor tiene? ¿Cómo está relacionado con lógicos, procedimiento clave de la Educación su entorno? ¿Cómo está vinculado a la estructura Tecnológica. sociocultural y a las demandas sociales?" (Gay, Aquiles; Ferreras, Miguel. 1997. La Educación "Las diversas etapas del método de análisis o lec- Tecnológica. Aportes para su implementación. tura surgen como respuesta a interrogantes que, Prociencia-CONICET. Ministerio de Cultura y normalmente, un observador crítico se plantearía Educación de la Nación. Buenos Aires). frente a los objetos en general y a un objeto en par- ticular: ¿Qué forma tiene? ¿Qué función cumple? Usted puede acceder a la versión digital de esta ¿Cuáles son sus elementos y cómo se relacionan? obra desde el sitio web: www.inet.edu.ar 11
  • 12. 1. LA BAUXITA COMO MATERIA PRIMA La bauxita es el mineral más comúnmente cantidad de estos minerales presentes en la usado como materia prima para la obtención bauxita son las responsables de su aspecto de aluminio. Este mineral fue descubierto en físico; así hay bauxitas de color pardo oscu- 1821 por P. Berthier en un lugar próximo a ro, amarillo pálido, rosado, etc. Les Baux, en el sur de Francia, de donde deviene el nombre. La bauxita se presenta en A fines de 1995, la U. S. Bureau of Mines esti- tres formas mineralógicas que difieren en el maba las reservas mundiales de bauxita en número de moléculas de agua de hidratación 25.000 millones de toneladas, probadas y pro- y estructura cristalina. Las tres formas estruc- bables. Las estimaciones actuales apuntan a turales de la bauxita se llaman gibbsita, böh- 75.000 millones de toneladas. La mayor parte mita y diásporo. La gibbsita es un verdadero de las reservas de hidróxido de aluminio mientras que la böh- bauxita se encuen- mita y el diásporo son óxidos-hidróxidos de tra en zonas tropi- De acuerdo con la U.S. aluminio. La principal diferencia entre estas cales, en América Geological Survey "La dos últimas radica en la estructura cristalina. del Sur (33 %), magnitud de esas África (27 %), Asia reservas es suficiente para asegurar un En la bauxita, acompañan a los compuestos (17 %) y Oceanía suministro accesible y de aluminio: magnetita (Fe3O4), hematita (13 %). 1 fluido para el futuro". (Fe2O3), goethita (FeO(OH)), siderita (FeCO3), caolinita (H4Al2Si2O9), ilmenita (FeTiO3), anatasa, rutilo y brookita (estos La producción de bauxita creció casi un 20 % últimos minerales de TiO2). La naturaleza y (de 112 a 134 millones de toneladas) entre Unidades Gibbsita Böhmita Diásporo Composición Al(OH)3 AlO(OH) AlO(OH) Contenido máximo % 65,4 85,0 85,0 de alúmina Sistema cristalino Monoclínico Ortorómbico Ortorómbico Densidad g . cm-3 2,42 3,01 3,44 Temperatura para una deshidratación °C 150 350 450 rápida 1 U.S. Geological Survey (1996) "Bauxite and alumina".12
  • 13. 1994 y 2004. Australia el es mayor productor Obtención de alúmina a partir(38 %) seguido por Guinea (12 %). La pro-ducción de Brasil creció, en ese período, del 7 de la bauxita. Proceso Bayeral 10 % del total mundial, superando a Jamaica(9 %). La producción de bauxita está crecien- En 1889, Karl Josef Bayer, hijo del fundadordo rápidamente en China y la India. de la empresa química del mismo apellido, desarrolló un método para la obtención deSegún la Africa Resources Corp., más de la alúmina a partir de la bauxita, proceso quemitad del costo de producción de bauxita desde entonces ha sufrido muy pocas modi-se debe a las cargas laborales (34 %) y a la ficaciones.energía (21 %). Más del 85 % de la pro-ducción mundial de bauxita se destina a la En el proceso Bayer, el mineral se hace pasarproducción de alúmina y aluminio. Las por quebrantadoras de rodillos y, luego, esempresas internacionales dedicadas a la molido en molinos de bolas. La bauxita moli-producción de aluminio participan en más da es dispersada en una lejía de soda cáusti-del 62 % de la producción mundial de bau- ca para extraer la gibbsita, la böhmita o elxita. Alcoa World Alumina and Chemicals diásporo presente y, así, separar selectiva-group (AWAC), un consorcio formado por mente los compuestos de aluminio de losAlcoa (60 %) y Western Minning Corp. (40 %), componentes insolubles (generalmente, óxi-produce más alúmina que cualquier otra dos). Para que la separación sea eficiente, secompañía en el mundo. Luego de su fusión requiere que el mineral de partida contengacon Reynolds Metal Co., Alcoa controla el 38 menos del 3 % de silicatos, ya que estos% del mercado mundial de alúmina y alu- compuestos tienden a solubilizarse por reac-minio. ción con hidróxido de sodio. Esquema del proceso Bayer para la obtención de la alúmina 13
  • 14. La reacción de la gibbsita con el hidróxido de mentación, del residuo insoluble presente en sodio ocurre según: la bauxita. El barro depositado por sedimen- tación, llamado "barro rojo", contiene óxidos Al(OH)3 + Na+ + OH- Al(OH)4- + Na+ de hierro, silicato de aluminio y sodio, óxido de titanio y otras impurezas, principalmente La böhmita y diásporo reaccionan con el óxidos. El tamaño de partícula del barro rojo hidróxido de sodio formando, también, alu- es muy pequeño –en algunos casos, menor minato de sodio: que 1 micrón–, por lo que deben regularse cuidadosamente las condiciones en que se AlO(OH) + Na+ + OH- + H2O produce su decantación y sedimentación. Al(OH)4- + Na+ Una vez separado el barro rojo, el remanente se filtra y los sólidos que quedan en los fil- La solución de aluminatos, conjuntamente tros se lavan, para recuperar el hidróxido de con los productos insolubles forma una sodio que se recicla al proceso principal. lechada que se envía a un digestor. Las con- diciones en el digestor (temperatura, presión Un problema bastante serio está constituido y concentración) se fijan de acuerdo con las por la deposición propiedades del mineral de partida. del barro rojo. Minerales con un alto porcentaje de gibbsita Generalmente, se Una planta que proce- pueden procesarse a 140 ºC; en cambio, si la lo deposita en se 3 millones de tone- bauxita contiene porcentajes importantes de zonas bajas y se lo ladas de bauxita por böhmita o diásporo requiere que el digestor cubre con agua, año, requiere un área opere entre 200 y 240 ºC. La presión de tra- de 1 km2 para el de- formando una pósito del barro. bajo es relativamente elevada y depende, suerte de laguna. también, de los porcentajes de los tres com- puestos de aluminio. Para un mineral rico en La lejía purificada contiene una relación böhmita –para el cual la temperatura en el molar Na2O:Al2O3 que varía entre 1,5 y 1,8. digestor es de 240 ºC–, la presión óptima es Esta lejía se transfiere a precipitadores donde de unas 35 atmósferas. se enfría a temperaturas entre 47 y 62 ºC, lo que induce una precipitación de alrededor Por consideraciones cinéticas sería provecho- del 50 % de su contenido en alúmina. Para so efectuar el proceso a temperaturas eleva- que la precipitación se produzca, se requiere das. Sin embargo, en la práctica surgen algu- la hidrólisis del aluminato de sodio: nos inconvenientes –corrosión en los apara- tos, disolución de componentes del mineral Al(OH)4- + Na+ Al(OH)3 + Na+ + OH- que a temperatura ambiente son escasamen- te solubles, etc.–, lo que obliga a los elabora- La hidrólisis del aluminato de sodio se logra dores a ajustar muy bien la temperatura del mediante la siembra de cristales de hidróxido digestor para obtener un rendimiento ópti- de aluminio. De esta manera, se produce una mo en la extracción de los compuestos de nucleación selectiva que permite la precipita- aluminio del mineral. ción del hidróxido de aluminio. La propor- ción de cristales de hidróxido de aluminio Después de la disolución, la lejía que contie- debe ser 3 a 4 veces mayor que la que se ne el aluminato de sodio se separa, por sedi- encuentra disuelta. El proceso se lleva a cabo14
  • 15. agitando la mezcla en grandes tanques de En esta etapa, a unos 1100-1200 ºC, se formaacero, y dura entre 20 y 80 horas. alúmina según:Las partículas de hidróxido de aluminio se 2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2Odepositan en el fondo del tanque, se remueveny son lavadas en filtros rotatorios. El proceso de calcinación debe ser controlado cuidadosamente, ya que determina las propie-La precipitación del hidróxido de aluminio es, dades del producto.esencialmente, el proceso inverso a la extrac-ción con soda cáustica. En esta etapa deben La alúmina obtenida es la materia prima pararegularse cuidadosamente las condiciones ope- la obtención de aluminio.rativas, tanto la temperatura como la velocidadde enfriamiento. A partir de la década de 1970, muchas refine- rías de alúmina se han mudado de Europa y losLos cristales de hidróxido de aluminio Estados Unidos a las zonas donde están las–comúnmente, llamados "hidrato"– se clasifi- minas de bauxita, especialmente a Australia,can por rangos de tamaño. Las partículas cuyos Brasil, Venezuela e India. Se ha encontrado quetamaños están por debajo de los valores reque- es más económico convertir la bauxita en alú-ridos se reenvían a los precipitadotes. mina in situ que afrontar los gastos de trans- porte de la bauxita. Cuatro países, AustraliaLos cristales de "hidrato" de tamaño apropia- (32 %), Estados Unidos, China y Jaaica produ-do, se envían a un horno rotatorio o a un cen más del 55 % de la alúmina mundial.horno de lecho fluidizado para su calcinación. Producción2 mundial de alúmina3 (Miles de toneladas métricas) Grado Período de la Área 2: Área 3: Área 6A: Área 6B: Área 14: Área 4/5: Área 7: alúmina América América Europa Europa Total África Asia Oceanía del Norte Latina Occ. Oriental Químico 0 236 58 239 354 156 61 1,1042º Meta-trimestre 188 1.474 3.230 1.090 1.244 1.174 4.176 12.576 lúrgico2004 Total 188 1.710 3.288 1.329 1.598 1.330 4.237 13.680 Químico 0 266 67 232 340 159 50 1.1143° Meta-trimestre 198 1.486 3.052 1.098 1.252 1.189 4.175 12.450 lúrgico2004 Total 198 1.752 3.119 1.330 1.592 1.348 4.225 13.5642 La producción total de alúmina es el peso del óxido de aluminio trihidrato expresado como 100 % de equivalente en Al O antes de su posterior tratamiento. La 2 3producción total de alúmina se desagrega según se utilice para la producción de aluminio (alúmina de grado metalúrgico) o para otros procesos químicos.3 International Aluminium Institute (2005) New Zealand House. Haymarket. United Kingdom.4 Área 1 África: Guinea. Área 2 América del Norte: Canadá, Estados Unidos de América. Área 3 América Latina: Brasil, Guyana, Jamaica, Surinam, Venezuela. Área4 Asia: China*, Japón, Corea del Sur*. Área 5 Asia (Sur): Azerbaijan*, India, Irán*, Kazakhstan, Turquía. Área 6A Europa Occidental: Francia, Alemania, Grecia,Irlanda, Italia, España. Área 6B Europa del Este: Bosnia & Herzegovina*, Hungría, Rumania*, Federación Rusa, Serbia & Montenegro, Ucrania. Área 7 Oceanía:Australia. Los asteriscos indican que la información no fue informada directamente a la IAI. 15
  • 16. Producción mundial de alúmina (Miles de toneladas métricas) Grado Período de la Área 2: Área 3: Área 6A: Área 6B: Área 1: Área 4/5: Área 7: alúmina América América Europa Europa Total África Asia Oceanía del Norte Latina Occ. Oriental Químico 0 251 75 239 364 155 60 1.144 4º Meta- trimestre 204 1.504 3.275 1.158 1.256 1.203 4.234 12.834 lúrgico 2004 Total 204 1.755 3.350 1.397 1.620 1.358 4.294 13.978 Químico 0 992 252 937 1.395 610 229 4.415 Meta- 2004 779 5.895 12.824 4.460 4.982 4.771 16.746 50.457 lúrgico Total 779 6.887 13.076 5.397 6.377 5.381 16.975 54.872 Químico 0 240 60 216 391 144 68 1.119 1° Meta- trimestre 160 1.509 3.239 1.136 1.195 1.203 4.311 12.753 lúrgico 2005 Total 160 1.749 3.299 1.352 1.586 1.347 4.379 13.872 Químico 0 277 65 218 401 155 60 1.176 2º Meta- trimestre 195 1.499 3.259 1.115 1.180 1.195 4.450 12.893 lúrgico 2004 Total 195 1.776 3.324 1.333 1.581 1.350 4.510 14.069 PROPIEDADES DE LA ALÚMINA El aluminio Fórmula Al2O3 Si bien el aluminio es el elemento metálico Nº CAS 1344-28-1 más abundante de la corteza terrestre, su pro- Masa molar 101,96 uma ducción industrial recién pudo llevarse a Densidad 3,97 g . cm-3 cabo hace apenas algo más de un siglo. Punto de fusión 2030 ºC Varias civilizaciones utilizaron compuestos Punto de ebullición 2977 ºC naturales de aluminio para diversos usos. Así, las arcillas con alto contenido de silicatos de Solubilidad en agua Insoluble aluminio hidratados se usaron para produc- Color Blanco tos cerámicos y el sulfato de aluminio fue Calor estándar de formación 1675,69 kJ mol-1 conocido por los egipcios, griegos y romanos, quienes lo emplearon como mordientes en Capacidad calorífica molar los procesos de teñido de las telas. 78,766 J K-1mol-1 (a 25 ºC)16
  • 17. Morveau propuso que esa "tierra" debería lla- Algunos estudiosos de la historia antigua han marse alumine. Sir Humpry Davy, quien sugerido que hace más de 2.000 años hubo una determinó que todas las "tierras" eran combi- pequeña producción de aluminio, sosteniendo naciones de algún metal con oxígeno, inten- que, en su enciclopedia Historia Naturalis tó obtenerlo por destilación de una amalga- Plinio el Viejo mencionó la existencia de un metal plateado particularmente sonoro: ma de cloruro de aluminio y potasio metáli- co. No logró aislar el metal; pero, a pesar de "Un día, se le permitió a un joyero en Roma ello, propuso llamarlo alumium. mostrar al Emperador Tiberio un plato hecho de un metal nuevo. El plato era muy liviano y, al John Dalton creía que el óxido de aluminio menos, tan brillante como la plata. El joyero le era una sustancia simple y, en su particular dijo al Emperador que había obtenido el metal manera de representar a los elementos, le de arcilla común. También le aseguró al asignó el símbolo: Emperador que sólo él y los Dioses sabían cómo producir ese metal a partir de arcilla. El Emperador se interesó mucho y como un experto en finanzas comenzó a preocuparse. El Emperador se dio cuenta que sus tesoros de oro y plata perderían bastante valor si la gente comenzaba a producir ese metal brillante a partir de la arcilla. Por eso, en lugar de darle al joyero la recompensa que aquél esperaba, En 1825, el físico dinamarqués Hans Christian ordenó decapitarlo." Øersted perfeccionó la técnica de Davy y logró obtener pequeñas cantidades de aluminio Obviamente, no hay manera de comprobar la veracidad de esta historia (la Historia Naturalis haciendo reaccionar una amalgama diluida de de Plinio el Viejo no se caracteriza por su rigor potasio con cloruro de aluminio anhidro y científico). separando el mercurio por destilación: 3 K(Hg) + AlCl3 → 3 KCl + Al + Hg↑Los romanos llamaban alumen a toda sus-tancia de sabor astringente. Es por ello que,en la Edad Media, se le dio el nombre de En 1827, Friedrichalumen (también alumbre) a la sal doble Wöhler mejoró elAl2(SO4)3 . K2SO4 . 24 H2O obtenida de un método de Øerstedmineral llamado alunita, que contiene por- de reacción de pota-centajes apreciables de este sulfato de alu- sio con cloruro deminio y potasio. aluminio anhidro, logrando obtenerCon el desarrollo de la Química, y el enten- aluminio puro endimiento del proceso de neutralización se polvo. Wöhler des-sospechó que la "tierra" que por neutraliza- cribió algunas de lasción con ácido sulfúrico formaba el sulfato propiedades físicasde aluminio debería contener un elemento del aluminio: la den-metálico aún no aislado. En 1761, el quími- Hans Christian Øersted sidad, la conductivi-co francés Louis-Bernard Guyton de (1777-1851) dad eléctrica, etc. 17
  • 18. PROPIEDADES DEL ALUMINIO Símbolo Al Calor de vaporización 293,4 kJ/mol Número atómico 13 Calor de fusión 10,56 kJ/mol (a 933,45 K) Familia Elementos térreos Presión de vapor 2,42 x 10-6 Pa a 933 K Grupo y período 13 (IIIA), 3 Velocidad del sonido 5100 m/s a 933 K Densidad 2700 kg/m3 1,61 Electronegatividad Apariencia Metálica, plateada (Escala de Pauling) Masa atómica 26,981538 uma Calor específico a 25 ºC 897,1 J/(kg K) Radio atómico (calc.) 125 pm (118 pm) 28,0892 - 5,414849 θ + Capacidad calorífica + 8,560423θ2 + 3,42737θ3 - Radio iónico Al3+ 68 pm del Al sólido - 0,277375/θ2 Configuración [Ne] 3 s2 3 p1 (θ = K/1000) en kJ/mol 31,751+ 3,936.10-8 θ - Niveles electrónicos 2, 8, 3 - 1,7865.10-8 θ2 + Capacidad calorífica Estados de oxidación + 2,6942.10-9 θ3 + 3 (anfotéro) del Al líquido + 5,480.10-9/θ2 (Óxido) (θ = K/1000) en kJ/mol Cúbica centrada en las Estructura cristalina Conductividad eléctrica 37,7 106/m ohm caras Modo de agregación Sólido Conductividad térmica 237 W/(m K) Punto de fusión 933,45 K (1220,58 °F) Energía de 1ª ionización 577,5 kJ/mol Punto de ebullición 2792 K (4566 °F) Energía de 2ª ionización 1816,7 kJ/mol Volumen molar 10,00 ×10-6 m3/mol Energía de 3ª ionización 2744,8 kJ/mol En 1852, Robert Pero, en esa época no había dispositivos eléc- Wilhelm Bunsen tricos adecuados para ese proceso, de modo había electrolizado que comenzó a investigar si se podía mejorar el cloruro de magnesio método de Wöhler. Para ello, luego de varios en un crisol de porce- intentos, encontró que se podía obtener alumi- lana utilizando elec- nio de buena pureza empleando cloruro doble trodos de grafito, de aluminio y sodio. El sodio no sólo era obteniendo magnesio mucho más barato que el potasio sino que la metálico en el cátodo. sal doble es mucho menos volátil que el cloru- Henri Etienne Sante- ro potasio. Presentó su memoria ante la Claire Deville tomó la Academia de Ciencias en marzo de 1854 y en idea de Bunsen e la Exposición Universal de París de 1855 exhi- intentó electrolizar bió un lingote de aluminio de 7 kg. Su amistad Friedrich Wöhler cloruro de aluminio. con el Ministro de Educación de Francia le per- (1800-1882)18
  • 19. ¿Sabía usted que… ¿Sabía usted que… a mediados del siglo XIX el aluminio Jules Verne, en su De la Tierra a la era un metal más caro que el oro? Luna (1865), describió al aluminio como el metal ideal para el proyectil En 1853, el emperador Napoleón III que los norteamericanos enviarían a la usó platos y cubiertos de aluminio en Luna? un banquete ofrecido al rey de Siam. En esa época, el aluminio era un metal Al respecto escribió: tan precioso que esa vajilla se utilizaba para recepciones a reyes, mientras que "Este valioso metal posee la blancura en las recepciones a dignatarios no tan de la plata, la indestructibilidad del importantes, la vajilla era de oro. oro, la tenacidad del hierro, la fusibili- dad del cobre, la luminosidad del vidrio, se forja con facilidad, está dis-mitió interesar a Napoleón III en un proyecto tribuido ampliamente formando lapara instalar la primera fábrica de aluminio. El base de la mayoría de las rocas, es tresemperador contribuyó con la financiación del veces más liviano que el hierro y pare-proyecto y la planta de elaboración, inicial- ce haber sido creado para el expresomente en Javel (París), se trasladó luego en propósito de proveernos de materialNanterre. En 1859, la fábrica produjo unos para nuestro proyectil."500 kg de aluminio destinados, principalmen-te, a la fabricación de bijouterie. El proceso deSante-Claire Deville provocó una caída del pre-cio del aluminio que, antes de su obtenciónindustrial, era mucho más caro que el oro o elplatino, logrando que a fines de la década de1860, costase una centésima parte que en ladécada anterior. Aún con métodos industriales de producción, el alu- minio seguía sien- do un metal caro. Así, por ejemplo, el ápice del obelis- co de Washington, –que se representa en los billetes de un dólar– es una pirámide de alumi-Henri Ettienne Sante- nio de sólo 22 cmClaire Deville de alto y 13,9 cm(1818-1881) 19
  • 20. Charles Martin Hall Paul Louis Toussaint Héroult (1863-1914) (1863-1914) Charles Martin Hall fue alum- no de Frank F. Jewett en el Paul Louis Toussaint Héroult Oberlin College de Ohio. nació en 1863 en Thury- Jewett, quien había sido dis- Harciurt, Normandía, en una cípulo de Wöhler en Gotinga, pequeña curtiduría, propie- solía describir a los alumnos los trabajos de dad de su padre, cerca de París, transformada Wöhler para obtener aluminio y las dificultades en laboratorio de pruebas. Disponiendo de una de su producción industrial. Este tema le intere- máquina de vapor de débil potencia y de una só al joven Hall quien eligió la obtención de alu- pequeña dinamo Gramme, realizó los primeros minio como trabajo final de su curso de Química. ensayos de electrólisis de la alúmina, experi- En el fondo de su casa montó un pequeño taller, mentando diversos fundentes, hasta llegar a la armó una batería eléctrica y un horno, e intentó criolita. fundir bauxita para electrolizarla. Dada la alta temperatura de fusión del mineral, el resultado El procedimiento electrolítico inventado por de su experimento fue negativo, por lo que se Heroult consiste en electrolizar la alúmina dedicó a buscar algún material que bajase la disuelta en la criolita fundida, con ánodo de temperatura de fusión de la bauxita. Luego de carbono, para recolectar el aluminio fundido. varios intentos, encontró que disolviendo bauxi- ta en criolita fundida que contenía algo de espa- Con Charles Hall entablaron una amistad que to flúor se obtenía una masa pastosa susceptible duró hasta la muerte. Curiosamente, ambos de electrolizar. Variando el amperaje de la cuba nacieron y murieron en los mismos años. en que se encontraba la masa fluida, el 23 de febrero de 1886, logró que se formaran unos gló- bulos de aluminio en el cátodo. Ni bien el alumi- En 1886, dos jóvenes, Charles Martin Hall en nio se enfrió, lo tomó y fue corriendo a mostrár- los Estados Unidos y Paul Louis Toussaint selo a su maestro Jewett. Héroult en Francia, trabajando separadamente y sin conocer el uno el trabajo del otro, inven- Hall patentó su invento; pero, inicialmente, no taron un nuevo proceso electrolítico, llamado encontró quien financiase su producción indus- hoy "Proceso Hall-Héroult", que es la base de trial. Recién en 1888 se contactó con la toda la producción actual de aluminio. Pittsburgh Reduction Company (que, más tarde, se convertiría en la Aluminium Company of América y es hoy el primer producto mundial de aluminio), de la que fue su vicepresidente hasta su muerte. Algunas nociones de electroquímica de lado de la base que pesa 2,85 kg. En 1884 costó 225 dólares, cuando el salario de un ope- rario era de 1 dólar diario. La obtención del aluminio es uno de los pro- cesos más representativos de la industria elec- En 1885, Hamilton Y. Cassner mejoró el pro- troquímica. Por ello, en las páginas siguientes ceso de Sante-Claire Deville, logrando una se presentan algunas nociones de electroquí- producción anual de 15 toneladas. mica. El docente avezado en temas tales como la conducción por electrolitos, pilas químicas y20
  • 21. de concentración, pilas y electrodos reversi- Las leyes de la electrólisisbles, puede omitirlas y dirigirse, directamente,al título "Obtención de aluminio por el proce- de Faradayso Hall-Héroult". Hay sustancias, como la sacarosa, cuyas solu- ciones acuosas son tan malas conductoras de ELECTROQUÍMICA la electricidad como el agua pura. Tales sus- tancias reciben el nombre de no electrolitos. Las leyes de la electrólisis Otras sustancias, como el cloruro de sodio o el ácido acético, cuyas soluciones acuosas de Faraday conducen mejor la corriente eléctrica que el agua pura, se llaman electrolitos. También, Conductividad molar son electrolitos sustancias que al estado sóli- do no son conductoras de la corriente eléc- trica –como los óxidos básicos, las sales, los Electrolitos débiles. hidróxidos metálicos, etc.–, pero que se vuel- ven conductoras cuando, por fusión, son lle- La teoría de Arrhenius vadas al estado líquido. La circulación de una corriente eléctrica a tra- FEM y su medición vés de una solución de electrolito o de un elec- trolito fundido, suele provocar distintas trans- formaciones en ellos. En algunos casos, se Pilas químicas deposita sobre alguno o ambos electrodos del y de concentración generador de corriente eléctrica una sustancia simple que se encontraba formando parte del compuesto electrolítico. En otros casos, algún Pilas reversibles elemento presente en el electrolito se libera como sus- La comprensión de los Variaciones de energía libre tancia simple gase- procesos electroquími- en pilas reversibles osa. Hay casos en cos se inicia con los que el electrodo se trabajos de Michael Faraday, quien encon- Potenciales de electrodos disuelve. También tró la relación entre la reversibles hay casos en que circulación de corrien- se descompone el te en soluciones de solvente. sales, y las masas Fenómenos eléctricos depositadas o liberadas en las interfases. El conjunto de las en los electrodos. Doble capa eléctrica transformaciones químicas originadas por la circulación de una Electrólisis y polarización. corriente eléctrica a través de un electrolito Tensión de descomposición fundido o una solución de electrolito se llama electrólisis. 21
  • 22. En 1833, al estudiar los Posteriormente, Faraday hizo circular una fenómenos de electrólisis, corriente eléctrica a través de varias cubas Michael Faraday encontró conectadas en serie, conteniendo cada cuba una relación entre la canti- un electrolito distinto, y encontró que las dad de electricidad que masas de las distintas sustancias simples circula a través de la solu- que reaccionaban en los electrodos por el ción de electrolito y la paso de esa corriente eran proporcionales a masa de sustancia que sus respectivos pesos equivalentes quími- reacciona en los electrodos cos5. Es decir, si por el paso de una corrien- por efecto de la corriente. te de q coulomb en la cuba 1 reacciona una Michael Faraday Sean w , w , ... , w las masa w1 de sustancia simple cuyo equiva- 1 2 n (1791-1869) masas que se depositan, lente químico en el electrolito es Eq1, y en liberan, disuelven, etc., por la acción de las res- la cuba 2 reacciona una masa w2 de sustan- pectivas cargas q1, q2, ... , qn. cia simple cuyo equivalente químico en el Experimentalmente, Faraday encontró que: electrolito es Eq2, ... , y en la cuba n reac- ciona una masa de sustancia simple wn cuyo equivalente químico en el electrolito w1 w2 wn es Eqn se verifica: q1 = q2 = ... = qn = EEQ (1) w1 w2 w Ésta constituye la expresión matemática de la = = ... = n (2) Eq1 Eq2 Eqn llamada Primera Ley de Faraday, cuyo enun- ciado es: Ésta constituye la expresión matemática de la llamada Segunda Ley de Faraday cuyo enun- La masa de sustancia que sufre una transforma- ciado es: ción química por el paso de una corriente eléctrica a través de un electrolito es proporcional a la can- tidad de electricidad que ha circulado. Las cantidades de sustancias distintas que se depositan, disuelven o liberan por el paso de la misma cantidad de electricidad son proporcionales EEQ recibe el nombre de equivalente electro- a sus respectivos pesos equivalentes químicos. químico del elemento que se transforma en el electrodo. Resulta evidente que el equi- valente electroquímico de un elemento en En rigor, las dos leyes de Faraday se pueden un compuesto viene medido por la masa de compendiar en una sola. En efecto, si aplica- dicho elemento que se transforma (en el mos la primera ley sucesivamente a dos ele- electrodo) por la acción de la unidad de mentos distintos cuando son producidos por carga. dos cargas distintas q y q" tendremos: Si bien en el Sistema Internacional se lo wE1 = EEQ1 . q’ y wE2 = EEQ2 . q” expresa en kg C-1 usualmente se usa g C-1. 5 El peso equivalente químico, también llamado "equivalente químico", "masa de combinación" o "equivalente gramo" de un elemento en un compuesto es una magnitud que viene dada por la relación entre el átomogramo de dicho elemento y la valencia con la que actúa en el compuesto.22
  • 23. y, cuando en ambas electrólisis la cantidad de eléctrico, los cationes (iones con carga posi-electricidad es la misma q = q" = q, la segun- tiva) migran hacia el cátodo donde captanda ley nos autoriza a escribir: los electrones de la corriente eléctrica, mientras que los aniones (iones con carga wE1 = Eq1 . q y wE2 = Eq2 . q negativa) se descargan en el ánodo. Si el proceso catódico o anódico de un equiva- lente gramo requiere el paso de un faradayDe esto: de electricidad, es razonable suponer que esta cantidad de electricidad representa la carga que lleva un equivalente gramo de Eq1 Eq2 cualquier ión. Si el ión tiene valencia z, en = = constante (3) EEQ1 EEQ2 un mol de iones habrá z equivalente-gramo y, por lo tanto, su carga total será z cou- lomb. Como en un mol de iones hay elEl equivalente químico de un elemento en número de Avogadro (NA) iones, la cargaun compuesto es una constante caracterís- que transporta cada ión será z / NA.tica del elemento en ese compuesto. Elequivalente electroquímico de un elemen- La valencia z es un número entero: 1 para unto, también lo es. Por lo tanto, el cociente ión monovalente, 2 para un ión divalente, 3entre ambos es una constante que tiene el para un ión trivalente, etc. Esto implica quemismo valor, cualquiera sea el electrolito; la carga que transporta cualquier ión es unes decir, es una constante universal. Esa múltiplo de una unidad de carga eléctricaconstante universal, que se ha determinado fundamental cuyo valor es / NA. Mediantecon bastante precisión, recibe el nombre de un gran número de experimentos indepen-constante de Faraday y se indica con la letra dientes se logró identificar esta unidad de . Su valor es: carga eléctrica con el valor absoluto de la car- ga del electrón. = 96485,31 C / Eq (4) La determinación más precisa del número de Avogadro (en la escala de masas atómicas relativas que establece un valor 12,00000Las unidades surgen del hecho que el equi- para el 12C) arroja un valor:valente químico se expresa en gramos/equi-valente químico y el equivalente electroquí-mico se expresa en gramos/coulomb. NA = 6,022137 . 1023 mol-1 (5)Para los cálculos comunes, se suele aproxi-mar el valor de a 96500 C/Eq. En elec- Por lo tanto, el valor absoluto de la carga deltricidad, a 96500 coulomb se lo llama electrón es:"faraday". 96485,31/6,022137.1023 = 1.60217733.10-19 CAdemás de su valor práctico, las leyes deFaraday tienen un significado teórico degran importancia. Por acción del campo 23
  • 24. Conductividad molar Actividad 1.1. Electrolizando la sal de mesa sobre una servilleta Algunos electrolitos en soluciones acuosas de Le proponemos realizar con sus alumnos el la misma molaridad conducen la corriente eléctrica mejor que otros; esto sugiere que, al siguiente experimento que ejemplifica la disolverse, forman más partículas con carga ocurrencia de una reacción electroquímica eléctrica (iones) que otros, ya sea por diso- y que puede servir como experiencia intro- ciación iónica o por ionización. ductoria para desarrollar los conceptos Los procesos electroquímicos no sólo depen- vinculados con la electrólisis de la alúmina: den de la intensidad de corriente y de la con- • Coloquen, aproximadamente, media centración de electrolito disuelto sino que varían según la naturaleza del electrolito. Es cucharadita de sal de mesa (que contenga por ello que se los clasifica en electrolitos menos de 1 % de MgCO3) sobre una ser- fuertes y débiles. villeta de papel doblada por la mitad. • Doblen suavemente la servilleta tapando la • Aquellos electrolitos que en solución acuo- sa se consideran disociados o ionizados en sal y cuidando que ésta no se desparrame. su casi totalidad se llaman electrolitos fuer- • Mediante un gotero, humedezcan con tes. Son ejemplos de electrolitos fuertes las agua la zona del papel debajo de la cual sales inorgánicas, los hidróxidos metálicos se encuentra la sal. y algunos ácidos minerales como el sulfúri- co, nítrico o clorhídrico. • Viertan una gota de solución de fenolftaleí- • Otros electrolitos, como el amoníaco, los na sobre la zona humedecida que cubre a la ácidos orgánicos, que se consideran par- sal. Si se forma una mancha rosada, esto se cialmente ionizados se dicen electrolitos debe a que la sal contiene demasiado débiles. MgCO3. Utilicen, entonces, otra marca de La resistencia de un conductor eléctrico sal para la cual no se observen cambios de depende no sólo de su naturaleza sino tam- color por el agregado de fenolftaleína. bién de la temperatura, su longitud y su sec- • Mediante pinzas de cocodrilo, sujeten dos ción. A una temperatura dada, la resistencia eléctrica R de un conductor de longitud l y cables a los bornes de una batería de 9 V sección A se expresa como: y apoyen los otros terminales de estos cables sobre la zona húmeda de la servi- l lleta que cubre a la sal. R=ρ (6) A • Observen el cambio de coloración y plan- teen las ecuaciones que correspondan a los procesos que, presumiblemente, han Donde: ocurrido. • ρ se denomina resistividad del conductor.24
  • 25. El recíproco de la resistencia eléctrica es la Cualquiera sea elconductancia eléctrica (G), cuya unidad en el electrolito, su con- La conductividad molarSistema Internacional es el siemens (S ≡ Ω -1). ductividad molar suministra información disminuye a medi- acerca de la conducti-La inversa de la resistividad se llama conduc - da que la concen- vidad de los iones pre-tividad (antes conductividad específica) y se tración aumenta. sentes en una solución que contiene un mol desimboliza con la letra griega κ. Es decir: Este descenso res- electrolito; su depen- ponde a dos patro- dencia con la concen- nes bien diferen- tración es marcada- A ciados: para los G=κ (7) mente diferente según l electrolitos fuertes, el electrolito sea fuerte la conductividad o débil. molar desciendePara el caso particular en que el conductor muy poco a medida que la concentracióneléctrico sea una solución de electrolito, κ se aumenta; en cambio, para los electrolitosdenomina conductividad electrolítica. Su débiles, el descenso de la conductividadunidad en el Sistema SI es S . m-1. molar con el aumento de la concentración es marcado, especialmente en el rango de con-La conductividad electrolítica no es una centraciones bajas (0-0,5 M6).magnitud apropiada para comparar las con-ductividades de diferentes soluciones. Siuna solución de cierto electrolito estámucho más concentrada que otra, puedetener una conductividad electrolítica másalta –simplemente, por contener másiones–. Por ello, en 1883 FriedrichWilhelm Georg Kohlrausch propuso usaruna magnitud que hoy se denomina con -ductividad molar (anteriormente conductivi-dad equivalente) que se representa mediantela letra griega mayúscula Λ y que se obtie-ne dividiendo la conductividad electrolíticapor la concentración de electrolito. κ Λ= (8) cDonde: Conductividad molar en función de las concentraciones, para el cloruro de potasio• c es la concentración molar de electrolito. (electrolito fuerte) y para el ácido acético (electrolito débil)6 M es el símbolo de la concentración molar en moles/litro. Hay otras formas de expresar la concentración. 25
  • 26. Usualmente, se extrapolan los valores de ductos y la conductividad molar se aproxi- conductividad molar de un electrolito para ma a Λ0. concentración igual a cero. El valor así halla- • A medida que la concentración aumenta, el do se denomina conductividad molar a dilu- estado de equilibrio se desplaza hacia los ción infinita (Λ0). Sin embargo, para electro- reactantes y la conductividad molar dismi- litos débiles los valores de conductividad nuye a valores de Λ menores que Λ0. molar a dilución infinita calculados por extrapolación son poco confiables. El grado de disociación (es decir, la fracción de la concentración original de AB que se ha transformado en A+ y B-) viene medida por Λ/Λ0 y se representa mediante la letra griega α: Para explicar las diferencias observadas entre las conductividades de electrolitos fuer- tes y débiles, Svante Arrhenius supuso que Λ α = (9) los electrolitos débiles no están completa- Λ0 mente disociados en iones conductores de la electricidad. Cuando la concentración de electrolito es tan baja que su solución puede considerarse infi- nitamente diluida, puede presumirse que dicho electrolito está completamente disocia- do en sus iones y α tiende a 1. Electrolitos débiles. La teoría La teoría de Arrhenius explica por qué el de Arrhenius calor de neutralización por mol de agua pro- ducida es constante: los ácidos y bases fuer- Los datos de conductividades molares y el tes en solución acuosa pueden considerarse hecho de que, en la neutralización de áci- casi completamente disociados, por lo que la dos fuertes con bases fuertes, el calor de neutralización consiste, simplemente, en la neutralización por mol de agua formado es reacción de los iones H+ con los iones HO- prácticamente el mismo (aproximadamen- para formar agua. te, 54,7 kJ/mol de agua), condujeron a Svante Arrhenius a proponer una nueva teo- Jacobus Hendericus vant Hoff corroboró la ría sobre las soluciones electrolíticas. Según teoría de Arrhenius mediante mediciones de esta teoría, en las soluciones acuosas de elec- presión osmótica de soluciones de electroli- trolitos débiles existe equilibrio entre el elec- tos, las que son siempre mayores que las trolito sin disociar y los iones productos de soluciones de no electrolitos de las mismas su disociación. Así, para un electrolito AB en concentraciones y a las mismas temperatu- solución acuosa, se cumple: ras. Así, vant Hoff propuso la ecuación AB A+ + B- π = icRT (10) • A concentraciones muy bajas, el estado del equilibrio está desplazado hacia los pro-26
  • 27. para la relación entre la presión osmótica π, + -la concentración c y la temperatura T. El fac- Kc = [A ][B ] (12) [AB]tor i se llama factor de vant Hoff.Vant Hoff encontró que, para electrolitos fuer- Si se disuelven n moles de electrolito AB entes, el factor i es prácticamente igual al núme- un volumen V y la fracción disociada es α, laro de iones que se forman por disociación fracción no disociada será 1 - α. Alcanzado eltotal. Así, para el NaCl o el HCl, etc., i = 2; equilibrio, las concentraciones de las trespara el Ca(NO3)2, H2SO4, etc., i = 3; y, así, especies serán:sucesivamente. En cambio, un electrolito débilque en el caso de estar totalmente disociado [AB] = n (1 - α) / Vprodujera ν iones, al estar parcialmente diso- [A+] = nα / Vciado con un grado de disociación α, produci- [B-] = nα / Vría να iones por mol de electrolito originalmientras que en la solución quedaría una frac- Por consiguiente, la constante de equilibrioción 1 - α sin disociar. De modo que el núme- estará dada por:ro de partículas que se forman por unidad deelectrolito original es: (nα / V)2 nα2 Kc = = [n (1 - α)] / V V (1 - α) i = 1 - α + ναPor lo tanto: Siendo n/V = c, la concentración inicial de electrolito, la ecuación anterior puede escribirse: α = i - 1 (11) v-1 Kc = cα2 (13) 1-αEsta expresión permite calcular el grado dedisociación a partir de mediciones de presiónosmótica. Esta expresión permite calcular el grado de disociación de un electrolito en función de suEn 1888, Friedrich Wilhelm Ostwald concentración (a una temperatura dada).expresó de manera cuantitativa la concep-ción de Arrhenius. Si, en solución acuosa, Como α = Λ/Λ0, la ecuación anterior toma laun electrolito AB se disocia parcialmente en formaiones A+ y B-: Kc = c (Λ / Λ )0 (14) AB A+ + B- 0 2 1 - (Λ / Λ )una vez que se alcanza el equilibrio, y supo-niendo comportamiento ideal, la constantede equilibrio toma la forma: Siendo Λ0 y Kc constantes para un electrolito dado, esta ecuación permitiría encontrar la 27
  • 28. conductividad de una solución de un elec- Estos valores no pueden obtenerse solamen- trolito de concentración conocida; de hecho, te a partir de los valores de Λ0 sino que se los resultados experimentales muestran que calculan a partir de las velocidades con que esta relación entre c y Λ es satisfactoria para se desplazan los iones bajo condiciones electrolitos débiles. En cambio, para electro- estandarizadas. litos fuertes se observan desviaciones impor- tantes respecto de los valores calculados a Si bien los cationes y aniones se neutralizan partir de esta ecuación. en cantidades equivalentes en ambos electro- dos, estos iones no se mueven con la misma En 1923, Petrus Debye y Erich Hückel pro- velocidad bajo la acción de la FEM –fuerza pusieron una ecuación teórica7 que es aplica- electromotriz– aplicada. Esto se debe a que, ble para soluciones diluidas de electrolitos en muchos casos, la carga que transporta tanto débiles como fuertes: cada ión es diferente a la que transporta el ión de carga opuesta o –como en el caso de ciertas sales fundidas– la corriente es trans- Λ = Λ0 - (P + QΛ0) c P (15) portada por un solo tipo de iones. Consideremos el caso en que el electrolito está disuelto en agua y la carga de los catio- Donde: nes es diferente a los aniones –supongamos que la relación de cargas es 1 a 3–. Dado • P y Q pueden expresarse en términos de que se deben cumplir las leyes de Faraday, diversas constantes y propiedades de la los cationes se deben mover más rápido por solución. acción del campo eléctrico ya que por cada anión que se descarga en el ánodo se deben En 1875, Kohlrausch efectuó un número cargar 3 cationes en el cátodo, de manera considerable de determinaciones de conduc- de mantener una circulación uniforme de tividades molares a dilución infinita, encon- corriente. A partir de este caso –y de cual- trando que cada uno de los iones que produ- quier otro que se considere–, encontramos ce un electrolito efectúa su propia contribu- que el número total de iones descargados o ción al valor de Λ0, sin importar la naturale- cargados en cada electrodo en un intervalo za del otro ión con el cual está asociado. Esto de tiempo, depende de la velocidad que puede expresarse: tenga cada especie iónica. O, en forma más general: Λ = λ 0 + λ0 + - Donde: El número de equivalentes electroquímicos que reaccionan en cada electrodo por la circulación de • λ0 y λ0 son, respectivamente, las conducti- + - la corriente eléctrica en la unidad de tiempo es vidades iónicas a dilución infinita del proporcional a la velocidad de la especie iónica que interactúa con cada electrodo. catión y del anión. 7 Si desea consultar la Teoría de Debye-Hückel sobre la conductividad de soluciones de electrolitos, puede recurrir a: - Laidler, K. J.; Meiser, J. H. (1997) Fisicoquímica. CECSA. México. - Castellan, G. W. (1987) Fisicoquímica. Addison-Wesley Iberoamericana. México.28
  • 29. Si llamamos n- al número de equivalentes transporte y se los representa mediante loselectroquímicos del anión que interactúa en símbolos t- y t+. Por lo tanto, el número deel ánodo y n+ al número de equivalentes elec- transporte del anión será:troquímicos del catión que interactúa en elcátodo: u- t- = (19) u- + u+ n- = k u- (16) yy u+ t+ = (20) u- + u+ n+ = k u+ (17) de modo que:Donde: t- + t+ = 1• u- es la velocidad del anión. Se han desarrollado varios métodos para• u+ es la velocidad del catión. determinar el número de transporte. Uno de ellos fue ideado en 1853 por JohannPor lo tanto, el número total de equivalente Wilhelm Hittorf y consiste en medir los cam-electroquímicos ntotal será: bios de concentración en las proximidades de los electrodos. Otro, llamado método de la frontera móvil, analiza con qué velocidad se ntotal = k (u- + u+) (18) desplaza el límite entre dos soluciones por acción de una corriente eléctrica. Como la velocidad de un ión es proporcional a su conductividad iónica, en el caso de unaDe las expresiones anteriores se deduce que la dilución infinita, las ecuaciones (19) y (20)fracción de carga eléctrica que transportan los pueden escribirse:aniones en la unidad de tiempo será n- / ntotaly la fracción de carga eléctrica que transportanlos cationes en el t+ = λ0 + y t- = λ0 - (21)mismo intervalo Λ0 Λ0será n+ / ntotal. Se llama número deCada fracción de transporte a la frac-corriente total que ción de corriente eléc- Una vez que se establece alguno de los valo-transporta cada trica que transporta res de λ0 o λ0, se puede calcular todo el con- + -especie iónica se cada especie iónica en junto a partir de los valores disponibles dellama número de solución. Λ0. Por otra parte, a partir de los datos tabu- 29
  • 30. lados de conductividades iónicas a dilución te manera: las fases o soluciones de diferen- infinita, se pueden obtener los valores de Λ0 tes composiciones concentraciones en con- para electrolitos débiles, valores que cuando tacto se separan mediante líneas verticales. se extrapolan a partir de mediciones de con- Deben indicarse las concentraciones de las centraciones finitas no son muy confiables. soluciones, pues éstas afectan la FEM En nuestro caso, la pila de Weston se representa: 12,5 % Cd en Hg | 3 CdSO 4 . 8 H2O (s) | | Los cálculos termodinámicos establecen que, CdSO4 (sol. sat) | Hg2SO4 (s) | Hg en las condiciones de temperatura y concen- tración en que se produce industrialmente la electrólisis de la alúmina, si el proceso fuese reversible, se requeriría una diferencia de potencial de 1,222 V. Sin embargo, en los procesos más modernos de obtención del aluminio por electrólisis se requie- ren diferencias de potencial de 4,1-4,3 volt. En las secciones siguientes hacemos una rese- ña de los factores que inciden en esa diferencia. FEM y su medición Esquema de la pila Weston; las conexio- En las mediciones de FEM suele utilizarse nes a la amalgama de cadmio y al electro- do de mercurio son de platino. Su FEM es una pila de referencia llamada pila patrón. La de 1,018636 volt absolutos a 0 ºC y varía pila patrón que se utiliza con mayor frecuen- unos 4. 10-8 por cada grado de aumento cia es una variante de la pila de Weston cuyas de temperatura principales ventajas son que su FEM perma- nece constante durante mucho tiempo y que su coeficiente térmico es muy bajo. El electrodo "negativo" de una pila de Pilas químicas y de concen- Weston consiste en una solución saturada de sulfato de cadmio 3 CdSO4 . 8 H2O que con- tración tiene un 12,5 % de amalgama de cadmio; el electrodo "positivo" es mercurio, cubierto Cuando una pila galvánica funciona, genera con sulfato mercurioso sólido (Hg2SO4) en la energía. En muchos casos, la energía provie- misma solución. ne de transformaciones químicas que se pro- ducen en los electrodos. Las pilas que sumi- Convencionalmente, las características de nistran energía debido a transformaciones una pila galvánica se expresan de la siguien- químicas en sus electrodos se llaman pilas30
  • 31. químicas. En otros casos, la energía suminis- Entre las pilas reversibles se encuentra la pilatrada se debe a una variación en la concen- de Daniell. Ésta consiste en un electrodo detración de una solución; estas pilas se llaman cinc sumergido en una solución acuosa de sul-pilas de concentración. fato de cinc y un electrodo de cobre sumergi- do en una solución acuosa de sulfato de cobre. Ambas soluciones están vinculadas por un puente salino que permite el pasaje dePilas reversibles corriente pero no de los iones Zn2+ o Cu2+. Las conexiones a los electrodos son de platino.Si el proceso que ocurre en una pila es rever-sible, la energía involucrada puede interpre- Los contactos en la pila de Daniell se repre-tarse en función de sus propiedades termodi- sentan:námicas. Las pilas en las cuales el proceso degeneración de energía es reversible se llaman Pt | Zn | ZnSO4 (sol) | | CuSO4 (sol) | Cu | Ptpilas reversibles. La doble barra vertical representa el puentePara que una pila reversible tenga ese carác- salino.ter, se requiere que al ser conectada a unafuente externa de la misma FEM no experi- Si se cierra el circuito por una FEM apenasmente cambio físico o químico alguno: menor que la de la pila, la reacción química que se produce en ella es:• Al disminuir la FEM externa en un infinité- simo, debe producirse en la pila un cambio Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu proporcional a la carga que circuló.• Al aumentar la FEM en un infinitésimo, Es decir, el cinc del electrodo de cinc se disuel- debe producirse el cambio inverso. ve para formar iones Zn2+, mientras que los iones Cu2+ se descargan y depositan en forma de Cu metálico sobre el otro electrodo. Esquema de la pila Daniell Si, en cambio, se cierra el circuito por una FEM ligeramente mayor que la de la pila, se produce el proceso inverso: El electrodo de cobre se disuelve mientras que se deposita cinc metálico en el electrodo de cinc. Cu + Zn2+ Cu2+ + Zn Los electrodos de una pila reversible son electrodos reversibles. Se conocen tres tipos de electrodos reversibles: a. Metal o no metal en contacto una solución de sus propios iones. Por ejemplo, cinc en solución de sulfato de cinc, cobre en solución 31
  • 32. de sulfato de cobre, cloro en solución de clo- ruro de sodio, etc. Estado reducido Estado oxidado + ν e- Estos electrodos se representan por: Como una pila reversible está formada por dos electrodos reversibles, sólo se establecerá M | Mν+ (si es un metal) una circulación de corriente si a través del o circuito externo se produce una oxidación en Pt | Aν- | A (si es un no metal)8 un electrodo y una reducción en el otro. b. Metal y una sal poco soluble de su catión Es común el uso de la siguiente convención: en contacto con una sal soluble del mismo anión. Por ejemplo: La FEM de una pila es positiva cuando la oxidación se produce en el electrodo que se representa a la Ag | AgCl (s) | HCl (sol) izquierda de su esquema y negativo cuando la oxi- dación se produce en el electrodo que se repre- c. Metal inatacable sumergido en una solu- senta a la derecha de su esquema. ción que contiene tanto la forma oxidada como la forma reducida de un sistema redox. Por ejemplo Así, por ejemplo, la pila de Daniell: Pt | Sn2+ | Sn4+ Pt | Zn | ZnSO4 (sol 1 M) | | CuSO4 (sol 1M) | Au | Fe2+ | Fe3+ | Cu | Pt Pt | Fe(CN)64- | Fe (CN)63- tiene una FEM de 1,10 volt y, por la conven- ción anterior, su signo es positivo. Esto signi- El metal inatacable actúa como conductor, fica que cuando la pila funciona, se produce para hacer contacto con la solución. Los esta- una oxidación en el electrodo de la izquierda: dos oxidados y reducidos pueden, inclusive, no ser iónicos; por ejemplo, el electrodo de Zn Zn2+ + 2 e- quinona | hidroquinona. y una reducción en el electrodo de la derecha: Los electrodos de esta clase se suelen llamar electrodos de óxido-reducción. La reacción que Cu2+ + 2e Cu en ellos ocurre depende del sentido de la corriente. Los electrones liberados en el proceso de oxi- dación se desplazan a través del circuito Debemos remarcar que: externo de conexión y son los que se utilizan para la reducción de los cationes Cu2+. De • Dos electrodos reversibles de cualquier modo que el proceso completo es: clase constituyen una pila reversible. • En todo electrodo reversible se incluye un Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu estado oxidado y un estado reducido en su sentido más amplio. 8 Dado que los no metales, excepto el grafito, no son conductores de la electricidad, se usa un metal inerte como complemento del electrodo –generalmente, platino–.32
  • 33. Actividad 1.2. Reloj que funciona Las acciones son: con jugo de naranja • En un recipiente de boca ancha, coloquen Le recomendamos desarrollar esta experien- jugo de naranja hasta la mitad. cia con sus alumnos. Ésta va a permitirle • En el jugo de naranja, sumerjan una chapita ejemplificar una pila cuya diferencia de poten- de cobre y una cintita de magnesio (previa- cial es positiva y plantear que sólo en estos mente pulida con lana de acero); cada uno casos la generación de corriente es espontá- de estos metales va a estar sujeto a un nea mientras que en la electrólisis –como en cable de cobre. el caso de la alúmina se requiere el suminis- • Conecten los extremos libres de los cables a tro de corriente eléctrica desde el exterior–. los bornes de un reloj, al que se le ha retira- do la pila de 1,5 V. • Observen el funcionamiento del reloj. • Observen qué ocurre en los electrodos. • Repitan el experimento empleando agua destilada en lugar de jugo de naranja. • Escriban las ecuaciones correspondientes a los procesos que ocurren en cada electrodo • Si el sistema funcionase reversiblemente, ¿cuál sería la diferencia de potencial mínima para producir la electrólisis?.Variaciones de energía libre je de n faraday –es decir, n coulomb–, el trabajo eléctrico es n E; y, por lo tanto, laen pilas reversibles variación de energía libre que acompaña al proceso:Cuando una pila reversible opera isotérmica eisobáricamente, el trabajo eléctrico –que es tra-bajo útil–, mide la variación de la energía libre ∆G = - n E (22)del sistema (cambiada de signo). A su vez, eltrabajo eléctrico viene dado por el producto laFEM por la carga eléctrica que circula. Para que la reacción ocurra sin consumirSi la FEM de una pila es E volt y la transfor- trabajo del medio exterior, la variación demación que se produce corresponde al pasa- energía libre tiene que ser negativa. 33
  • 34. Observando la ecuación (22) se nota que la pila cuando todas las sustancias actuan- para que ello ocurra, la FEM de la pila debe tes están en sus estados estándar. ser positiva. En ese estado estándar, la FEM de la pila es La variación de energía libre que acompaña a E0 y el trabajo útil es n E0. Por lo tanto: una reacción depende de las concentraciones –en rigor, de las actividades– de las sustan- cias actuantes. Por lo tanto, la FEM de una -n E=-n E0 + RT ln Ja (25) pila reversible también varía con las concen- traciones de las sustancias actuantes. Si en la pila se produce una reacción general de donde del tipo; a A + b B + ... l L + m M + ... RT E = E0 - ln Ja (26) n la variación de energía libre, a presión y tem- peratura constante, que le acompaña viene dada por: Esta expresión relaciona la FEM de una pila con las actividades de las sustancias actuan- tes. E0 es una constante para la reacción alL x am x ... dada, variando sólo con la temperatura a 1 ∆GP,T = ∆G0 + RTln M (23) aA x aB x ... a b bar de presión. Donde: Potenciales de electrodos • aA, aB, ... , aL, aM, ... , son las actividades de A, B, ..., L, M, ... , tal como se presentan en reversibles la pila reversible. Hasta ahora no se ha podido diseñar un Si el cociente entre las actividades se repre- experimento que permita determinar el senta mediante Ja el cociente entre las activi- potencial de un solo electrodo; sólo se pue- dades, la (23) se puede escribir: den determinar diferencias de potenciales. Sin embargo, adjudicándole arbitrariamente un valor cero a un electrodo en determinadas ∆GP,T = ∆G0 + RTln Ja condiciones, queda asignado un valor a cada (24) electrodo individual. Por convención: Donde: Se asigna arbitrariamente potencial de electrodo cero al potencial de un electrodo reversible del gas • ∆G0 es la variación de la energía libre que hidrógeno con el gas a 1 bar en equilibrio con una acompaña a la reacción que se produce en solución de iones hidrógeno de actividad unitaria.34
  • 35. Ese electrodo se representa: y la FEM de la pila será Pt | H2 (1 bar) | H+ (a = 1) RT aestadooxidado x a 1/2ν H2 E= E0 - ln (30)Y se llama electrodo normal de hidrógeno. Se n aestadoreducido x a ν + Hdice que los potenciales de los demás elec-trodos que se determinan por interaccióncon él, están dados en la escala del hidróge- Como, por la definición del electrodo normalno. Para establecer el potencial de un electro- de hidrógeno, tanto la actividad del gasdo cualquiera, por ejemplo M | Mν+ (sol), se hidrógeno como la de los iones hidrógeno eslo combina con un electrodo normal de unitaria, (30) toma la forma:hidrógeno para formar la pila: RT aestadooxidado E = E0 - ln (31)M | Mν+ . sol | H+ (a=1) | H2 (1 atm) | Pt (27) n aestadoreducido E 0 Donde:La FEM de esta pila, o sea E, es igual alpotencial del electrodo M | Mν+ . sol) en la • E recibe el nombre de potencial de oxidaciónescala del hidrógeno. del electrodo en cuestión. • E0 es el correspondiente potencial de oxida-Hemos dicho que el electrodo que se escribe ción normal, esto es, el potencial del elec-a la izquierda representa al proceso de oxida- trodo cuando todas las sustancias actuantesción; es decir están en sus estados normales de actividad unitaria.Estado reducido Estado oxidado + νe- (28) La palabra "oxidación" se emplea porque des- cribe el proceso que ocurre en ese electrodo. De manera similar a la deducida para elEn este caso, el hidrógeno se reduce según la potencial de oxidación, se puede deducir unaecuación: expresión para el potencial de reducción. Si la FEM de una pila constituida combi- n H+ + ne- ½ n H2 (g) (29) nando un electrodo dado con uno normal de hidrógeno es positiva, entonces la reac- ción en el interior de la pila ocurre espontá- neamente. Pero puede ocurrir que la FEMLa reacción completa por el pasaje de ν fara- sea negativa; en ese caso, la reacción queday será la suma de (28) y (29): ocurre espontáneamente es la inversa y el hidrógeno gaseoso es el que se oxida dando Estado reducido + ν H+ iones H+. Estado oxidado + ½ ν H2 (g) 35
  • 36. POTENCIALES NORMALES DE OXIDACIÓN A 25 °C EN LA ESCALA DEL HIDRÓGENO Electrodo Reacción E0 (volt) Li | Li+ Li → Li+ + e- + 3,00 K | K+ K → K+ + e- + 2,925 Rb | Rb+ Rb → Rb+ + e- + 2,93 Cs | Cs+ Cs → Cs+ + e- + 2,92 Ba | Ba2+ Ba → Ba2+ + 2e- + 2,91 Sr | Sr2+ Sr → Sr2+ + 2e- + 2,89 Ca | Ca2+ Ca → Ca2+ + 2e- + 2,87 Na | Na+ Na → Na+ + e- + 2,714 La | La3+ La → La3+ + 3e- + 2,52 Ce | Ce3+ Ce → Ce3+ + 3e- + 2,48 Mg | Mg2+ Mg → Mg2+ + 2e- + 2,36 Pt | H- | H2 2H- → H2 + 2e- + 2,25 Sc | Sc3+ Sc → Sc3+ + 3e- +2,09 U | U3+ U → U3+ + 3e- +1,79 Al | Al3+ Al → Al3+ + 3e- + 1,66 Ti | Ti2+ Ti → Ti2+ + 2e- + 1,63 Mn | Mn2+ Mn → Mn2+ + 2e- + 1,18 H2 | H2O H2 +2 HO- → 2H2O + 2e- + 0,83 Zn | Zn2+ Zn → Zn2+ + 2e- +0,77 Fe | Fe2+ Fe → Fe2+ + 2e- +0,440 Ni | Ni2+ Ni → Ni2+ + 2e- +0,250 Sn | Sn2+ Sn → Sn2+ + 2e- +0,136 Pb | Pb2+ Pb → Pb2+ + 2e- +0,126 Pt | H2 | 2H+ H2 → 2H+ + 2e- 0,000 Sn2+ | Sn4+ Sn2+ → Sn4+ + 2e- -0,150 Cu | Cu2+ Cu → Cu2+ + 2e -0,337 MnO2 | MnO42- MnO2 +4 HO- → MnO42- + 2 H2O + 2e- - 0,60036
  • 37. Fe2 | Fe3+ Fe2+ → Fe3+ + e- -0,771 Ag | Ag+ Ag → Ag+ + e- - 0,799 Pt | Hg22+ | Hg2+ Hg22+ → 2Hg2++ 2e- -0,789 NO | NO3- No + 3 H2O → NO3- + 4 H++ 3e- -0,960 Pt | Br- | ½Br2 Br- → ½ Br2 + e- -1,0052 Pt | Cl- | ½Cl2 Cl- → ½ Cl2 + e- -1,3595 Pt | Br2 | HBrO Br2 + 2 H2O → 2 HBrO + 2H++ 2e- -1,600 H2O | H2O2 2 H2O → 2 H2O2 + 2 H+ + 2e- -1,78 Pt | F- | ½F2 F- → ½ F2 + e- -2,87Los respectivos potenciales de reducción se la FEM de cualquier pila que se forme conobtienen, simplemente, cambiando el signo esos electrodos. Recordemos que la piladel potencial de oxidación. De esta manera, funcionará espontáneamente si su FEM esteniendo tabulados los potenciales de oxi- mayor que cero.dación de los electrodos, puede calcularse Actividad 1. 3. Una pila cítrica - Estimen la resistencia interna de la pila cítrica. Proponga a sus alumnos que: Sabiendo que para: • Inserten un clavo de hierro y un alambre de Al2O3 2 Al + 1,5 O2 → E = - 2,248 V cobre (desnudo) en dos lugares diferentes de un limón. Y para: • Mediante un voltímetro, midan la diferencia de potencial entre los dos metales. C + O2 CO2 E = +1,026 V • Escriban las ecuaciones correspondientes a las hemirreacciones de oxidación y reducción. Indiquen si un sistema formado por estos dos • Comparen los valores de la diferencia de electrodos funcionará espontáneamente. ¿Cuál potencial medidos con los que obtendría a sería la FEM mínima a aplicar para que se partir de la serie electromotriz. deposite aluminio en el cátodo? 37
  • 38. de corriente estacionario, se forma una inter- Para que un proceso electrolítico funcione fase en las proximidades de los electrodos reversiblemente, debe efectuarse a una veloci- que es considerada responsable de ciertos dad tan lenta que, en cada instante, las dife- fenómenos eléctricos. rencias entre las condiciones reales en que se encuentran los electrodos y las condiciones de equilibrio deben ser infinitesimales. De hecho, Consideremos, por ejemplo, al electrodo esto implica que no hay acumulación de partí- Cd | Cd2+. La transferencia de cargas de una culas cargadas sobre los electrodos o en sus fase a la otra puede ocurrir mediante la reac- proximidades. En los procesos reales –como ción de disolución del metal: en el caso de la electrólisis de la alúmina– esto no ocurre así. La migración de los iones provo- Cd → Cd2+ + 2 e- ca una acumulación de especies cargadas en las proximidades de cada electrodo. Cuando, O mediante la reacción de deposición: por ejemplo, los cationes se acercan al cátodo, se encuentran con una alta concentración de cationes que han llegado anteriormente, lo que Cd2+ + 2 e- → Cd provoca su repulsión electrostática. Por consi- guiente, se requiere un sobrevoltaje para que La electrización de la interfase puede ocu- la electrólisis continúe. rrir, también, debido a la disociación de los componentes de la solución con la conse- En las secciones siguientes hacemos una cuente adsorción de los iones sobre la breve reseña de las distintas teorías que tratan superficie metálica. Debido a la interacción de explicar los fenómenos que ocurren al nivel electrostática, habrá cargas de signo opues- de los electrodos, lo que permitirá entender to en las proximidades de la superficie. por qué en el proceso de electrólisis de la alú- mina se requiere trabajar con 4,1-4,3 V, cuando Estas cargas de signo opuesto pueden loca- la diferencia de potencial para el mismo proce- lizarse sobre la fase metálica en forma de so pero reversible, es de apenas 1,222 V. exceso o defecto de electrones, o en la solu- ción en forma de iones. El conjunto de car- gas presentes en la interfase se llama doble capa eléctrica. La presencia de la doble capa eléctrica provoca la existencia de un campo eléctrico en la interfase y, por lo tanto, una Fenómenos eléctricos en diferencia de potencial eléctrico entre ambas fases. Esa diferencia de potencial se las interfases. Doble capa opone al proceso que le dio origen (por ejemplo, la disolución del metal), alcanzán- eléctrica dose así un estado estacionario. Cuando se establece un campo eléctrico en Se han propuesto varias distribuciones de una solución de electrolito, se producen cargas que corresponden a diferentes valores variaciones de concentración debido tanto a de potencial. Una de ellas fue sugerida por la migración de los iones como a que los H. von Helmholtz en 1879. Según este electrodos están cediendo o captando elec- modelo, una de las capas de carga está pre- trones, modificando dicho campo. Como sente sobre la superficie del metal, y corres- consecuencia, cuando se alcanza un régimen ponde a un exceso o defecto de electrones; la38
  • 39. otra, presente en la solución de electrolito cias cuyo resultado sería una capa difusa deadyacente al metal, está formada por iones de iones en la fase líquida. En las proximidadesigual carga pero de signo opuesto. del metal prevalecería la fuerza electrostáti- ca, la que disminuiría con la distancia. De esta manera, habría una alta concentración de iones con carga opuesta en las proximi- dades de la superficie metálica, la que iría disminuyendo a medida que la distancia a esa superficie aumenta hasta que, a partir de cierta distancia, la solución se hace perfec- tamente homogénea. Esta capa difusa de iones tiene cierta similitud con la atmósfera iónica de la teoría de Debye-Hückel, con la diferencia que presenta una distribución plana y no esférica. Modelo de Helmholtz de la doble capa eléctricaDe acuerdo con el modelo de Helmholtz, ladoble capa eléctrica debería comportarsecomo un capacitor plano de caras paralelas;la capacidad de un capacitor de este tipo nodebería variar con el potencial. Pero, deter-minaciones experimentales demostraron quela capacidad de la doble capa eléctrica no esconstante sino que depende del potencial. Modelo de Guoy y Chapman de la doblePor ese motivo, el modelo en cuestión fue capa eléctrica; por comodidad, se omitenposteriormente modificado. los anionesGuoy y Chapman en 1909, trabajando inde- Guoy y Chapman consideraron a los ionespendientemente, dedujeron que los iones como cargas puntuales y que la concentra-no pueden permanecer en posiciones fijas ción de los iones de la capa difusa sigue unaya que, si bien el campo eléctrico tiende a distribución de Boltzmann. Utilizando consi-orientarlos en una posición determinada, la deraciones electrostáticas que aquí no deta-agitación térmica tiende a distribuirlos uni- llamos9, encontraron una expresión para laformemente a través de toda la solución. densidad de carga de la capa difusa que estáPor lo tanto, debería alcanzarse una solu- más de acuerdo con los resultados experi-ción de compromiso entre estas dos tenden- mentales.9 Un desarrollo detallado de esta teoría puede verse en: - Delahay, P. (1966) Double Layer and electronic Kinetics. Interscience. Nueva York. 39
  • 40. el modelo de Helmholtz, y el de Guoy y Chapman. El plano de mayor aproximación se llama plano de Helmholtz externo. Formalmente, este modelo es equivalente a dos capacitores conectados en serie siendo su capacidad la equivalente a las que se obtienen por los mode- los de Helmholtz, y de Guoy y Chapman: 1 1 1 = + (32) C CH CGC El resultado es una caída gradual de poten- cial en la masa del líquido, donde la distri- bución de la carga es estacionaria. Modelo de Stern de la doble capa eléctrica; por comodidad se omiten los aniones La caída de potencial puede verificarse de Otto Stern en 1924, abandonó la aproxima- dos formas –que dependen de las caracterís- ción de cargas puntuales de Guoy y Chapman ticas de las partículas disueltas que forman la y consideró que, debido al tamaño de los porción exterior de la capa–. iones, éstos no llegan nunca a la superficie sóli- da sino que permanecen a una cierta distancia de ella. Esa distancia caracteriza a un plano lla- mado plano de mayor aproximación. El modelo de Stern divide a la doble capa eléctrica en dos partes: (a) una doble capa compacta compren- dida entre la superficie sólida y el plano de mayor aproximación, en el cual los iones se encuentran en posiciones fijas y (b) una doble capa difusa que se extiende desde el plano en cuestión hasta el interior de la solución, dentro de la cual los iones se distribuyen de acuerdo con la teoría de Guoy y Chapman, extendién- Curvas de caída de potencial, según el mode- dose alguna distancia en el interior de la fase lo de Stern de la doble capa eléctrica. Tanto líquida –que, en esta región es difusa, debido a en el caso I como en el caso II, AC es la caída que la agitación térmica permite un movimien- definida de potencial en la parte fija y CB es to más libre de las partículas–. Sin embargo la la variación gradual en la parte difusa de la distribución de iones positivos y negativos no doble capa. El potencial entre C y B se deno- es uniforme, debido a que el campo electrostá- mina potencial electrocinético o zeta (ζ). tico en la superficie provocará una atracción preferente por los iones de signo opuesto. El modelo de Stern fue modificado por Grahame, quien introdujo un segundo plano El modelo de Stern es, así, una asociación entre de mayor aproximación. Más cercano a la40
  • 41. superficie, se encuentra un plano formado por les de electrodos y aplicando la ecuación delos aniones adsorbidos químicamente por el Nernst. Sin embargo, cuando se produce unmetal, llamado plano interno de Helmholtz. Algo proceso electrolítico, la fuerza electromotrizmás alejado está el plano exterior de Helmholtz requerida para provocar una electrólisis conti-–formado por los cationes hidratados y a par- nua difiere de la que correspondería a una pilatir de ese plano– comienza la capa difusa. reversible. El funcionamiento reversible de una pila se consigue compensando su FEM con una FEM externa, hasta lograr que tan sólo un flujo de corriente imperceptible atra- viese la pila, de manera que las reacciones en su interior se efectúen con extrema lentitud. Resulta obvio que, en la casi totalidad de las aplicaciones de la electroquímica, se verifican velocidades de reacción mucho mayores. En estos casos, cuando el dispositivo funciona como pila generadora de corriente o si está sufriendo una electrólisis debido a una fuente externa, opera en forma termodinámicamente irreversible. En consecuencia, la diferencia de potencial entre los bornes de una pila irrever- sible será menor que la correspondiente a su Representación esquemática de la estructura funcionamiento reversible y para una electró- de la doble capa según Grahame; se ha omi- lisis irreversible, el voltaje requerido será tido la representación de las moléculas de mayor que la diferencia entre sus potenciales solvente, aunque éstos juegan un rol impor- de electrodo reversibles. tante en el fenómeno. En general, los cationes son bastante más pequeños que los Se llama voltaje de descomposición de un elec- aniones y debido a la estructura polar del trolito a la FEM externa mínima que debe agua se encuentran solvatados en la solución aplicarse entre los dos electrodos, para pro- acuosa. No ocurre lo mismo con los aniones; ducir una descomposición electrolítica conti- son muy pocos los que se hidratan. Las moléculas de agua que rodean a los cationes nua. La diferencia entre el voltaje de descom- impiden el acercamiento con los aniones y posición observado y el que es de esperar amortiguan la repulsión de cationes entre sí. para una pila reversible se llama voltaje de polarización. Esta diferencia entre el voltaje de descomposición y el correspondiente a la pila reversible se debe a la doble capa eléctri- ca que, al obstaculizar la migración de losElectrólisis y polarización. iones, requiere una diferencia de potencial mayor para que las especies lleguen, y se car-Tensión de descomposición guen o descarguen los electrodos.Cuando se tiene una pila reversible, la dife- Experimentalmente, se observa que antes derencia de potencial entre los electrodos puede que se alcance el voltaje de descomposición, elcalcularse a partir de los respectivos potencia- aumento del voltaje produce una leve circula- 41
  • 42. ción de corriente. La intensidad de corriente mada polarización por concentración y la lla- que se registra antes de alcanzar el voltaje de mada sobretensión. La polarización por con- descomposición se denomina corriente de difu- centración se debe a los gradientes de con- sión y proviene de la lenta difusión de los iones centración en el seno de la solución electrolí- en la llamada zona difusa existente en las pro- tica por acción de la diferencia de potencial ximidades de cada electrodo. entre los electrodos. La sobretensión se debe al retraso en tránsito de los electrones desde Entre los factores que contribuyen a un los electrodos hacia los iones o viceversa. La aumento en el voltaje requerido para se pro- sobretensión depende de la densidad de duzca la electrólisis se suelen distinguir la lla- corriente. Actividad 1.4. Determinación del Para medir el voltaje, conecten los electro- voltaje de descomposición de un dos a un dispositivo como el que ilustramos. electrolito • Mediante la resistencia variable, aumenten El voltaje de descomposición de un electrolito gradualmente la diferencia de potencial y es la FEM externa mínima que debe aplicarse registren la intensidad de corriente en fun- entre los dos electrodos para producir una ción de la diferencia de potencial entre los descomposición electrolítica continua. electrodos. La intensidad de corriente es extremadamente baja, hasta que se alcanza Le recomendamos desarrollar esta experien- un cierto voltaje definido. Para ese valor, se cia, que va a permitirles a sus alumnos enten- observa el desprendimiento de burbujas der por qué el voltaje requerido para la elec- gaseosas que evidencian una reacción elec- trólisis de la alúmina es mucho mayor que el trolítica. La intensidad de corriente aumenta que bastaría si el proceso fuese reversible. sensiblemente a medida que la diferencia de potencial aumenta. • Preparen una solución 0,5 N de HCl. • Si representan gráficamente los valores de • Introdúzcanla en una cuba de electrólisis. intensidad de corriente en función del volta- je, obtendrán una curva:42
  • 43. El voltaje de polarización es tanto mayor a los mismos procesos pero realizados encuanto mayor es la densidad de corriente. En forma reversible, hemos planteado una des-1908, J. Tafel propuso una ecuación que, de cripción somera de las distintas teorías sobremanera aproximada, vincula la sobretensión la interfase a nivel de los electrodos, a la vezen un electrodo (w) con la densidad de que hemos definido los voltajes de polariza-corriente (I) ción y de descomposición. w = a + b log I Con estos conceptos estamos en condicio- nes de desarrollar, en las secciones siguien-Los valores de a y b son constantes para un tes, el proceso industrial de electrólisis de laelectrodo dado en condiciones establecidas. alúmina. De la página web: Obtención de aluminio por el http://chemmovies.unl.edu/chem_source_pdf/ electrochem.pdf proceso Hall-Héroult Pueden bajarse trabajos de laboratorio de electroquímica. Las plantas de producción de aluminio pri- mario están localizadas por todo el mundo; por lo general, en áreas donde hay abundan-En el título "Algunas nociones de electroquí- tes recursos de energía eléctrica barata.mica" hemos desarrollado brevemente losconceptos necesarios para el mejor entendi-miento del proceso Hall-Héroult. Así, hemos Se requieren dos a tres toneladas de bauxitamencionado las leyes de Faraday –que consti- para producir una tonelada de alúmina.tuyen la base de la electroquímica moderna–,la diferencia de comportamiento de electroli- Se necesitan, aproximadamente, dos tonela-tos fuertes y débiles, la teoría de Arrhenius das de alúmina para producir una tonelada depara electrolitos débiles y la corroboración aluminio.empírica hecha por vant Hoff, y las ecuacio-nes de Ostwald y Debye; y hemos presentadola ley de Kohlrausch de la independencia de El proceso industrial Hall-Héroult de obten-las conductividades iónicas a dilución infini- ción de aluminio, consiste en electrolizar alú-ta; todos éstos, conceptos necesarios para mina (óxido de aluminio) disuelta en unaentender el comportamiento de las soluciones mezcla de sales fundidas o baño electrolítico.de electrolitos. También hemos hecho unasíntesis de los conceptos de pilas reversibles y El proceso puede representarse:electrodos reversibles; y, para una cabal com-prensión de por qué, en los procesos electro- ½ Al2O3 (s) + ¾ C (s) Al (s) + ¾ CO2 (g)10químicos irreversibles, la diferencia de poten-cial es siempre mayor que la correspondiente La alúmina funde a 2030 ºC, por lo que lle-10 También pueden formarse pequeñas cantidades de CO según 1/2 Al O + 3/2 C Al + 3/2 CO, reacción indeseable porque consume el doble de carbono que cuando 2 3se forma CO2. 43
  • 44. varla al estado líquido insumiría una canti- produce la descomposición de la alúmina dad apreciable de energía. El hallazgo de Hall disuelta dando lugar a la formación de alu- y de Héroult fue utilizar criolita fundida minio metálico y oxígeno. El aluminio así como medio para disolverla. La criolita funde reducido se deposita en el fondo de la cuba, a 1012 ºC y los aditivos que se emplean pro- mientras que el oxígeno generado consume vocan un descenso crioscópico que permite el carbón de los ánodos, produciendo dióxi- mantener la solución al estado líquido a tem- do de carbono. peraturas inferiores. En diversos procesos se han agregado a la criolita otros fundentes, Periódicamente, el aluminio obtenido en como el fluoruro de sodio (NaF), el fluoruro cada celda de electrólisis se extrae de ésta por de calcio (CaF2) y el fluoruro de aluminio succión, utilizando para el transporte reci- (AlF3). La adición de AlF3 baja la temperatu- pientes térmicamente aislados de 6 toneladas ra de fusión del electrolito a unos 850 ºC, lo de capacidad. Estos recipientes se trasladan a que permitiría operar con hasta un 30 % de la fundición, próxima a las salas de electróli- alúmina. El NaCl reduce la temperatura de sis, donde el metal líquido se solidifica en fusión a unos 700 ºC; pero, los problemas diferentes aleaciones y formatos que consti- técnicos que ocasiona el agregado de esta sal tuyen los productos finales del proceso. hacen que sólo se utilice para poner en mar- cha rápidamente la cuba electrolítica. Las series de cubas en el proceso Hall- Generalmente, en las distintas plantas se Héroult. Dentro de la planta de producción regulan las condiciones de la corriente y la de aluminio, las cubas están organizadas en composición para que el proceso se efectúe series. Las series de cubas más modernas entre 940 y 960 ºC. tienden a ubicar a las cubas "lado a lado", por lo que la mayoría de las tareas de manteni- El reactor donde se desarrolla el proceso, miento se llevan a cabo usando puentes usualmente conocido como celda o cuba de grúas multiuso. Algunas tareas deben reali- electrólisis, es un recipiente de, aproximada- zarse regularmente como, por ejemplo, el mente, 4.5 m de ancho por 8.5 m de largo cambio de los ánodos, la remoción del pro- por 1.5 m de altura, conformado por carbón ducto terminado, etc. y material refractario, soportados externa- mente por una rígida estructura de acero. En Los electrodos de la celda electrolítica están dicho reactor pueden distinguirse –desde formados por: arriba hacia abajo– cuatro elementos consti- tutivos bien diferenciados: • Un bloque de carbono que se ha obtenido a partir de una mezcla de coque y brea; este • ánodos de carbón (electrodo positivo), bloque actúa como ánodo (o electrodo • mezcla de sales fundidas, positivo). • aluminio líquido y • cátodos de carbón (electrodo negativo). • El cátodo (o electrodo negativo) que com- prende un cajón de acero rectangular asen- En este sistema, la corriente eléctrica conti- tado sobre hormigón, que contiene un cri- nua circula desde el ánodo hacia el cátodo. Al sol carbonoso sobre el cual descansa el alu- atravesar el baño electrolítico, la corriente minio líquido.44
  • 45. Esquema de una cuba electrolíticaEntre el ánodo y el cátodo hay un espacio do un alimentador localizado en el centro dedonde se encuentra el electrolito. Éste está en la celda. El amperaje de operación es 162 kA.estado líquido a 960 °C. A medida que trans- La frecuencia de trasegado del aluminio escurre la electrólisis, se va agregando alúmina cada 24 horas.refinada para mantener una composiciónconstante del electrolito fundido. Hydro Aluminium Inc. ha instalado, en varias plantas, la tecnología HAL-230 side by side®,Con el fin de mejorar el rendimiento de la en la que cada cuba tiene 5 alimentadores decorriente eléctrica se han desarrollado distin- alúmina y uno de fluoruro de aluminio; usatas variantes de cubas electrolíticas: 26 ánodos, los cuales tienen una vida útil de 22 días. La producción diaria de la celda esReynolds Metal Company (actualmente, fusio- 1,6 toneladas, la temperatura de operación esnada con ALCOA) ha patentado, entre otras, 960 °C y el amperaje de operación es 223 kA.la cuba P-19® que incluye: compensación de El alimentador de fluoruro de aluminio estácampo magnético, alimentación puntual de localizado en el centro de la celda. La fre-alúmina y sistema de control adaptativo. El cuencia de trasegado es cada 24 horas. La ali-sistema de alimentación de alúmina está mentación de alúmina es controlada por uncompuesto por 4 alimentadores con su res- sistema de control adaptativo.pectivos rompecostras, los cuales operanindependientemente. La temperatura de ope- CVG Venalum desarrolló la tecnología V-350ración de las celdas es de 960 °C. La adición side by side®, que tiene 6 alimentadores dede fluoruro de aluminio es realizada utilizan- alúmina, uno de fluoruro de aluminio, y un 45
  • 46. sistema de control automático de alimenta- La criolita funde a 1012 ºC; pero, el agregado ción. Cada celda usa 36 ánodos con una vida de aditivos –como 5-7 % de fluoruro de cal- útil de 22 días y una producción de 2,5 tone- cio, 5-7 % de fluoruro de aluminio y 0,7 % de ladas diarias. La temperatura de operación es fluoruro de litio– provocan su descenso crios- 958 °C, la adición de fluoruro es realizada cópico, el que permite operar al estado líqui- con un alimentador localizado en el centro do entre 920 y 980 ºC. El sistema forma un de la celda y el amperaje de operación es de eutéctico a 960 ºC cuando la concentración 320 kA. La frecuencia de trasegado es cada en peso de la alúmina es de 10,5 %. 48 horas. El electrolito. El electrolito usado es la crioli- ta, Na3AlF6, que es el mejor solvente para la alúmina. Para mejorar el rendimiento de las cubas, se agregan otros componentes como el fluoruro de aluminio y el fluoruro de cal- cio (utilizados para bajar el punto de solidifi- cación del electrolito). Si bien la criolita se encuentra en yacimien- tos de Groenlandia con un grado de pureza bastante aceptable, es una sustancia relativa- mente escasa para abastecer una producción mundial de aluminio de 25 millones de tone- ladas. Es por ello que se la obtiene sintética- mente por reacción de fluoruro de hidrógeno con aluminato de sodio formado en una de Diagrama de fases del sistema criolita- las etapas del proceso Bayer. La reacción alúmina con porcentajes de alúmina entre 0 y 18,5 % puede representarse: 6 HF + 3 NaAlO2 → Na3AlF6 + 3 H2O El ánodo. Los ánodos se diseñan para estar "colgados" sobre las cubas electrolíticas, de También se puede obtener por reacción del modo de transportar la corriente eléctrica. Se fluoruro de hidrógeno con hidróxido de elaboran a partir de una mezcla de coque y sodio y óxido de aluminio: alquitrán de petróleo. El coque, triturado hasta una granulometría muy precisa, se 12 HF + 6 NaOH + Al2O3 → mezcla con alquitrán para formar una pasta → 2 Na3AlF6 + 9 H2O que es moldeada en compactadores vibrato- rios. Se obtienen, así, los llamados ánodos El fluoruro de hidrógeno gaseoso para estas crudos o ánodos green. Estos materiales son reacciones se obtiene a partir de espato flúor transferidos a hornos de gas o de fuel oil y ácido sulfúrico: donde son calcinados durante varios días a alta temperatura (alrededor de los 1100 ºC). CaF2 + H2SO4 → 2 HF + CaSO4 Una vez horneados, los ánodos son fijados a46
  • 47. vástagos de aluminio que permiten que cuel- horneando y sale como ánodo al entrar enguen sobre las cubas electrolíticas. contacto con el electrolito de la celda. La velocidad de flujo de la mezcla se regula deLos ánodos se "queman" al formar CO2 y, manera tal que el ánodo cocido que ingresa acuando se consumen hasta cierta altura la celda reemplaza continuamente al ánodo–generalmente, esto ocurre cada 20-22 días– consumido por la formación de CO2. Se handeben ser reemplazados. Tanto los restos del diseñado ánodos Soderberg verticales y hori-ánodo como las varas de aluminio a las que zontales.están fijados se reciclan. Si bien esta tecnología disminuye el costo deA partir de 1920, comenzó a utilizarse la lla- la producción de ánodos, debido al aprove-mada tecnología Soderberg. En esta tecnolo- chamiento del calor de la celda electrolítica,gía una pasta formada por coque de petróleo presenta algunas desventajas respecto de lospulverizado y alquitrán ingresa continua- ánodos prehorneados; especialmente, enmente a una envoltura de acero calentada por plantas que operan con intensidades deel contacto con la celda electrolítica. A medi- corriente muy altas. Así, por ejemplo, las cel-da que atraviesa la envoltura, la mezcla se va das más eficientes que funcionan con ánodos Esquema de una celda con ánodo Soderberg 47
  • 48. prehorneados consumen 13 kWh por kilo- en las cubas Soderberg debido a que, por la gramo de aluminio, mientras que las mejores forma en que se producen, los ánodos no son celdas con ánodos verticales Soderberg –cuya tan homogéneos. resistividad es casi un 30 % mayor y trabajan con densidades de corrientes menores (0,65- El fluoruro de hidrógeno que puede formarse 0,9 A.cm-2)– requieren 14 kWh por kilogra- se separa por reacción con álcali y los materia- mo de aluminio producido. Además, los áno- les particulados son dirigidos a través de cam- dos Soderberg generan un porcentaje mayor panas que están sobre las cubas, hacia precipi- de perfluorocarbonos que los ánodos prehor- tadores electrostáticos o hacia dispositivos de neados. Por todo esto, en la actualidad, sólo scrubbing seco donde los fluoruros se "fijan" a un 17-18 % de la producción mundial de alúmina en polvo mediante una agitación aluminio se realiza con esta tecnología y son intensa. Esta mezcla de fluoruros y alúmina va muchas las plantas que la están cambiando a un separador de polvos para recuperar la alú- por las celdas con ánodos precocidos. mina y reciclarla a la cuba. Lo que queda, libre de fluoruros, se ventea a la atmósfera. El efecto anódico y la formación de PFC. Si las condiciones operativas no están bien El cátodo. El cátodo consiste en un armazón reguladas, las celdas pueden producir peque- de grafito que tiene incrustadas barras de ñas cantidades de perfluorocarbonos (PFC) acero que colectan la corriente eléctrica. Esta –especialmente, tetrafluorometano (CF4) y suerte de crisol de grafito está soportado por hexafluoroetano (C2F6)– por reacción del una estructura de acero. Entre el grafito y el fluoruro de aluminio con el carbono del armazón de acero hay material aislante eléc- ánodo. Estos PFC contribuyen marcadamen- trico. Durante el proceso, el aluminio líquido te al "efecto invernadero". La producción de funciona como cátodo. Generalmente, la vida estas sustancias contaminantes sólo ocurre útil de un cátodo es de 2.000 a 3.000 días. durante el llamado efecto anódico, cuando la concentración de la alúmina en el baño elec- trolítico cae por debajo de cierto umbral. El producto de la electrólisis. Diariamente, el aluminio líquido producido en las cubas es Durante el efecto anódico el voltaje de la retirado de éstas por succión y volcado a cri- celda trepa de 4,2-4,6 a más de 40 volt. Es soles que admiten 6 y más toneladas de metal. por ello que, en las cubas electrolíticas Manteniendo una temperatura de 700 ºC, el modernas, los sistemas neumáticos de trans- aluminio líquido es llevado a la sección de porte y alimentación de alúmina son ejecuta- colada. dos mediante microprocesadores, los que se monitorean desde el control de la sala de Generalmente, la pureza del aluminio que cubas. De este modo, se mantiene la concen- ingresa a la sala de fundición es de 99,5 a tración de la alúmina en el electrolito en un 99,9 %. Las impurezas más comunes son Fe, valor prácticamente constante. No obstante, Si, Ti, V y Mn que, en su mayor parte, pro- siempre hay una pequeña producción de vienen del ánodo; pero, también suelen pro- PFC que se estima entre 0,3-0,5 kg de CF4 y venir de las impurezas de la alúmina. En la 0,03-0,05 kg de C2F6 por tonelada de alumi- sección de colada, el aluminio líquido es ver- nio. Las proporciones de PFC son mayores tido en hornos de retención donde se le agre-48
  • 49. gan metales como titanio, magnesio, hierro y lingotes de 10 kg, 22 kg y 680 kg, cilindroscobre, para preparar las aleaciones requeridas para extrusión, planchones para laminación ypor los clientes. Cada horno de retención metal líquido. Una vez que el proceso es com-determina la colada de una forma específica: pletado, el aluminio está listo para la venta en los mercados nacional e internacional. Actividad 1.4 En la página web www.alcoa.com/ global/en/about_alcoa/dirt_video.asp, sus alumnos pueden ver un video de 3 minutos sobre la obtención de aluminio de ALCOA, la empresa productora de este metal más grande del mundo. Lingotes de aluminio de 680 kg (1500 lbs)Consumo de energía en la fabricación de aluminioLa industria del aluminio es una industria cial de 15 volt e intensidades de corriente deelectrointensiva. Consume energía para man- 5.000 A. En estas condiciones, el consumo detener los electrolitos a temperaturas de 940- energía eléctrica representaba más del 75 % del960 ºC, para producir la electrólisis mediante costo. Las mejoras tecnológicas incorporadas aldiferencias de potencial de 4,1 a 4,5 V con proceso han reducido sensiblemente ese por-intensidades de corriente de hasta 500.000 A, centaje; pero, aún hoy, la energía es el insumopara refinar electrolíticamente el aluminio pri- más caro del proceso.mario, para la fabricación de electrodos, paralos procesos de laminado, para la extrusión de En este título analizamos el consumo debarras y perfiles, etc. Este consumo hace que la energía teórico que resultaría de considerarenergía se constituya en el componente princi- que la reducción de la alúmina en carbono espal del costo del producto terminado y, en un proceso termodinámico reversible y com-muchos casos, hace que sea más económico paramos este resultado con los valores realestraer las materias primas desde miles de kiló- de consumo de energía.metros –y llevar los productos terminados adistancias parecidas– que instalar la fábrica en Las entalpías estándar del Al2O3 y el CO2 (g) sonlos centros de consumo de los productos. -1675,69 y -393,52 kJ/mol, respectivamente. De modo que el calor estándar de reacciónEn 1888, las celdas de la Pittsburg Reduction sería:Company operaban con diferencias de poten- 49
  • 50. ∆H0 = (-393,52 x ¾) - (- 1675,69 x ½) electrólisis de la alúmina requeriría una dife- ∆H0 = +542,70 kJ/mol rencia de potencial de 1,222 V. En la práctica se observan diversos sobrevoltajes anódicos y Es decir, si la reacción pudiese ocurrir en catódicos, polarizaciones por concentración condiciones estándar sería fuertemente endo- anódica y catódica, corrientes parásitas, etc., –a térmica. los que hicimos referencia al hablar de fenó- menos eléctricos en las interfases– que elevan Las entropías molares estándar de Al2O3, C, el potencial a 4-4,1 V. Al y CO2 son, respectivamente: 50,92; 5,6; 28,27 y 213,79 J/(K mol). Por lo tanto, la Desde su puesta en funcionamiento, en 1889, entropía estándar de reacción sería: hasta nuestros días todos los esfuerzos en el proceso Hall-Héroult están destinados a la ∆S0 = (28,27 + ¾ x 213,79) - (½ 50,92 + optimización del consumo de energía. De los + ¾ x 5,6) 19-20 kWh por kilogramo de aluminio que se ∆S0 = 158,95 J/(K mol) requerían a principios del siglo XX, el consu- mo de energía se ha reducido a 13-15 kWh/kg, Entonces, la variación de energía libre están- con hasta un 95 % de eficiencia en la corrien- dar asociada a la producción de un mol de te. La meta propuesta por las principales aluminio resulta: fábricas del mundo es llegar a 2020 con un rendimiento energético de 11 kWh/kg, para ∆G0 = ∆H0 - T ∆S0 lo cual la mayoría de las investigaciones están ∆G0 = 542,70 - 298,15 x 158,95 / 1000 orientadas hacia el logro de una disminución ∆G0 = 495,31 kJ/mol de la distancia entre cátodo y ánodo (que es la principal componente de la resistencia Esto indica que, en las condiciones estándar, la óhmica). También se estudia mejorar los sis- reacción es fuertemente endergónica. En con- temas de control de los efectos electromagné- diciones estándar, obtener un mol de aluminio, ticos y de la agitación del metal, lo que per- mediante una transformación reversible, mitirá mejorar el sistema just in time de ali- requeriría absorber una energía de 495,31 kJ; mentación de alúmina. pero, en condiciones estándar –25 ºC y 1 bar– es fácticamente imposible hacer reaccionar dos Con el transcurso de los años se ha ido incre- sólidos. mentado la intensidad de corriente usada en el proceso. De los 5000 ampere con que tra- Se han hecho los cálculos termodinámicos11 bajaban las celdas de fines del siglo XIX, hoy para la variación de energía libre asociada al en día hay celdas que operan bajo intensida- proceso en las condiciones en que se opera en des de corriente del orden de los 500.000 A. las fábricas, encontrándose que a temperatura de 960 ºC y en una solución al 10 % de α- alú- El reemplazo promedio de los cátodos es, en mina (33 % de saturación) el potencial de la actualidad, de 2000 a 3000 días, lo que reducción reversible (Al2O3 2Al + 1,5 O2) es potencia la productividad, reduciendo los de -2,248 V y el correspondiente a la oxidación costos de parada de la cuba. del carbono (C + O2 CO2) es de +1,026 V. De modo que, si el proceso fuese reversible, la Ya están en uso cátodos que contienen TiB2 11 Kvande, H.; Haupin, W. (2001) "Inert Anodes for Al Smelters: Energy Balances and Environmental Impact." The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society.50
  • 51. ¿Sabía usted que… métricas– quede finalizada en 2007. el costo de la electricidad es un factor tan dominante en la obtención de aluminio La instalación primaria de producción de por electrólisis que supera los costos de aluminio estará apoyada por la construc- transporte tanto del mineral como del ción de la Central Energética producto terminado? Esto queda ilustra- Karahnjukar, de 500 MW, por parte de la do por el proyecto de ALCOA de cons- compañía nacional de energía. El truir una planta de fundición de alumi- Fjardabyggd Harbor Fund construirá un nio en Islandia, a miles de kilómetros de puerto en Mjoeyri para recibir los carga- los yacimientos de su propiedad en mentos de bauxita. Kwinana, Pinjarra y Wagerup, (Western Australia), y en Poços de Caldas, Brasil, a La central es un diseño hidroeléctrico miles de kilómetros de los EE.UU., adon- que consiste en una represa principal de de será exportado. El gobierno de 190 metros de alto por 730 metros de Islandia ha ratificado la propuesta de ancho, dos presas de collado más peque- ALCOA en Islandia oriental y la cons- ñas y túneles de toma, a ser pagada por trucción se está llevando a cabo. Se espe- Landsvikjun, la compañía nacional de ra que el proyecto Fjardaal, traducido energía. como "aluminio de los fiordos," cueste u$s 1.100 millones y que la planta de Una vez finalizado, el proyecto Fjardaal fundición de aluminio –que tendrá una representará una de las mayores inversio- capacidad anual de 322.000 toneladas nes privadas en Islandia.combinados con ánodos inertes que suponen instalaciones que consumen mucha más ener-una mejora en la eficiencia de la corriente del gía, por lo que el consumo promedio global deorden del 22 %, a la vez que reducen la emi- la industria está alrededor de 14,2 kWh/kg. Sisión de CO2. se toman en cuenta los consumos de energía debidos a la rectificación de la corriente y a losSi bien las celdas más modernas y eficientes sistemas de control de emisiones, los valoreslogran reducir el consumo de energía eléctrica son próximos a los 15,2 kWh/kg. En la tabla sea valores próximos a los 13 kWh por kilogra- da el detalle, al año 2003, del consumo demo de aluminio, en el mundo existen muchas energía por tonelada de aluminio producido. ENERGÍA ELÉCTRICA CONSUMIDA POR TONELADA MÉTRICA DE ALUMINIO PRIMARIO PRODUCIDO EN EL MUNDO DURANTE 200312 Área 2: Área 3: Área 6B: Área 1: Área 4/5: Área 6A: Promedio América del América Europa África Asia Europa Occ. ponderado Norte Latina Oriental 14.321 15.529 15.359 15.413 15.139 14.782 15.20212 Incluye los valores de la energía eléctrica usada para la electrólisis de los procesos Hall-Héroult, con los correspondientes a la rectificación de AC en DC y todo otroconsumo –incluyendo los de los equipos de control de polución–, hasta el punto en que el aluminio líquido es succionado de la celda. Excluye la energía consumida enla fundición y en la fabricación de ánodos. Fuente: International Aluminium Institute New Zealand House Haymarket (2004) London. 51
  • 52. En la búsqueda de fuentes de energía eléctri- etc. Más aún, con el objeto de asegurarse un ca, los productores recurren siempre a las suministro continuo y barato de energía eléc- que, de acuerdo con las condiciones econó- trica, hay productores que tienen todo o micas imperantes a la época de poner en eje- parte de control accionario de las centrales cución la construcción de la planta, suminis- que los abastecen. Así, al año 2003, el 27,3 % tran energía más barata. Es por ello que, aún de la energía eléctrica usada en los procesos en plantas pertenecientes a la misma empre- Hall-Héroult es generado por los propios sa, se utiliza energía proveniente de distintas productores. fuentes: hidroeléctrica, carbón, gas natural, FUENTES DE ENERGÍA ELÉCTRICA INFORMADA (GIGAWATT-HORA)13 Área 2: Área 3: Área 6A: Área 6B: Porcentaje Fuente de Área 1: Área 4/5: Área 7: América América Europa Europa del total energía África Asia Oceanía del Norte Latina Occid. Oriental general Hidro- 4.881 52.843 33.254 958 31.704 7.382 131.022 49,2 eléctrica Carbón 15.432 27.545 0 11.610 16.645 25.058 96.290 36,1 Petróleo 0 5 0 106 1.123 2 1.236 0,5 Gas 57 318 1.415 16.974 6.183 0 24.947 9,4 natural Nuclear 280 437 0 0 12.110 0 12.827 4,8 Total 20.650 81.148 34.669 29.648 67.765 32.442 266.322 100,0 Productos comerciales El aluminio para uso eléctrico no debe con- cipita las impurezas como boruros insolu- tener porcentajes elevados de impurezas bles, los que tienen un efecto mínimo sobre que afecten sus propiedades eléctricas. la conductividad eléctrica. Como las impurezas de titanio, vanadio, manganeso y cromo reducen considerable- Los estándares internacionales distinguen mente su conductividad eléctrica, el alumi- dos tipos de aluminio no aleado: nio destinado a la fabricación de conducto- res eléctricos se obtiene seleccionando el • aluminio puro –de 99,0 a 99,9 % de Al– y metal más puro disponible de las mejores • aluminio de alta pureza –de, al menos celdas. Si aún así, el porcentaje de impure- 99,97 % de Al–, que se produce por una zas es muy grande, se añade boro, que pre- posterior refinación. 11 International Aluminium Institute New Zealand House Haymarket. (2004) Op. Cit.52
  • 53. COMPOSICIÓN (EN % M/M) DE LOS LINGOTES DE ALUMINIO NO ALEADO 14 Otros Al Código Si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Zn Ti c/u Total (mín) 1050 0,025 0,40 0,05 0,05 0,05 - - 0,05 0,03 0,03 99,50 1060 0,025 0,35 0,05 0,03 0,03 - - 0,05 0,03 0,03 - 99,60 0,05- 1100 0,095 Si + Fe 0,05 - - - 0,10 - 0,05 0,15 99,00 0,20 1145 0,055 Si + Fe 0,05 0,05 0,05 - - 0,05 0,03 0,03 - 99,45 1175 0,015 Si + Fe 0,10 0,02 0,02 - - 0,04 0,02 0,02 - 99,75 1200 1,00 Si + Fe 0,05 0,05 - - - 0,10 0,05 0,05 0,15 99,00 1230 0,70 Si + Fe 0,10 0,05 0,05 - - 0,10 0,03 0,03 - 99,30 1235 0,65 Si + Fe 0,05 0,05 0,05 - - 0,10 0,06 0,03 - 99,35 1345 0,30 0,10 0,10 0,05 0,05 - - 0,05 0,03 0,03 - 99,45 1350 0,10 0,40 0,05 0,01 - 0,01 - 0,05 - 0,03 0,10 99,50 ALUMINIO Aluminio de alta pureza Aluminio de alta pureza Para la mayoría de las aplicaciones, la pureza del aluminio que proviene de las cubas (por ejemplo, hasta 99,9 %) es adecuada. Cuando Aleaciones de aluminio se requiere aluminio de alta pureza (como mínimo 99,97 %) para propósitos especiales –como, por ejemplo, capacitores electrolíti- Aluminio laminado, cos o conductores de alta tensión–, el metal moldeado y extruido que viene de las cubas debe ser refinado mediante un proceso adicional. Aluminio anodizado El aluminio de alta pureza se produce mediante la llamada electrólisis de tres capas o14 The Aluminum Association (1997) Aluminium Standards & Data. Tabla 6.2. 53
  • 54. electrólisis en celdas Hoopes. Estas celdas –a Aleaciones de aluminio diferencia de las celdas del proceso Hall- Héroult que tienen dos capas– operan con Hoy en día, más de la mitad de la producción tres capas líquidas: de aluminio semielaborado corresponde a aleaciones. Los elementos más comunes que • La más baja, llamada "ánodo metal" reci- se le añaden al aluminio son (en orden alfa- be un aluminio primario al que se le ha bético): bismuto, boro, cinc, cobre, cromo, adicionado alrededor de un 30 % de hierro, magnesio, manganeso, níquel, plomo, cobre, para incrementar su densidad silicio, titanio y zirconio. De entre todos hasta 3,4-3,7 g. cm-3. ellos, el más frecuente es el magnesio. En • La segunda capa es el electrolito fundido de algunas aleaciones se le agregan al aluminio densidad 2,7-2,8 g.cm-3. dos o más elementos –por ejemplo, magnesio • La capa superior es el aluminio de alta pure- junto con silicio y manganeso–. za a separar, cuya densidad es de 2,3 g,cm-3. Las aleaciones de aluminio pueden ser divi- La celda tiene una cámara que, mediante didas principalmente en dos grupos, según el sifonado, permite el manejo del ánodo tipo de proceso en que son utilizadas: las ale- metal. aciones para trabajado mecánico (extrusión, forja, laminación, etc.) y las aleaciones de El aluminio producido mediante una electróli- moldeo (colada de piezas). Además, ambos sis de este tipo grupos contienen ciertas aleaciones que pue- tiene una pureza den endurecerse mediante tratamientos tér- del 99,99 %. Se La fusión por zonas micos y otras que no son susceptibles de puede obtener permite separar las endurecimiento al tratarlas térmicamente. aluminio de hasta impurezas en una zona 99,9999 % (alumi- fundida que se mueve gradualmente, de un nio seis nueves) extremo a otro de un mediante opera- lingote especialmente ciones de fusión preparado. Aluminio laminado, moldea- por zonas. do y extruído El aluminio de 99,97-99,98 % se obtiene en pequeñas cantidades mediante cristalización El aluminio puede ser laminado en chapas, fraccionada en la que las impurezas que for- laminados finos y foil hasta espesores meno- man un eutéctico con el aluminio quedan res al del cabello humano. El proceso de concentradas en la fase líquida. laminación cambia las características del metal, haciéndolo menos frágil y más dúctil. También se obtiene aluminio de 99,97-99,98 % fundiendo, en proporciones adecuadas, alu- En primera instancia, el aluminio se procesa minio de menor pureza con aluminio de en laminadores en caliente para, luego, ser pureza mayor. transferido a laminadores en frío. En el pro- ceso de laminación en caliente, el lingote o placa de aluminio es calentado hasta unos 500 ºC y pasado repetidas veces por este pri-54
  • 55. FORMAS ESTÁNDAR DE DESIGNACIÓN DE ALEACIONES DE ALUMINIO Aleaciones para Series Aleaciones para moldeo Seriestrabajado mecánico Al (mín 99,00 %) 1xxx Al (mín 99,00 %) 1xx.x Aleaciones agrupadas por los aleantes más frecuentes Cu 2xxx Cu 2xx.x Mn 3xxx Si + (Cu o Mg) 3xx.x Si 4xxx Si 4xx.x Mg 5xxx Mg 5xx.x Mg + Si 6xxx Zn 6xx.x Zn 7xxx Sn 7xx.x Otros elementos 8xxx Otros elementos 8xx.x Series no usadas 9xxx Series no usadas 9xx.xLa designación de aleaciones para trabajado mecánico usa 4 dígitos para identificar aluminio enbruto y aleaciones de aluminio en bruto:- El primer dígito indica el principal aleante al aluminio.- Las modificaciones hechas a la aleación original y los límites de impurezas se indican mediante el segundo dígito.- En el caso de 1xxx, los últimos dos dígitos indican el porcentaje mínimo de aluminio.- En los grupos 2xxx a 8xxx, los últimos dos dígitos sirven para identificar los demás aleantes indi- viduales.- Para aleaciones experimentales, se añade una X al número de 4 dígitos (por ejemplo, X2037).- Cuando la aleación deja de ser experimental para ser comercializada regularmente, se elimina el prefijo X.El sistema de designación de aleaciones para moldeo es similar:- El primer dígito indica el elemento principal.- El segundo y el tercer dígito indican la pureza.- El dígito después del punto indica la forma del producto –por ejemplo, planchón, lingote, etc.–.- Las modificaciones a la aleación original se indican mediante una letra mayúscula antes de la designación numérica –por ejemplo, A356.0 o B413.0–. 55
  • 56. mer tipo de laminadores. Este proceso redu- Los productos fundidos y moldeados tienen ce, gradualmente, el espesor del lingote hasta una amplia variedad de aplicaciones: unos 6 mm. Una vez finalizado el laminado en caliente, el aluminio es enfriado y trans- • componentes livianos para vehículos, aero- portado a los laminadores en frío, para su naves, barcos y naves espaciales, posterior tratamiento. • componentes de máquinas productivas en las que el peso reducido y la resistencia a la Hay una gran diversidad de laminadores en corrosión son condiciones indispensables, frío. Grande también es la gama de produc- • bienes de alta tecnología para la oficina y el tos que se obtienen –que llegan hasta espeso- hogar. res de 0,05 mm–. En general, el tipo de pro- ducto depende de la aleación utilizada, del Se reconocen dos métodos básicos de fundi- proceso de deformación vía laminación y del ción: moldeo en arena –consistente en intro- tratamiento térmico aplicado al producto, ducir aluminio líquido en un molde formado ajustando así sus propiedades mecánicas y por arena y arcilla, y en comprimirlo median- físicas. te prensas neumáticas– y moldeo en coquilla –en el que el aluminio líquido se introduce Los productos de los procesos de laminación en un molde de fundición de hierro–. pueden ser agrupados en grandes categorías: Los productos extruídos de aluminio –conoci- • laminados finos y dos como "perfiles"– son confeccionados a par- • laminados gruesos. tir de cilindros de aluminio primario llamados barrotes. Los barrotes se encuentran disponi- Entre los laminados finos se puede distinguir bles en variados tamaños, aleaciones, trata- el foil del resto. El foil tiene un espesor mientos térmicos y dimensiones, y se ajustan a menor a los 0.2 mm y es utilizado, por lo los múltiples requerimientos del usuario. general, en la industria de packaging, en envases o coberturas. También se lo utiliza El proceso de extrusión se caracteriza por en aplicaciones eléctricas y como compo- hacer pasar a presión el aluminio a través de nente en aislamientos térmicos. El resto de una matriz, para obtener el perfil deseado. los laminados finos, con espesores entre 0.2 Esto es posible tras haber calentado los mm y 6 mm se aplica de manera muy diver- barrotes a utilizar a una temperatura cercana sa en el sector de la construcción (ya sea en a los 450-500 °C y haberles aplicado una revestimientos o techos) y también tiene presión de 500 a 700 MPa. El metal preca- como destino el sector de transporte (pane- lentado es impulsado dentro de la prensa y les laterales y estructuras de automotores, forzado a salir por la matriz, obteniéndose barcos y aviones). así, el perfil extruído. Los laminados gruesos tienen un espesor El proceso de extrusión lleva la temperatura superior a los 6 mm. Suelen ser utilizados en de las prensas a unos 500 ºC; la temperatura estructuras de aviones, componentes estruc- de salida es cuidadosamente controlada para turales de puentes y edificios, y vehículos conservar las propiedades mecánicas, una militares. alta calidad en la superficie de los productos terminados y una elevada productividad.56
  • 57. Los productos extruídos son de uso generali- mucho más gruesas, más protectoras y dezado en el sector de la construcción, particu- características distintas a las de la capa natu-larmente en ventanas y marcos de puertas, en ral. Uno de esos procedimientos es la "oxida-casas prefabricadas y estructuras de edificios, ción anódica" del aluminio, que consiste enen techos y cortinas. También son utilizados electrolizar una solución acuosa débilmenteen automotores, trenes y aviones, y en el sec- acidulada con H2SO4, empleando un cátodotor de la náutica inerte (como níquel o platino) y, como ánodo, el objeto de aluminio a tratar. Cuando se trata de decorar o proteger alAluminio anodizado objeto de aluminio, la electrólisis se realiza de manera de formar una capa de óxido dePor la mera expo- 10-30 µ de espesor. El objeto así tratado sesición al aire, el caracteriza como "anodizado".aluminio se recu- En la jerga metalúrgica,bre de una delga- se dice que el metal "se Si lo que se desea es un endurecimiento deldísima capa de pasiva". objeto, se regulan las condiciones de la elec-óxido de aluminio trólisis para que se forme una capa de óxidoque se adhiere con bastante firmeza a la de un espesor superior a los 100 µ. En algu-superficie del metal y que impide que la oxi- nos casos, se agregan colorantes orgánicos odación continúe. La película de óxido de alu- pigmentos minerales al baño electrolítico,minio suele ser de alrededor de 0,01 µ de para que el aluminio anodizado tome colo-espesor y puede ser removida por alguna sus- ración.tancia ácida o alcalina, o por frotación conun material abrasivo. Mediante procedimien- No sólo se puede anodizar el aluminio purotos químicos y electrolíticos se pueden obte- sino también sus aleaciones, excepto las dener, artificialmente, películas de óxido cobre –ya que este metal tiende a disolverse–. PRODUCCIÓN DE ALUMINIO PRIMARIO15 (MILES DE TONELADAS MÉTRICAS) Área 2: Área 3: Área 6A: Área 6B: Área 1: Área 4/5: Área 7: Promedio Periodo América América Europa Europa Total África Asia Oceanía diario del Norte Latina Occ. del este 2001 1,369 5,222 1,991 2,234 3,885 3,728 2,122 20,551 56.3 2002 1,372 5,413 2,230 2,261 3,928 3,825 2,170 21,199 58.1 2003 1,428 5,495 2,275 2,475 4,068 3,996 2,198 21,935 60,1 2004 1,711 5,110 2,356 2,735 4,295 4,139 2,246 22,592 61.715 International Aluminium Institute New Zealand House Haymarket (2005) London. Producción mundial de aluminio informada a IAI por los productores; no incluye aChina –que fabrica unos 3 millones de toneladas/año–. 57
  • 58. INVENTARIOS DE ALUMINIO INFORMADOS POR LOS PRODUCTORES16 (EN MILES DE TONELADAS MÉTRICAS) Tipo de Área 2: Área 3: Área Área 1: Área 4/5: Área 7: inventa- A finales de: América América 6A/6B: Total África Asia Oceanía rios del Norte Latina Europa Abril 2004 18 441 115 196 703 97 1,570 Mayo 2004 11 466 111 198 858 95 1,739 Junio 2004 21 468 85 201 777 88 1,640 Julio 2004 18 459 102 207 780 101 1,667 Agosto 2004 15 460 110 211 820 94 1,710 Setiembre 2004 30 441 108 192 794 93 1,658 Bruto Octubre 2004 20 442 129 225 789 96 1,701 Noviembre 2004 30 455 121 203 774 94 1,677 Diciembre 2004 48 466 109 196 863 106 1,788 Enero 2005 31 498 117 218 866 124 1,854 Febrero 2005 35 466 108 212 828 122 1,771 Marzo 2005 25 476 121 217 874 116 1,829 Abril 2005 39 484 113 176 806 120 1,738 Abril 2004 37 900 194 303 1.357 125 2.916 Mayo 2004 30 923 194 303 1.520 122 3.092 Junio 2004 39 919 163 303 1.438 114 2.976 Julio 2004 37 896 173 314 1.456 128 3.004 Agosto 2004 36 893 186 326 1.520 122 3.083 Setiembre 2004 52 863 182 304 1.478 120 2.999 Total Octubre 2004 40 869 208 344 1.473 124 3.058 Noviembre 2004 52 876 201 324 1.464 122 3.039 Diciembre 2004 69 899 192 320 1.567 135 3.182 Enero 2005 54 915 198 339 1.569 149 3.224 Febrero 2005 58 907 190 337 1.532 144 3.168 Marzo 2005 47 936 208 329 1.589 141 3.250 Abril 2005 65 944 200 289 1.520 145 3.163 16 International Aluminium Institute New Zealand House Haymarket (2005) London.58
  • 59. La producción de aluminio Desde el inicio de sus operaciones y con el objetivo de mejorar su posición competitiva,primario en la Argentina Aluar procuró y alcanzó mejoras productivas de forma permanente y gradual.La producción de aluminio primario en laArgentina se inició a comienzos de la década En lo que refiere al mercado local de produc-del 70, dentro de un programa público-pri- tos elaborados de aluminio, el mismo estuvovado de desarrollo de la industria del alumi- liderado durante muchos años por Kicsa, delnio. A tal fin se crea la empresa Aluar SA. Grupo Aluar, y por Camea, una empresa de la multinacional canadiense Alcan. En 1993La localidad seleccionada para la instalación ambos líderes se fusionaron para formarde la planta de aluminio primario fue la ciu- C&K Aluminio S.A., participando en partesdad de Puerto Madryn, en la provincia del iguales en la nueva sociedad. En 1996 AluarChubut, 1.400 km al sur de la Ciudad adquirió la totalidad de las acciones de C&K,Autónoma de Buenos Aires. La capacidad constituyendo así la "División Elaborados" deproductiva inicial de la planta se estableció la empresa.en 140.000 toneladas anuales. Hacia 1998, las instalaciones para solidifica-En forma simultánea a la construcción de la ción del aluminio líquido en Puerto Madrynplanta de aluminio primario se llevaron a fueron ampliadas mediante la compra y pos-cabo: terior fusión por absorción de la empresa Refinería Metales Uboldi, próxima a la plan-• un puerto de aguas profundas en Puerto ta de aluminio primario. Adicionalmente, se Madryn; su objetivo inicial fue facilitar la realizaron inversiones de actualización tec- importación de materias primas para la nológica y de ampliación productiva en la producción, así como la exportación de empresa así adquirida. metal producido;• la central hidroeléctrica Futaleufú, en En 1999, con la puesta en marcha de nuevas Trevelin –a 500 km al oeste de Puerto instalaciones, se verificó un salto en sus eco- Madryn, sobre la Cordillera de los Andes–, nomías de escala, ampliando un 40 % su para abastecer de energía eléctrica a la capacidad productiva de aluminio primario. planta de aluminio. Las obras requirieron una inversión superior a los 340 millones de dólares. Esta amplia-Este conjunto de emprendimientos constitu- ción respondió a una estrategia de reducciónyó un importante polo de desarrollo regional del costo de producción y continua actuali-en la provincia del Chubut. En efecto, la ciu- zación tecnológica. En la actualidad la pro-dad de Puerto Madryn, con sólo 4.000 habi- ducción de la planta de aluminio en Puertotantes a comienzos de los 70, supera en la Madryn supera las 275.000 toneladas anua-actualidad los 65.000 habitantes. les, destinándose a mercados externos cerca del 75 % de ésta.A meses de la puesta en marcha de la fábricade aluminio primario, ocurrida en 1974, Hoy, la planta productora de aluminio pri-Aluar comenzó a abastecer totalmente la mario consta de 6 salas que albergan, endemanda doméstica de aluminio primario. total, 544 cubas electrolíticas. El consumo de 59
  • 60. energía eléctrica es de, aproximadamente, La industria del reciclado del aluminio 3.980.000 MWh anuales, equivalente al con- comenzó a desarrollarse al finalizar la sumo medio anual de una ciudad de un Segunda Guerra Mundial. La expansión de la millón de habitantes. La energía es provista industria automotriz generaba chatarra de por la central hidroeléctrica Futaleufú –con hierro y aluminio a partir de los automóviles una capacidad instalada de 472 MW y una fuera de uso, lo que contribuyó al mejora- generación media anual de 2.600.000 MWh– miento de la tecnología del reciclado. La y por una central térmica de ciclo combina- obtención del aluminio secundario experi- do de 120 MW de potencia y seis turbinas de mentó una formidable expansión a partir de gas, con una potencia total de 164 MW. la década de 1970 en que comenzaron a reci- clarse las latas de bebidas. A partir de enton- Además de aluminio primario, Aluar produ- ces y alentada por las políticas gubernamen- ce unas 35.000 toneladas de aluminio elabo- tales, la producción de aluminio secundario rado –perfiles, barras, tubos, laminados grue- ha crecido constantemente. Así, en el 2002, sos y foil– en su planta de Abasto (Provincia se reciclaron alrededor de 53 millones de de Buenos Aires). latas de bebidas sólo en los Estados Unidos. Los deshechos de aluminio a reciclar reciben Una información detallada de las actividades el nombre de scrap –trozo– y se clasifican industriales y comerciales de Aluar SACI según sean recortes o residuos de la fabrica- puede obtenerse de su página web: ción de piezas nuevas de aluminio, del des- www.aluar.com.ar. guace de automóviles u otros objetos viejos, o de las latas de bebidas. Las tecnologías modernas tienden a reciclar material según su origen; así, las fundicio- nes de las plantas de extrusión recuperan Reciclaje del aluminio scrap proveniente de aluminio extruído. Los productores de latas de bebidas usan scrap UBC –used beverage cans; latas de bebida El alto costo de producir aluminio a partir usadas–, etc. del mineral hace muy atractivo el reciclaje. La energía necesaria para reciclar –por ejem- En el reciclado de las latas, las principales plo, latas de bebidas– es sólo de alrededor etapas del proceso son: del 5 % de la requerida para producir una cantidad equivalente de metal a partir del • deballer, operación mecánica para desem- mineral. La energía ahorrada al reciclar una balar las latas de aluminio prensadas; tonelada de alumi- nio es, entonces, • shreding, operación mecánica de picar latas, suficiente para El aluminio producido reduciéndolas a pequeñas dimensiones (10 proveer energía a a partir de chatarra, x 40-70 mm); una casa de tama- se denomina aluminio ño promedio du- secundario . • decoating, pasado de los fragmentos de las rante 10 años. latas por un horno continuo, para quemar60
  • 61. la capa de barniz y tinta; los compuestos ALUMINIO RECUPERADO A PARTIR DE volátiles son incinerados; CHATARRA DURANTE 200317• refundición, fundición de los trozos del alu- Aluminio recuperado minio en hornos rotativos o en hornos de Toneladas métricas como inducción. Fundición de alea - 415.717El rendimiento del proceso es del 88-90 %; o cionessea, por cada tonelada de latas se obtienen Aleaciones en bruto 2.159.626880 kg de lingote de aluminio. Total 2.575.343Usos y aplicaciones del aluminioLos principales usos del aluminio laminado marcos de puertas y ventanas. El aluminioen caliente se encuentran en la industria aero- moldeado, en la industria automotriz.náutica y en la fabricación de utensiliosdomésticos. Los laminados finos se usan en el Otra aplicación importante del aluminio es laenvasado de diversos productos, en la indus- fabricación de cables de alta tensión; porque,tria de la construcción –ya sea como mem- el aluminio combina una buena conductivi-branas o como revestimientos– etc. El alumi- dad eléctrica con una densidad que es unanio extruído se emplea en la construcción, en tercera parte de la densidad del cobre. Actividad 1.5. Aluminotermia muy grande de energía. Esto se aprovecha, en la práctica, para producir temperaturas eleva- Una de las maneras de comprobar el carácter das en zonas relativamente pequeñas. El pro- fuertemente reductor del aluminio es median- ceso Goldschmidt se emplea para producir te el llamado proceso Goldschmidt de alumi- industrialmente varios metales, como el man- notermia, consistente en reducir óxidos de ganeso y el cromo, en estados de elevadísima metales de transición por aluminio en polvo. pureza, para reparar maquinaria pesada, como carriles y cigüeñales, y para soldar rieles Así como en la reducción de la alúmina se con- ferroviarios (proceso de la termita). En estos sume una cantidad considerable de energía, la dos últimos casos, empleando magnesio como oxidación del aluminio libera una cantidad iniciador, se hace reaccionar en un crisol17 International Aluminium Institute New Zealand House Haymarket (2004) London. 61
  • 62. aluminio en polvo con óxido de hierro • Colocan el crisol en un baño de arena y dis- (III) (termita). La reacción 2 Al + Fe2O3 ponen el conjunto de modo que las chispas 2 Fe + Al2O3 libera unos 840 kJ por mol de que eventualmente se desprendan no cau- alúmina formada. sen daño en un radio de 1 m. • Retiran de los alrededores todo material La reacción ocurre rápidamente, elevando la inflamable, se resguardan los ojos con gafas temperatura a unos 3000 ºC. El hierro fundido y, mediante una cerilla, encienden la cinta se recoge en el fondo del crisol. De la parte de magnesio (o la tira de papel nitratado). superior del crisol se retira la alúmina líquida y el hierro fundido se vierte en un molde de arena en el que se encuentra el material a sol- dar o reparar. En esta actividad se obtiene cromo, según la reacción: Cr2O3 + 2 Al 3000°C Al2O3 + 2 Cr La técnica a desarrollar por sus alumnos es: Según la forma y las dimensiones del crisol, podría ocurrir que sólo arda la mezcla infla- • En un crisol de tierra refractaria de unos 10 cm mable sin que se inicie la combustión en el de alto, introducen 10 gramos de fluoruro de resto de la masa. En este caso, se repite la calcio en polvo. operación agregando el doble de mezcla infla- • Sobre el fluoruro de calcio, agregan una mable. mezcla formada por 17,5 g de óxido de cromo (III), 12,5 g de dicromato de potasio y La reducción del óxido de cromo por el alumi- 20 g de aluminio en polvo (finísimo). nio es fuertemente exotérmica, al punto que • Cubren la mezcla con una delgada capa de la temperatura en el crisol puede alcanzar los material inflamable formada por 5 g de alu- 3000 ºC. minio en polvo y 15 g de peróxido de sodio. • En la mezcla, insertan una cinta de magnesio Una vez completada la reacción, se deja enfriar o una tira de papel nitratado seco (prepara- el crisol y se lo rompe para separar el régulo de do mediante la impregnación de papel de fil- cromo de la ganga. Luego, se pesa el régulo de tro con solución de KNO3 al 10 %). cromo y se calcula el rendimiento.62
  • 63. Para identificar el cromo, se disuelve el A la solución amarilla que se obtiene se le régulo en ácido clorhídrico y se efectú- agregan unas gotas de solución de cloruro de an las reacciones: bario. • con solución de NaOH, • con solución de NaOH y unos gramos de peróxido de sodio.Aspectos ambientales derivados de la producciónde aluminioLa fabricación de aluminio produce varios En cuanto a las emisiones de perfluorocarbo-efectos ambientales no deseados. Los más nos, el IAI calculó 0,30 kg de tetrafluorome-importantes son la emisión de CO2 y la for- tano y 0,03 kg de hexafluoroetano por tone-mación de perfluorocarbonos; por la natura- lada métrica de aluminio. Aplicando los valo-leza misma del proceso, cada mol de alumi- res de la Tabla de factores potenciales de calen-nio producido por electrólisis genera, teóri- tamiento global recomendada por la Comisióncamente, ¾ de mol de CO2. A estas cantida- Intergubernamental sobre el Cambiodes hay que sumarle las emisiones de conta- Climático de las Naciones Unidas (1 kg CF4 ≡minantes que se producen en el proceso de ≡ 6500 kg CO2; 1 kg C2F6 ≡ 9200 kg CO2),fabricación de los ánodos y en los tratamien- las emisiones de PFC generan un equivalen-tos posteriores a la electrólisis. Además, te de 2,23 toneladas de CO2 por tonelada decomo casi el 50 % de la fabricación del alu- aluminio primario.minio usa electricidad generada por centralestérmicas debe computarse también el CO2 Aún con estos cál-producido en la generación eléctrica. culos conservado- Por su parte, las orga- res, estimando la nizaciones ecologistas sostienen que la polu- producción mun- ción generada por La organización que agrupa al 89 % de los dial por electrólisis estos procesos ronda productores, el International Aluminium en 25 millones de las 8 toneladas de Institute, ha estimado, cautelosamente, que toneladas/año y CO2/tonelada de alumi- en la electrólisis, con un consumo de 15,95 kWh considerando que nio, lo que elevaría la por tonelada de aluminio líquido, se producen el 47 % de la elec- cifra a unos 200 millo- 1,6 toneladas de CO2 por tonelada de aluminio tricidad es sumi- nes de toneladas de y 5,8 toneladas métricas de CO2 por tonelada nistrada por cen- CO2/año. de aluminio debido al combustible empleado trales térmicas, la en las centrales térmicas. contaminación ambiental generada por los 63
  • 64. procesos Hall-Héroult es equivalente a casi do normas ISO 14000 o certificaciones 164 millones de toneladas de CO2 por año. equivalentes), y para la Salud y la Seguridad. Conservadores o exagerados, los distintos • Control del rendimiento global del recicla- cálculos han puesto en evidencia no sólo el do y uso de los datos para establecer obje- problema sino la necesidad de resolverlo o, al tivos voluntarios. Se desarrollará un pro- menos, de paliarlo; y esto ha sido tratado en grama de acción global para alentar un diversos ámbitos internacionales. En 1992, incremento en el volumen de metal de alu- se firmó el Convenio Marco de las Naciones minio recuperado de la chatarra. Unidas sobre Cambio Climático y, en 1997, los representantes de más de 150 países sus- • Supervisión anual de los cargamentos de alu- cribieron el Protocolo de Kyoto, proponien- minio destinados al sector transporte, para do disminuciones obligatorias en las emisio- rastrear la contribución del aluminio (debido nes de gases de invernadero por parte de los a su baja densidad) en la reducción de las 39 países más industrializados. emisiones de gases de efecto invernadero del transporte carretero, ferroviario y marítimo. La Iniciativa mundial de desarrollo sostenible del aluminio, publicada por el IAI aborda los Los temas ambientales asociados con la pro- asuntos de sustentabilidad de la industria del ducción de aluminio entran en dos categorí- aluminio en una escala internacional. El as principales: informe destaca los objetivos comunes que la industria del aluminio aspira alcanzar: • Necesidad de abordar los requisitos de alta energía del proceso Hall (y del proceso Bayer, • Reducción del 80 % de las emisiones de que calcina los minerales de aluminio para gases de efecto invernadero de los com- producir la alúmina de alta pureza requerida puestos perfluorcarbonados para la indus- por el proceso Hall). Hoy en día, el porcen- tria en su conjunto, para 2010 en relación taje mayor de la energía eléctrica consumida con 1990. en la producción electrolítica del aluminio proviene de centrales hidroeléctricas, de • Reducción de las emisiones de fluoruros manera que los costos y las emisiones son por tonelada de aluminio producido en un relativamente bajos; sin embargo, hay una mínimo del 33 % para la industria en su presión continua para reducir los costos y conjunto para 2010, en comparación con mejorar la eficiencia de la producción, las cifras de 1990. La meta a cumplir se esfuerzos que contribuirán a reducir el revisará en 2006. impacto ambiental de la producción. • Reducción del 10 % del consumo de la • Control de la emisión de gases de efecto energía de fundición de la industria para invernadero. En el proceso Hall, el oxígeno 2010 en relación con 1990. producido por la reducción de la alúmina oxida y consume el ánodo de carbono; el • Para 2010, el 95 % de todas las fábricas mejoramiento de la eficiencia de la produc- miembros del International Aluminium ción de aluminio puede reducir sustancial- Institute (IAI) implementarán Sistemas de mente la emisión de CO2. Gestión para el Medio Ambiente (incluyen-64
  • 65. • Reducir significativamente las emisiones de Recordemos que cada tonelada de aluminio gases de efecto invernadero. que se obtiene electrolíticamente produce un mínimo teórico de 1,23 toneladas de CO2 por • Cumplir o superar un objetivo de consumo oxidación anódica. Pero, el promedio real es energético máximo de 11 kWh/kg de alu- del orden de 1,7 toneladas de CO2 por tonelada minio, así como lograr otros objetivos de de aluminio. A esto hay que sumarle la emisión eficiencia energética establecidos por la de CO2 producida por la combustión de mate- industria. Este objetivo incluye la definición riales fósiles en las centrales térmicas y la for- de una generación de procesos (no Bayer y mación de compuestos perfluorocarbonados. Todo esto hace que la contribución a la polu- no Hall-Heroult) de eficiencia energética. ción ambiental de la industria del aluminio por el proceso Hall-Héroult ronde las 164 millones • Reducir el costo de la producción y pro- de toneladas anuales de CO2 o su equivalente. ductos de metal en un 25 % para 2020, reducir el uso de la energía en la fundición en un 25 % para 2020 y reducir el consu- mo de carbono a 0,4 kg por kg de aluminio.Desde el año 2003, la Asociación delAluminio y el Departamento de Energía de El plan de trabajo también incluye un resu-los EE.UU. vienen desarrollado un plan de men de las necesidades prioritarias de desa-trabajo tecnológico para la industria del alu- rrollo tecnológico:minio. Entre los objetivos principales seencuentran los siguientes: • Sustituir los electrodos de carbono consu- mibles por ánodos inertes o refractarios.• Superar la tasa de reciclado de cualquier otro Reducir los costos, mejorar la productivi- material reciclable, de modo de convertir a la dad, reducir el uso de energía y eliminar industria del aluminio en líder de la susten- los gases de efecto invernadero (tanto el tabilidad. El objetivo de máxima incluye CO2 como los compuestos perfluorcarbo- alcanzar un 100 % de reciclado de aluminio nados). El plan de trabajo define un con- para 2020 y cerrar la brecha de valor entre junto de características de rendimiento que los materiales vírgenes y reciclados. debe tener un ánodo inerte, incluyendo el comportamiento electroquímico, la con-• Producir un impacto positivo neto sobre el ductividad eléctrica, la tasa de erosión, las medio ambiente a lo largo del ciclo de vida propiedades mecánicas, la resistencia a la de los productos de aluminio que sustitu- oxidación y los beneficios económicos. yen al acero. Así, se ha estudiado que, en Actualmente, no hay materiales que satisfa- un automóvil, la sustitución del acero por gan todos o, al menos, la mayoría de estos el aluminio –menos denso– reduce la emi- requisitos. Sin embargo, el plan de trabajo sión de CO2 debido al mejor aprovecha- define los pasos críticos en el proceso de miento del combustible. Los cálculos indi- desarrollo tecnológico, desde la definición can que, a lo largo del ciclo de vida de un de los apuntalamientos químico y termodi- automóvil, cada kilogramo de aluminio námico de un proceso exitoso, estudios sustituyente reduce la emisión de CO2 en teóricos de tecnologías candidatas, hasta 20 kilogramos. demostraciones piloto y totales. 65
  • 66. • Las brechas de conocimiento en el procesa- vee líneas de tiempo y clasifica las necesidades miento de aluminio van desde la necesidad de I+D, basándose sobre diferentes procesos: de información fundamental sobre solidifi- cación, hasta predicciones sobre las relacio- • Producción primaria. nes entre la calidad del metal y la economía, • Fundición, solidificación y reciclado. optimización de los procesos de fabricación • Fabricación. de aleaciones, etc. Los temas a investigar • Desarrollo de aleaciones y productos termi- incluyen el desarrollo de modelos con capa- nados. cidad de predicción para todos los aspectos del procesamiento del aluminio, incluyen- Los objetivos estratégicos se alinean con los do fundición, solidificación y reciclado. Un objetivos de rendimiento de la totalidad de la segundo tema prioritario de investigación industria, para asegurar el oportuno cumpli- es el desarrollo de tecnologías de colada de miento de los objetivos. Los objetivos estraté- cintas y planchones para producir un pro- gicos se prevén a fin de establecer a la indus- ducto más uniforme con un mejor acabado tria del aluminio como líder en la economía de la superficie y una reducida segregación. mundial. El objetivo de desarrollo sustentable Otro tema de investigación es la integración es superar la tasa de reciclado de todos los de una variedad de conceptos que permitan otros materiales y establecerse como líder en la optimización de la planta de colada y sustentabilidad. La industria del aluminio fundición del futuro. apunta a generar un impacto positivo sobre el medio ambiente a lo largo del ciclo de vida de Otros aspectos importantes a investigar son los productos y, también, desea producir cero el uso de modelos computarizados, como emisiones de gases de efecto invernadero herramientas para evaluar las nuevas tecno- sobre una base del ciclo de vida. logías, y la necesidad de desarrollar mejores sensores para mejorar el control y la verifica- Para alcanzar los objetivos de sustentabili- ción de los procesos de producción y fabrica- dad, la industria ha definido ciertos objetivos ción de aluminio. de rendimiento: El Plan de Trabajo de Tecnología para la • Reciclado del 100 % del aluminio para 2020. Industria del Aluminio del IAI, iniciado en • Cierre de la brecha de valor entre los mate- 2003 se centra, principalmente, en tres áreas: riales nuevos y los reciclados, a fin de opti- mizar el valor de los productos reciclados. • Productos y mercados. • Uso del sistema establecido de registro de • Desarrollo sustentable y energía. resultados en el ciclo de vida en todas las • Recursos. industrias, para evaluar los avances • Producción de cero emisiones peligrosas El Plan de Trabajo define los objetivos de ren- para 2020. dimiento en la totalidad de la industria para rastrear los avances y lograr los objetivos estra- Sin embargo, el proyecto tiene sus detractores. tégicos que involucran las soluciones técnicas Grupos ambientalistas y otros grupos han cri- en estas áreas. El plan presenta objetivos deta- ticado el proyecto por razones económicas, llados específicos de cada sector, barreras tec- ambientales y de sustentabilidad a largo plazo. nológicas, y prioridades de I+D. También pro- Entre las preocupaciones se encuentran:66
  • 67. • Emisiones de gases de efecto invernadero, • Asuntos ambientales locales, tales como la debido a que sólo la combustión de los turbidez del agua en el depósito, y los ríos ánodos genera más de 50 millones de tone- y lagos afectados. ladas/año de CO2. • Soplado de polvo del barro rojo que queda• Emisiones de SO2, subproducto de los pro- al descubierto cuando el depósito está bajo. cesos de fundición de aluminio. El Protocolo de Kyoto y la reducción de emisión de emisiones como crédito para cumplir su meta contaminantes doméstica. El Mecanismo de Desarrollo Limpio y la Implementación Conjunta funcionan sobre la base Con el objetivo de reducir el "efecto invernadero" y de proyectos específicos, mientras que el promover el desarrollo sustentable, los países Comercio de Emisiones opera contra la meta gene- miembros de las Naciones Unidas sancionaron la ral que debe cumplir un país o una empresa. Convención de Cambio Climático. Bajo el paraguas de dicha Convención, en 1997 sancionaron el El Protocolo de Kyoto entró en vigencia el 16 de Protocolo de Kyoto donde los países industrializa- febrero de 2005. dos (definidos en su Anexo 1) se comprometieron a reducir sus emisiones de gases de efecto inverna- Los países que no están incluidos entre los más dero en un promedio de 5,2 % respecto del año industrializados, es decir, los países en vías de de- 1990, en un período de compromiso que abarca los sarrollo, no están obligados a cumplir metas de años 2008 a 2012. Los gases de efecto invernadero reducción de emisiones, en virtud del principio de definidos en dicho Protocolo son: dióxido de carbo- responsabilidades comunes pero diferenciadas; no (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O), CFC- pero, pueden aprovechar sus ventajas comparati- HFC-PFC, y el hexafluoruro de azufre (SF6). vas de costos a través del Mecanismo de Desarrollo Limpio. El objetivo es que los países más Mecanismos de mercado del Protocolo de Kyoto industrializados hagan sus reducciones de emisio- nes donde el costo marginal sea más bajo. Debido a que los gases de efecto invernadero se mezclan en la atmósfera, la solución más económi- Los proyectos de Mecanismo de Desarrollo Limpio ca es reducirlos donde el costo marginal de reduc- otorgan créditos computables contra las cuotas de ción sea más bajo. A tal efecto, el Protocolo de emisión asignadas a los países más industrializa- Kyoto introduce tres mecanismos de mercado flexi- dos. Estos créditos se denominan unidades de bilizadores: reducción de emisión certificadas. Estos certifica- - Implementación conjunta (Art. 6): Sólo pueden dos también son llamados bonos de carbono. hacerla los países incluidos en el Anexo 1 (los más Toda reducción de emisiones debe ser verificada por industrializados). Un país desarrollado puede hacer una "Entidad Operacional". Para que un proyecto inversiones para reducir la emisión, tanto en otro califique para obtener los bonos de carbono, debe país desarrollado como en un país en vías de desa- demostrar: a) una reducción real, medible y a largo rrollo, donde los costos de reducción sean meno- plazo de las emisiones, b) que la reducción es adi- res, y computar dicha reducción como crédito para cional a la que se produciría en ausencia del proyec- cumplir su meta interna de reducción. to. Para demostrar la adicionalidad se requiere cons- - Venta de permisos de emisiones (Art. 17): Sólo truir una línea de base, que representa la situación pueden hacerla los países incluidos en el Anexo 1; de desarrollo más probable en ausencia del proyec- posibilita la venta de cupos de emisión. Los países to. Estas disposiciones han dado lugar a la creación que excedan sus metas de reducción podrán ven- de un incipiente mercado de bonos de carbono. El der sus excedentes a los países deficitarios. Banco Mundial ha sido uno de los impulsores de este - Mecanismo de desarrollo limpio (Art. 12): A dife- mercado al constituir, en el 2000, un fideicomiso rencia de los anteriores, no está limitado a los paí- denominado "Fondo Prototipo Carbono" destinado a ses del Anexo 1. Según este mecanismo, un país invertir en proyectos de Implementación Conjunta y más desarrollado puede efectuar inversiones en de Mecanismo de Desarrollo Limpio. países menos desarrollados y usar la reducción de 67
  • 68. A los efectos de reducir el impacto ambiental do diversos materiales para que funcionen que genera la producción electrolítica de alu- como ánodos inertes –entre ellos, la hemati- minio, se han propuesto diversos paliativos. ta, el óxido de estaño (IV), aleaciones de El de mayor viabilidad en el corto plazo es ferrita de níquel y cobre, etc.–. incentivar el reciclado; esto produce un doble efecto: por un lado, reduce el consumo Tanto los cátodos humectables como los áno- de electricidad en un 95 % y, por otro, no dos inertes están en etapa de experimenta- genera CO2. Otra de las herramientas viables ción y aún no se aplican industrialmente. en el corto plazo es mejorar los métodos de controlar la concentración óptima de la alú- Se han propuesto algunos métodos alterna- mina en el baño electrolítico, para minimizar tivos al proceso Hall-Héroult. Algunos hasta la producción de PFC cuando esa concentra- se han aplicado a escala industrial. Así, en la ción cae por debajo del umbral del "efecto década de 1960, Alcan desarrolló el proceso anódico". catotérmico subhaluro o proceso de monocloru- ro de aluminio, mediante el cual se reducía la Para el corto y mediano plazo, quizás estén bauxita con carbón, y el aluminio así obte- disponibles a escala industrial los llamados nido se purificaba mediante un método en "cátodos humectables". En el baño electro- el que se empleaba monocloruro de alumi- lítico, el aluminio líquido que se deposita nio. Pero, se encontró que el consumo de en el fondo de la celda no "moja" al cátodo energía era mayor que el proceso Hall- de carbón. Se están experimentando mate- Héroult y que, además, presentaba muchos riales que permiten un mejor contacto; problemas debido a la corrosión, por lo que entre ellos, el TiB. Este material tiene exce- fue abandonado. lente conductividad eléctrica, es "mojable" por el aluminio líquido y, cuando funciona Para la misma época en que Alcan ponía en como cátodo, es muy resistente a la corro- funcionamiento su proceso, la Toth sión, tanto por el aluminio como por los Company puso en funcionamiento una demás componentes del baño electrolítico. planta en la que se trataba, a alta tempera- Cubriendo el fondo ligeramente inclinado tura, arcilla con carbón y cloro para obtener del carbón de la celda con una capa de cloruro de aluminio. Esta sal era tratada boruro de titanio y proveyendo de un sumi- con manganeso con lo que se formaba clo- dero apropiado para colectar el aluminio ruro de manganeso y aluminio. Mediante la líquido, se reduce sensiblemente la distan- acción del aire sobre el cloruro de manga- cia ánodo-cátodo (ACD) que es la principal neso se regeneraba el cloro y el óxido de causa del sobrevoltaje que se produce en la manganeso formado era, luego, reducido a celda. La ACD de las celdas más modernas manganeso por calentamiento con carbón. es de unos 5 cm; pero, mediante los cáto- Alcoa –Aluminum Company of América– dos humectables podría reducirse esa dis- intentó, también, un método alternativo tancia a menos de 4 cm, con lo que el vol- mediante el cual se calentaba alúmina con taje requerido para la electrólisis podría carbón y cloro para producir cloruro de bajar de 4,1-5,2 V a menos de 3,5 V. aluminio anhidro. Del cloruro de aluminio se obtenía el aluminio por electrólisis en Otra manera de reducir la contaminación celdas con electrodos de grafito. Los pro- sería emplear ánodos inertes. Se han ensaya- blemas técnicos que presentaba el proceso68
  • 69. hicieron que la empresa discontinuase estamanera de producir aluminio. La Office of Energy Efficiency and Renewable Energy es una dependencia del Departamento de Energía de los EE.UU. De su página web: w w w . eer e. ener gy . gov / i ndus t r y / al um i num / com pleted_rd.html pueden bajarse diversos archivos en formato pdf sobre los diversos aspectos de los proce- sos de elaboración del aluminio que pueden reducir el consumo de energía y la emisión de contaminantes. 69
  • 70. 2. LOS MINERALES DE HIERRO COMO MATERIA PRIMA El hierro El hierro constituye cerca del 1,51 % en peso acero es la presencia de ciertos elementos que de la corteza terrestre. Es uno de los siete puedan dificultar el proceso o que le comuni- metales conocidos desde la antigüedad. quen al producto características indeseadas. Aunque muy raramente se encuentra libre en la naturaleza, la facilidad con que sus óxidos En la Argentina hay yacimientos de minera- son reducidos por el carbón y la abundancia les de hierro en la región Noroeste (Jujuy, de éstos en la superficie terrestre, hicieron Salta, Catamarca y La Rioja), en la región posible su descubrimiento y aplicación a la cuyana (Mendoza, San Juan y San Luis) y en fabricación de utensilios y armas. ciertas zonas de la Patagonia. Sin embargo, hoy en día, no se cuenta con ningún yaci- El hierro se encuentra en numerosos minerales miento ferrífero en funcionamiento en escala y mineraloides: magnetita (Fe3O4), hematites de explotación industrial. De hecho, la Fe2O3), limonita (Fe2O3 . nH2O), siderita industria siderúrgica se provee íntegramente (FeCO3), pirita (FeS2), etc. Si bien hay una de mineral de hierro importado –especial- diversidad de minerales de hierro distribuidos mente, desde Brasil–. sobre la corteza terrestre (óxidos, carbonatos, sulfuros, sulfatos, silicatos, etc.), son pocos los Hasta mediados de la década de los 90 fun- minerales usados comercialmente como fuente cionó el yacimiento de Sierra Grande, en la de hierro. La razón estriba en el porcentaje de provincia de Río Negro, explotado por metal –o ley– que el mineral contenga. Para ser HIPARSA, Hierro Patagónico Rionegrino SA, utilizados en la industria siderúrgica, estos que proveía de mineral a los establecimientos materiales deben siderúrgicos más importantes, ubicados sobre contener un míni- la ribera del Paraná. El yacimiento se encuen- mo de 40 % de La magnetíta contiene, tra en la cuenca ferrífera de Sierra Grande, en hierro; las impure- teóricamente 72,3 % las proximidades de la localidad del mismo zas (ganga) que de hierro, la hematita nombre, a 130 kilómetros de la localidad de siempre acompa- 69,9 %. En cambio, el San Antonio Oeste. La estructura dominante contenido teórico de ñan a los minera- de este yacimiento es un anticlinal, cuyo hierro en la pirita es de les, disminuyen apenas 46,6 %. Los núcleo ha sufrido un proceso intrusivo que este porcentaje de porcentajes reales dis- transformó la hematita original (Fe2O3) en hierro. minuyen debido a la magnetita (Fe3O4). Tiene la forma de un ganga. manto de dirección general N-S y aflora a lo Otro factor que largo de más de 3 km. El espesor medio es de puede condicionar el uso de un mineral de hie- 10 m, en tanto la profundidad alcanzada rro como materia prima para la obtención de hasta el presente con conocimiento de las70
  • 71. El mayor productor mundial de mineral de Un grupo inversor chino arribará hoy a Sierra hierro es Brasil, seguido de Australia. En la Grande para efectuar un estudio técnico del tabla se dan los tonelajes brutos de la pro- complejo de Hiparsa. La comitiva es especial- ducción de los principales países producto- mente técnica y la integran una docena de pro- fesionales, la mayoría con especialidades en res. Si se considera el contenido en hierro los procesos y áreas mineras instaladas en la metal, en 2001, Brasil alcanzó los 125 millo- localidad rionegrina. El gobierno provincial nes de toneladas, Australia 113 millones y tiene marcadas expectativas pero, pública- China –que, en mineral, supera a ambos paí- mente, aparece como moderado en sus actitu- ses–, dado el bajo contenido en hierro de sus des. Los responsables de la comitiva china se menas, produjo unos 73 millones. reunirán esta semana -seguramente, el mar- tes- con el ministro Juan Accatino. Pero, el Según información suministrada por FIME- gobernador Miguel Saiz recién tendrá contac- SA19, la producción de mineral de hierro lati- tos cuando concurran a Río Negro con "el pro- yecto de iniciativa privada", comentó una fuen- noamericana, en 2004, se desarrolla en niveles te gubernamental, expresando así que la admi- similares a 2003. Los incrementos no resultan nistración no quiere alentar mayores expecta- significativos en términos comparativos. Sin tivas públicas en los primeros contactos. En embargo, la CVRD (la principal empresa total reserva, una delegación mínima visitó minera brasileña) tiene previstas fuertes inver- Sierra Grande hace algunos días. Ahora, el siones a corto plazo. Por una parte, construirá grupo lo componen técnicos para profundizar un nuevo muelle en el puerto de Ponta de así cualquier alternativa productiva18. Madeira, a fin de elevar su capacidad hasta los 56 millones de toneladas anuales, permitiendo la entrada a barcos de hasta 2.000.000 tonela-características del mineral, es de 800 m. La das de porte bruto. También pretende ampliarmineralización se compone, principalmente, sus instalaciones, tanto de minería como dede magnetita, con turingitas y hematitas beneficio en Carajás, tras el desarrollo de uncomo minerales secundarios. nuevo depósito que elevará la producción de Carajás en un 30 %. Estas expansiones sonLas reservas comprobadas del yacimiento son necesarias para suministrar mineral a la plan-cercanas a los 90 millones de toneladas, ta de pelletización, con capacidad para 6mientras que las probables alcanzarían los millones de toneladas por año, que se terminó200 millones de toneladas. de construir en 2002. Por otra parte, CVRD firmó un acuerdo con el mayor fabricante deEl complejo minero industrial de Hiparsa acero de China, Shanghai Baosteel Group Corp.,está integrado por la mina subterránea pro- para crear una joint-venture20 al 50 %, Baovalepiamente dicha, plantas de beneficio –mag- Mineraçao SA, a fin de explotar una mina ennética y por flotación–, transporte del con- Agua Limpia (Minas Gerais, Brasil) para pro-centrado, pelletización, playa de productos ducir 8 millones de toneladas de mineral determinados y embarcadero. Se ha llamado a hierro por año.licitación internacional, lo que ha concita-do el interés de algunos empresarios, entre MBR, otra empresa brasileña, está ampliandoellos inversores chinos. su capacidad de producción en las minas de18 La Nación (06/06/2004).19 FIMESA, Financiera Metropolitana SA (2004) Estadísticas mineras.20 Es una asociación circunstancial entre dos o más empresas para encarar una actividad de resultado incierto. 71
  • 72. PRODUCCIÓN DE MINERAL DE HIERRO EN BRUTO21 –EN MILES DE TONELADAS– Países 1999 2000 2001 2002 2003e Argelia 1.336 1.645 1.291r 1.202r 1.3783 Australia 154.268 167.935 181.553 182.704 187.219 Austriae 1.7525 1.800 1.800 1.900 1.800 Azerbaijane -- NA NA NA NA Bosnia & Herzegovinae 150 150 150 150 150 Brasil 194.000 212.576r 210.000 212.000r 212.000 Bulgaria 699 559 464r 373r 375 Canadá4 33.900 35.427r 26.981r 30.969 31.000 Chile 8.345 8.729 8.834 7.269r 7.300 Chinae, 5 237.000 223.000 220.000 231.000 261.000 Colombia 576 660 637 688r 625p Egipto 2.700e 1.900 2.600 2.300 2.900 Franciae 250 -- -- -- -- Alemania 100 -- -- -- -- Grecia e, 6 1.600 1.500 1.500 1.500 1.500 Guatemala 11 16 15 15e 15 India 70.220 75.950 79.200 94.300r. e 105.500 Indonesia 584 489r 469r 379r 2455 Irán 10.776 12.370 10.300 11.300 16.000 Japón 1 1 1 1 1 Kazakhstan2 9.091 16.160 14.140 15.423 17.3115 Kenya NA 1 1 1 1 Corea del Nortee 3.800 3.800 4.200 4.100r 4.300 República de Corea 410 336 195 157r 150 Macedoniae 15 15 15 15 15 Malasia 337 259 376 404 5975 Mauritania 10.400 11.345r 10.302r 9.600e 10.100 México 11.475 11.325 8.783 9.900r 11.200 Marruecos 7 6r 8 9r 45 Nueva Zelanda7 2.303 2.692 1.636 1.700r. e 1.900 Nigeria -- 25 25 25 -- 21 British Geological Survey. Index Mundi y United States Geological Survey Mineral Resources Program y World Mineral Statistics 1997-2001.72
  • 73. Noruega 520 543e 500 515 515Perú 3.949r 4.144r 4.564 5.494 5.2295Portugal8 16 15e 15 15e 15Rumaniae 131 116r 292r 341r 315Rusia 81.311 86.630 82.500 84.236 91.7605Serbia & Montenegroe 50 50 -- -- --Eslovaquia 479 477 435r 326r 325Sudáfrica8 29.508 33.707 34.757 36.484 38.0865Suecia 18.558 20.557 19.486 20.300r. e 21.500Tailandia 123 (10) (10) 570 105Túnez 219 182 204 198 164Turquía 4.846 4.076 3.932 4.500 3.700Uganda: Limonite 3 2 -- -- -- Other (10) 2 1 --r --Ukrania 47.769 55.883 54.650 58.900 62.498Reino Unido 1 1 1 1 1U.S.A. 57.749 63.089 46.192 51.570 46.447Venezuela 14.051 17.353 16.902 16.684r 17.954Vietnam 300 300 300 300 300Zimbabwe 599 451 361 272 367Total 1.016.289r 1.078.251r 1.050.568r 1.100.089r 1.163.770e estimado; p: preliminar; r: revisado; NA: no disponible, cero.1 La tabla incluye datos disponibles hasta el 16 de julio de 2004.2 Los datos de Azerbaijan, Kazakhstan, Corea del Norte, y Ucrania fueron informados por el U. S.Geological Survey3 Informado.4 Incluye algunos subproductos.5 Los valores de la producción china son excesivamente altos porque este país informa la produccióncon un contenido promedio de hierro del 33 %, mientras que los demás países informan sólo las can-tidades de mineral usable.6 Mineral de níquel-hierro.7 El cálculo de mineral en bruto parte de una estimación del 60 % de hierro en él.8 Concentrados de arenas con magnetita y mineral de titanio.9 Incluye minerales de hierro y manganeso. 73
  • 74. Tamanduá y Capitao de Mato, que reempla- 32 %), por lo cual el país está invirtiendo en zarán a las de Aguas Claras y Matuca. Una minas en otros países, a través de joint-ventu- primera línea de su planta de beneficio en res, como la ya citada en Brasil y también en Capitao de Mato se amplió en 2001; la Australia. Así, Shanghai Baosteel Group segunda línea se completó en 2003. Cada Corp. firmó un acuerdo con Hamersley Iron línea tiene una capacidad de producción de 8 Ore Pty Ltd. (100 % de Río Tinto), para for- millones de toneladas de mineral por año. mar una joint-venture y explotar mineral de hierro en el oeste de Australia La nueva mina China, primer productor mundial de acero, se sitúa 10 km al este de la mina Paraburdoo, seguirá incrementando su producción en los en la región de Pilbara. Hamersley suminis- próximos años. Aunque cuenta con grandes trará a Baosteel 200 Mt/año durante los 20 recursos propios de mineral de hierro, su años de duración del joint-venture. contenido en Fe es bajo (aproximadamente, PROPIEDADES FÍSICAS DEL HIERRO22 Símbolo Fe Número de registro CAS 7439-89-6 Masa atómica promedio (u.m.a.) 55,847 Masas isotópicas (u.m.a.) y abundancia relativa : 54Fe 53,939612 . (5,82 %) 56Fe 55,934939 . (91,18 %) 57Fe 56,935396 . (2,1 %) 58Fe 57,933277 . (0,28 %) Densidad a 20 ºC (g. cm-3) 7,869 Punto de fusión (K) 1809 Punto de ebullición (K) 3273 Calor específico 0 - 100 ºC (cal 0,111 g-1 ºC-1) Capacidad calorífica molar a presión constante 23,97449 + 8,67750t + 0,000277t2 - 0,000086 t3 - entre 298 y 1809 K en J. K-1 mol-1 - 0,000005/t2 (t =K/1000) Capacidad calorífica molar del líquido a presión 46,02400 -1.884667×10-8t + 6.094750 × 10-9 t2 - constante entre 1809 y 3133 K en J. K-1 mol-1 - 6 ,640301×10-10/t3 -8.246121 × 10-9/t2 (t =K/1000) Calor molar de fusión (a 1809 K y 1 bar) 12,40 kJ.mol-1 Conductibilidad térmica a 18 ºC (cal.cm-1. ºC-1.s-1) 0,16 Coeficiente de dilatación lineal (ºC-1) 1,3 x 10-5 Módulo de elasticidad longitudinal (kg. mm-2) 21.070 Resistencia a la tracción (kg. mm-2) 22,0 Alargamiento a rotura (L = 5D) 50,0 % Dureza Brinell (Hd) 60 22 National Institute of Standards and Technology.74
  • 75. El hierro cristaliza en el sistema cúbico. El sistema hierro-carbono• Por debajo de los 910 ºC, la celdilla ele- mental es cúbica intracentrada. El valor de la temperatura de transición de la• Hasta los 768 ºC tiene propiedades magné- forma α a la forma β del hierro se modifica ticas (hierro α); a esta temperatura, desapa- por la presencia de otros elementos. Al agre- recen las propiedades magnéticas (hierro β) gar otros elementos al hierro, se produce un y la arista de la celdilla elemental aumenta cambio en el intervalo de temperaturas den- ligeramente de 2,86 a 2,90 ångstrom. tro del cual la forma γ es estable. Además,• A los 910 °C se produce la transformación como efecto secundario, se produce una a hierro γ, en el cual la celdilla es cúbica de variación de la velocidad del cambio de fase. caras centradas.• A partir de los 1401°C es cúbica intracen- Entre los elementos que se agregan al hierro, trada (hierro δ) estructura que se mantiene el carbono es el que más influye en sus pro- hasta los 1530 ºC –temperatura a la cual el piedades, pudiendo formar con aquel tanto hierro funde–. mezclas como compuestos definidos. Los distintos cambios que provoca la presenciaPor lo tanto –en sentido estricto–, el hierro de carbono en el hierro, se suelen representartiene sólo dos formas alotrópicas: en un diagrama llamado diagrama hierro-car- bono. En este diagrama se consideran todas• la α, estable hasta 910 °C y desde 1401 las variantes de composición y sus respecti- hasta 1530 ºC, y vas temperaturas de equilibrio para mezclas• la γ que sólo es estable entre 910 y 1401 °C. de hierro con hasta un 6,67 % de carbono. Se han estudiado aleaciones con contenidos deSin embargo, los cambios de estado son hasta 12 % de carbono; pero, como carecenrelativamente lentos; especialmente, a de valor industrial, la parte correspondientemedida que disminuye la temperatura del del diagrama suele despreciarse.metal. Así, es bastante frecuente encontrarambas formas fuera de sus límites de tem- El diagrama es de solubilidad parcial en elperatura. estado sólido y puede presentarse en dos tipos:Se puede obtener hierro de elevada purezaelectrolizando soluciones de sus sales (cloru- • estable, cuando considera las mezclas deros, sulfatos, etc.). En este proceso se utiliza hierro con carbono grafítico;chatarra de hierro como ánodo. El hierro • metaestable, cuando considera al carbonopuro así obtenido es muy frágil; sin embargo, formando parte de la cementita.al ser sometido al proceso de recocido, sevuelve dúctil, adquiriendo buenas propieda- Las temperaturas a las cuales tienen lugar lasdes eléctricas y magnéticas. Pero, en la indus- transiciones se suelen indicar con la letra Atria no se utiliza el hierro puro sino aleado seguidas de una c –del francés chauffage– si secon otros e1ementos entre los cuales el más verifican al calentar, y con la letra A seguida deimportante es el carbono. una r –del francés, refroidissement– si se regis- tran al enfriar. Para una transformación dada Ac y Ar pueden diferir en varios grados debi- 75
  • 76. Diagrama hierro-carbono. Se representan las temperaturas en ordenadas y los porcentajes de carbono en el hierro en abscisas. Las líneas continuas representan el sistema metaestable hie- rro-cementita, mientras que las líneas punteadas representan el sistema estable hierro-grafito. La cementita es una sustancia que contiene 6t67 % de carbono y que responde a la fórmula Fe3C. Es estable a altas temperaturas pero al enfriarse tiende a descomponerse con separación de grafito. Para las aplicaciones industriales es más importante el diagrama, metaestable ya que a las velocidades a las que se enfrían en el proceso las aleaciones forman cementita.76
  • 77. do a fenómenos de histérisis térmica. Así para Si se tiene, por ejemplo, un líquido con 1,5 %el equilibrio Fe (α) Fe (γ) , Ac es 910 °C y de carbono –P1 en el diagrama– y se loAr es 899 °C. enfría hasta 1420 ºC, comenzará a separar- se un sólido austenítico cuya composiciónTodas las mezclas líquidas que contengan estará dada por P2. Como este sólido sóloentre 4,3 y 6,67 % de carbono depositan contiene 0,5 % de carbono, el líquido secementita sólida al ser enfriadas. Por lo enriquece en carbono y su composición setanto, al disminuir la temperatura, la com- mueve a lo largo de la curva AB. A tempera-posición de la fase líquida se empobrece en turas elevadas, los fenómenos de difusióncarbono aproximándose a la señalada por el son rápidos, de modo que, a medida que sepunto E1. produce el enfriamiento, la composición de la austenita varía según la línea P2D.Al enfriar mezclas líquidas que contengan Cuando el líquido alcanza la composiciónentre 0,5 y 4,3% de carbono, estas depositan dada por el punto P3, la austenita deposita-austenita –una solución sólida de carbono en da tiene el 1,5 % de carbono.hierro– y, a medida que disminuye la tempe-ratura, la composición del líquido se aproxi- Si el líquido contiene más de 1,7 % de car-ma a la indicada por el punto E1. bono –por ejemplo, un líquido cuya com- posición y temperatura estén dadas por elEl punto E1 corresponde a una mezcla punto P4 del diagrama– irá depositandoeutéctica en la cual el sólido tiene 52 % de austenita a medida que se enfría y, al alcan-cementita y 48 % de austenita. Esta mezcla zar la composición del eutéctico, solidifica-eutéctica se conoce como ledeburita y funde rá sin cambios posteriores, con lo cual ela 1145 ºC. sólido estará formado por ledeburita y aus- tenita primaria.Las mezclas líquidas que tienen menos de0,5 % de carbono depositan, por enfriamien-to, una fase transitoria de hierro α. 77
  • 78. En el gráfico anterior, la región I corresponde las que contienen más de 4,3 % se dicen a composiciones y temperaturas a las cuales hipereutécticas. la austenita es estable en solución. En la región II, la austenita es estable como fase Asimismo, las fases sólidas que se forman sólida homogénea. Como se puede apreciar antes de alcanzar la composición eutéctica o en el diagrama, el contenido máximo de car- eutectoidea se denominan, respectivamente, bono en esta región es 1,7 %. proeutéctica y proeutectoidea. Un acero que contenga 0,5 % de carbono formará ferrita proeutectoidea y perlita, mientras que una El porcentaje de carbono en la aleación permi- mezcla que contenga 3 % de carbono separa- te definir: rá inicialmente austenita proeutéctica y lede- burita. • como aceros, todas las aleaciones de hierro que contienen menos de 1,7 % de carbono, La solubilidad del carbono en la austenita • como fundiciones a todas aquellas aleacio- disminuye de un 1,7 % a 1135 ºC hasta el nes que contienen más de 1,7 % de carbono. 0,89 % a 723. Por ese motivo, a medida que disminuye la temperatura, la austenita libera carbono como cementita. Cuando el enfria- La austenita sólida que se encuentre a tempe- miento alcanza los 723 ºC, la austenita se raturas superiores a los 723 ºC y que conten- vuelve inestable y se transforma en perlita. ga entre 0,89 y 1,7 % de carbono, al alcanzar por enfriamiento la curva DE, sufre un proce- La cementita es inestable a bajas temperatu- so de disyunción, en el cual se separa cemen- ras y se descompone en carbono y ferrita. La tita. Mediante este proceso, la austenita se grafitación de aceros y fundiciones puede ser empobrece en carbono hasta que, al alcanzar acelerada por otros elementos. Todas las fun- el punto E con un 0,89 % de carbono, se diciones comerciales tienen grafito libre, ya transforma en una mezcla eutectoidea espe- sea como copos gruesos, como partículas cial. Esta mezcla eutectoidea tiene una estruc- finas o como nódulos. tura cristalina característica llamada perlita. La perlita está formada por ferrita –hierro α con trazas de carbono– y cementita. Las aleaciones austeníticas que contengan Fundiciones; clasificación menos de 0,89 % de carbono, liberarán ferri- y propiedades ta a lo largo de la curva FE, hasta alcanzar la composición eutectoidea. Las fundiciones tienen innumerables usos; A los aceros que contienen menos de 0,89 % sus ventajas más importantes: de carbono se los suele llamar hipoeutectoi - deos y a los que tienen entre 0,89 y 1,7 % de • Son más fáciles de maquinar que los aceros. carbono, hipereutectoideos. • Se pueden fabricar piezas de diferente tamaño y complejidad. Análogamente, las aleaciones que contienen • En su fabricación no se necesitan equipos entre 1,7 y 4,3 % se dicen hipoeutécticas y ni hornos muy costosos.78
  • 79. • Absorben las vibraciones mecánicas y actú- La fundición blanca, perlítica, es de una an como autolubricantes. dureza muy elevada, pero es frágil. Su dure-• Son resistentes al choque térmico, a la corro- za y fragilidad hacen que sea muy difícil sión y tienen buena resistencia al desgaste. mecanizarla en máquinas-herramientas nor- males. La fundición gris, ferrítica, es lo sufi-El carbono presente en las fundiciones, cientemente tenaz para los usos comunes ypuede encontrarse como grafito, como puede mecanizarse con relativa facilidad.cementita y en solución sólida, asociadotanto a la forma α como a la forma γ. El sili- La fundición gris ideal debe tener el grafitocio, producido por reducción parcial de la disperso regularmente en nódulos o flóculosescoria, promueve la formación de grafito. pequeños, ya que las láminas de grafito actú-Por el contrario, un enfriamiento rápido de la an como núcleos de corrosión.aleación fundida puede mantener al carbonocombinado en el sólido. De allí que las canti- Se puede obtener una buena fundición gris adades relativas de carbono libre y combinado partir de un metal fundido con 3,5 % de car-están determinadas por la historia térmica bono y 1 % de silicio. Justo antes de produ-previa, por el contenido de silicio y –en cirse la fusión, se le agrega un 2 % de siliciomenor medida– por otros elementos. como ferro-silicio o siliciuro de calcio, y alre- dedor de 0,1 % de cerio o magnesio. A veces,La llamada fundición blanca presenta formas se prefiere agregar níquel en vez de silicio, yaestructurales inestables a temperatura ambien- que el níquel no afecta la estructura perlíticate, ya que consiste, fundamentalmente, en y descompone a la cementita, dando grafitoperlita y cementita. La llamada fundición gris en copos pequeños. Las fundiciones con basepresenta formas estructurales con equilibrio de níquel tienen la ventaja de presentar unaestable a temperatura ambiente, conteniendo, estructura consistente, aunque varíe el tiem-principalmente, ferrita y grafito. po de enfriado. Si se aumenta el contenido de níquel hasta un 4-5 %, se estabiliza la formaSe suele distinguir otra variedad de fundición, austenítica de hierro γ formada en la solidifi-la llamada atruchada. Su característica es que cación inicial.presenta puntos claros sobre fondo oscuro, oviceversa, debido a que tiene una matriz de Uno de los elementos que afectan el proce-fundición blanca combinada parcialmente con so de obtención de una fundición es el azu-fundición gris. El carbono se encuentra libre y fre. La presencia de azufre aumenta la visco-combinado, siendo difícilmente maquinable. sidad de la fase líquida, dificultando la cola- da. Si bien estabiliza a la cementita, el azu-El color de la fundición no está determinado fre forma un sulfuro ferroso de bajo puntopor el porcentaje de carbono –que, general- de fusión que torna quebradizas a las fundi-mente, no supera el 4,3 %– sino por el esta- ciones y facilita el agrietamiento del mate-do en que éste se encuentre: combinado o rial al solidificar.como grafito. Generalmente, la fundicióngris tiene un porcentaje de carbono inferior a Mientras que el silicio favorece la separaciónla blanca. La temperatura de fusión varía del grafito, el manganeso, en pequeños por-entre 1100 ºC para la fundición blanca y centajes, favorece la permanencia del carbo-1200 ºC para la fundición gris. no combinado como eementita. 79
  • 80. El fósforo forma un eutéctico de bajo punto El peso específico varía con la composición de fusión que contiene Fe3P, La adición de y, por consiguiente, con el aspecto de la fun- 0,1 % de fósforo da mayor fluidez a la colada dición; se puede admitir, por término medio: pero disminuye la carga de ruptura de la fundición resultante. • Fundición gris: 7 a 7.2 • Fundición atruchada: 7.3 a 7.4 Al solidificar, las fundiciones sufren una con- • Fundición blanca: 7.4 a 7.6 tracción de volumen, con la consiguiente for- mación de tensiones internas. Después de La temperatura de fusión varía con la com- solidificar, la fundición blanca continúa su posición y el aspecto de la fundición. En pro- contracción a medida que se enfría. Su con- medio es: tracción es casi igual a la del acero (16 a 18 por 1000). En la fundición gris se observa un • Fundición negra gris: 1200 °C aumento de volumen, debido a la separación • Fundición blanca: 1100 °C de grafito cuya densidad es considerable- mente más baja que la de la fundición o del La dureza de las fundiciones es relativamen- hierro. te elevada. La fundición gris tiene una dure- za de 140 a 250 Brinell y se puede mecanizar Por calentamiento prolongado a 300-400 ºC fácilmente, porque la viruta se desprende y, especialmente, por calentamientos repeti- mejor y por la presencia de grafito liberado, dos, las fundiciones experimentan un que lubrica el paso de la viruta sobre el corte aumento irreversible de volumen que, en de la herramienta. algunos casos, puede llegar hasta un 30 %. Este aumento de volumen se debe tanto a la La dureza de una fundición blanca puede descomposición de la cementita como a la tomar valores superiores a los 350-400 Brinell. oxidación del hierro y del silicio. Esta carac- terística hace inadecuado el uso de la fundi- Las fundiciones especiales se producen para ción a temperaturas superiores a los 400 ºC. obtener materiales con alta resistencia mecá- nica, para aumentar la resistencia a la corro- Según el tipo de fundición, la carga de ruptura sión, para poder trabajar a altas temperaturas varía entre 1750 y 4400 kg/cm2; la densidad o para conferirles determinadas propiedades oscila entre 7,1 y 7,2 g/cm3 y la conductibili- magnéticas, eléctricas, químicas, etc. dad térmica entre 0,11 y 0,12 cal.s-1.cm-1 °C-1. Fundición maleable. Se obtiene empaquetan- Generalmente, a la fundición blanca no se le do fundición blanca en recipientes cerrados realizan tratamientos térmicos, excepto fabricados de una aleación de hierro resisten- cuando se emplea para obtener función te a la temperatura y calentando esa fundi- maleable. En cambio, la fundición gris se ción en un horno hasta 900 ºC durante tres somete al tratamiento de recocido para elimi- o cuatro días. Durante el calentamiento, la nar las tensiones internas producidas duran- cementita se descompone gradualmente en te la colada, para mejorar las propiedades grafito y ferrita, mientras que la perlita se mecánicas transformando la perlita laminar transforma en austenita. Al enfriar lentamen- en globular o para descomponer la cementi- te, se deposita más grafito que cementita, de ta que pudiera hallarse presente. modo que el material frío contiene, princi-80
  • 81. palmente, ferrita y grafito; este último, bien agujas– y una resistencia a la tracción de 4000disperso como flóculos o nódulos pequeños. a 5000 kg/cm2, una elevada resistencia al impacto y una dureza Brinell de 300 a 350, loDebido a la manera de enfriarse, el interior que permite que sea maquinada.de la fundición tiene mayor porcentaje decarbón libre, de allí que se la llame fundición Fundición especular. Es una aleación de hie-maleable de núcleo negro. Se puede obtener rro con hasta un 20 % de manganeso que seuna fundición maleable de núcleo blanco utiliza para fabricar aceros especiales.recubriendo la fundición primaria con Fe2O3y Fe3O4 molidos antes de recocer. De estamanera se oxida el carbono, obteniéndose A través de la página web www.acerosare -una ferrita residual casi completamente libre quipa.com, Corporación Aceros Arequipa SAde grafito o cementita muy parecida al hierro pone a disposición, en formato digital (archi-batido pero sin las inclusiones laminares de vos PDF), el libro "El acero. Lo que hay queescoria que presenta este último. Una forma saber" que abarca los interesantes y didácti- cos temas de la historia del acero, la caracte-menos común de fundición maleable se rización de su microestructura, su proceso deobtiene aumentando la velocidad de enfria- fabricación y de laminación, que se puedenmiento después que se ha estabilizado la bajar a la computadora.forma austenítica. De esta manera se lograuna estructura perlítica. Las fundiciones male-ables constituyen materiales tenaces y fácil-mente deformables en frío; tienen una cargade ruptura del orden de los 3180 kg/cm2 y sucontenido de fósforo suele ser de 0,1 %, paralas de núcleo blanco, y de 0,2 %, para las denúcleo negro. Se las utiliza, principalmente, Obtención del hierro a par-en las juntas de cañerías y en el asiento de tir de los mineralesválvulas.Fundiciones resistentes a la temperatura. La historia del hierro es la historia del hom-Generalmente, contienen de 5 a 10 % de sili- bre. Desde su descubrimiento, en tiemposcio. Estas fundiciones pueden ser utilizadas primitivos, el hombre con su inventiva hasin peligro hasta 850 °C, sin que sean ataca- logrado convertirlo en acero y adecuarlo a losdas seriamente por el aire. Poseen una matriz múltiples usos que hoy tiene. Desde unade ferrita-silicio y grafito finamente dividido. aguja hasta un buque, desde un delicado ins-Pueden ser maquinadas; pero, la presencia trumento hasta la Torre Eiffel.de silicio hace algo más quebradiza a la baseferrítica. Si bien el hierro es conocido por el hombre desde hace más de 6000 años, se tienen muyFundición acicular. Es una fundición que con- pocos datos sobre su modo de obtención entiene 4 % de níquel, 1 % de manganeso y 1 % la antigüedad. En los Pirineos tuvo origen unde molibdeno. Tiene una estructura interme- procedimiento de obtención denominadodia entre la perlita y la martensita –solución forja catalana, el cual se utilizó hasta el siglosólida de carbono en hierro que cristaliza en XIV. Las forjas catalanas consistían en peque- 81
  • 82. ños pozos o en crisoles, con las paredes provocaba una fusión parcial del hierro. Según revestidas de arcilla, dentro de los cuales se las técnicas de trabajo, se podía obtener hierro introducía el mineral junto con una gran can- dulce, hierro duro y un material duro pero frá- tidad de carbón vegetal. El fuego era atizado gil llamado arrabio. Todos los procedimientos con fuelles manuales o accionados a pedal. citados eran directos, es decir, se obtenía el hie- En estos hornos no se alcanzaba la tempera- rro a partir del mineral. Posteriormente fueron tura de fusión del hierro, sino que se obtenía sustituidos por el una masa metálica esponjosa impregnada en proceso indirecto, escorias, las cuales se separaban mediante un mediante el cual, a batido enérgico. Operando de esta manera, partir del mineral, El arrabio se conside- apenas si se obtenía un tercio del hierro, el se obtiene primero raba un producto desechable debido a resto se perdía con la escoria. el arrabio y de este, su fragilidad; más por un tratamiento tarde comenzó a ser A partir del siglo XIV comenzó a utilizarse un posterior, la alea- aprovechado, fundién- horno llamado alto fuego, precursor de los ción de hierro con dolo y colándolo en actuales hornos de cuba. En estos hornos se el contenido de moldes. alcanzaba una temperatura más elevada, lo que carbono deseado. Los primeros hornos alto fuego accionados por fuelles manuales -siglos XIV o XV-, ilustrados por J.P. Guichard dArenc82
  • 83. Obtención de arrabio en el alto hornoEl mineral de hierro se calcina –para eliminar Un porcentaje cada vez más importante delel agua, descomponer los carbonatos, y oxi- mineral de hierro que se emplea para la obten-dar los sulfuros y la materia orgánica que ción del acero viene en forma de pellets.pudiera contener– y, luego debe, someterse aun proceso de reducción de tamaño, para Los pellets son preconcentrados de hierroque la reacción química ocurra eficientemen- aglomerado en forma de nódulos. Se manu-te. Para eso se puede triturar el material o facturan con un aditivo especial alcalino,pelletizarlo. Mediante la trituración se obtie- como caliza o dolomita, en plantas de pelle-nen granzas, que es la forma más común de tización. Sus dimensiones son de 9 a 16 mm.hierro comercializable. Generalmente, se losomete a un proceso de beneficio, para sepa- Las materias primas que se emplean en elrarlo de la ganga, con lo que aumenta su ley proceso de obtención de aceros y fundicionesde hierro al 60-63 %. Sus dimensiones son son, además del mineral de hierro, el carbónde 10 a 30 mm. -ya sea coque o carbón vegetal- y fundentes. Planta de arrabio en Hattinge, cuadro pin- tado en 1954 por Josef Steib (1883-1957) Pellets de mineral de hierro Granzas de mineral de hierro 83
  • 84. Esquema del proceso de pelletización del mineral de hierro84
  • 85. Cuando el coque –o el carbón vegetal– es de El alto horno está constituido por dos tron-tamaño grueso, se lo tritura hasta un tamaño cos de cono de distintas longitudes, unidosadecuado, y las partículas pequeñas y el por sus bases más anchas. El superior recibepolvo se separan por cribado. el nombre de cuba y el inferior se denomina etalage. La parte superior de la cuba, llamadaEn el interior del horno alto, los distintos tragante, lleva un doble cierre para impedircomponentes del mineral de hierro deben ser que escapen los gases. La parte más ancha deltransformados en productos fusibles, suscep- horno se llama vientre. Debajo del etalage setibles de ser separados. Para ello se utilizan halla el crisol, en el cual se recogen el hierrodistintos fundentes; si el mineral contiene fundido y la escoria. Cerca del fondo haygangas calcáreas, se usa un fundente ácido, varios tubos de bronce llamados toberas, atal como arena o arcilla, cuya combinación través de los cuales se introduce aire calientecon el material alcalino forma una escoria a presión. La escoria y el hierro se extraenfusible; en cambio, si las gangas son silíceas, por diferencia de densidad a través de dosse utiliza caliza o dolomita como fundentes. orificios llamados escoriero –o "bigotera"– yPara minerales con gangas silíceas y calcáre- piquera, respectivamente.as, se emplea bauxita. El alto horno se construye en acero revestidoLos materiales de partida, previamente pesa- interiormente de ladrillos refractarios arcillo-dos en carros-balanza, se vuelcan en vagone- sos o sílico-aluminosos, los cuales deben resis-tas que llevan esta carga hasta la boca del tir, además del calor, la erosión producida porhorno. el descenso de las cargas y por las reacciones químicas que se producen en su interior. La obtención del arrabio –hierro de primera Esquema de un alto horno fusión– en el horno alto insume grandes can- tidades de aire (de 4 a 5 m3 por kilogramo de carbón); para su obtención se utilizan turbo- soplantes accionados por el vapor que pro- ducen las calderas de una central termoeléc- trica. El aire procedente de los turbosoplan- tes ingresa a un sistema de estufas en las cua- les se calienta a 600-800 ºC. Como combus- tible, las estufas utilizan gas proveniente del horno alto, que ha sido convenientemente depurado. El aire caliente es inyectado al horno a través de las toberas, las cuales son refrigeradas exteriormente con agua. En la zona de introducción de la carga, la temperatura es de unos 150 ºC y, a medida que la carga desciende por la cuba, encuen- tra temperaturas cada vez mayores. 85
  • 86. Cuando se alcanzan los 400 ºC se produce la alcancen temperaturas del orden de los desecación de los materiales y los óxidos 1800-2000 ºC. Es en la zona de combustión hidratados se transforman en anhidros. donde se completan las reacciones de forma- ción de escoria y la desulfuración del arrabio. Alrededor de los 450 ºC se produce una reducción parcial del dióxido de carbono Debido a la refrigeración exterior, la tempe- proveniente de la combustión del coque en ratura en el crisol es de 1500-1600 ºC. En é1 las capas inferiores y se forma carbón, que se separa el arrabio de la escoria, la cual –por favorece la carburación del hierro. ser menos densa– forma la capa superior, protegiendo al metal de la oxidación. Cuando la temperatura alcanza los 700 ºC, se produce la reducción de los óxidos de hierro Al término de la operación, para extraer la por acción del monóxido de carbono. escoria se perfora el tapón de arcilla cocida que cierra la bigotera. Esta operación se Entre los 700 y los 1350 °C aumenta la conoce como "sangrado de la escoria". reducción del óxido de hierro por reacción Luego, se sangra el crisol por la piquera por directa con el carbón y tiene lugar la disocia- donde se extrae el arrabio. ción de los carbonatos de calcio y de magne- sio. En esta zona, también se produce una Por la chimenea sale una mezcla gaseosa que reducción parcial de los óxidos de mangane- contiene, aproximadamente, 24 % de CO, so, lo que, posteriormente, producirá sulfuro 12 % de CO2, 2 % de H2, 2 % de CH4 y un y silicatos de manganeso. 60 % de N2 (todos los porcentajes, en volu- men). Esta mezcla se destina, previa purifica- A los 700 ºC comienzan a formarse las esco- ción, para calefacción del aire o como com- rias primarias. Inicialmente, se forma silicato bustible en la central termoeléctrica. ferroso que, al reaccionar con la cal produci- da por la descomposición de los carbonatos, El proceso el alto horno se realiza de tal libera óxido ferroso. manera que los materiales se van cargando a medida que los productos fundidos –el arra- En el etalage, la temperatura varía entre 1350 y bio y la escoria– son sangrados del crisol. El 1550 ºC. En esta zona se produce la carbura- horno alto se mantiene, así, siempre cargado ción del hierro, que pasa del estado esponjoso y en sus distintas zonas se producen siempre al líquido. El óxido de manganeso se reduce las mismas reacciones. por acción del carbón y el silicato de manga- neso se descompone por acción de la cal. En la plataforma del horno alto hay dos cana- les: el canal de escoria, por donde la escoria El manganeso liberado se diluye en el arra- fluye desde la bigotera hacia las vagonetas bio. La escoria sufre, además, ciertas trans- que la recogen, y el canal de arrabio, por formaciones no muy bien estudiadas. donde el arrabio líquido fluye hacia vagones- termos (colada). Los vagones-termos trans- Las toberas insuflan aire a presión que quema portan parte del arrabio líquido hacia la ace- rápidamente el coque, produciendo dióxido ría y otra parte es conducida a una lingotera de carbono y liberando gran cantidad de a cangilones que lo transforman en lingotes calor. De allí que en la zona de combustión se fríos. Estos lingotes pueden ser utilizados86
  • 87. ESQUEMA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS QUE TIENEN LUGAR EN EL INTERIOR DE UN HORNO ALTO Reacciones de Reacciones de Reacciones de los Fenómenos los minerales las corrientes minerales con los gases gaseosas Eliminación de agua higroscópica, de hidratación, etc. Reducción indirecta Fe2O3 + 3 CO 2 CO CO2 + C del mineral. 2 Fe + 3 CO2 Depósito de C a partir CO2 + C 2 CO de CO. Descomposición de CaCO3 y MgCO3. Reducción directa del Fe2O3 + 3 C mineral. Fe + 3 CO Formación de las CaCO3 CaO + CO2 primeras escorias. Reducción de los óxi- FeO + SiO2 FeSiO3 dos de Mn. Fusión FeO.SiO2 + 2 CaO incipiente. CaO.SiO2 + FeO Fusión completa. MnO + C Mn + CO Reducción de MnO, SiO2 + 2 C Si + 2 CO SiO2 y P2O5. Carburación y sulfu- P2O5 + 5 C ración. 2 P + 5 CO Combustión de coque. CaO + FeS C + O2 CO2 Desulfuración y for- CaS + FeO mación completa de Mn + FeS CO2 + C 2 CO escorias. MnS + Fe Separación del arra- bio de la escoria.como carga fría en los hornos Siemens- • 3,5-4,5 % de carbono,Martin o destinados a talleres de fundición. • 0,5-2,5 % de manganeso, • 0,0017-0,1 % de azufre,El arrabio suele contener: • 0,03-0,1 % de fósforo y • 0,03-0,l % de silicio.• 91,0-94,0 % de hierro, 87
  • 88. Obtención de acero a partir del arrabio La transformación del arrabio en acero se en el largo de la llama revela que la decarbu- llama afino. El afino se puede realizar en dis- ración ha terminado. El proceso en el con- tintas aparatos. Entre los tipos de aparatos vertidor dura unos 20 minutos durante los que se emplean están los llamados "converti- cuales se pueden afinar de 10 a 25 toneladas dores". de arrabio. Esta rapidez no permite un con- trol muy exacto del proceso y. por lo tanto, Un convertidor es un gran recipiente en de la composición final del acero. forma de pera, revestido interiormente de material refractario, cuyo fondo está perfora- do. Mientras se vierte la colada líquida, el convertidor se mantiene en posición hori- zontal, para evitar que el líquido alcance los Convertidores Bessemer orificios del fondo. Una vez que se ha com- pletado la carga, el convertidor se endereza, Si la colada está exenta de fósforo, se usan los al mismo tiempo que comienza el soplado de convertidores Bessemer revestidos de refrac- aire a 2-3 atm de presión a través de los ori- tario ácido, cuarzo o arena amasada con arci- ficios del fondo. El oxígeno del aire oxida al lla. Con el aire insuflado se eliminan el sili- hierro formando FeO. Éste se disuelve, y cio, el carbono y el manganeso del arrabio. oxida el silicio y al manganeso. Los óxidos formados reaccionan con el SiO2 y con el revestimiento, formando una escoria que flota sobre el material fundido. Luego, comienza la oxidación del carbono. Cuando El proceso de pudelado el CO llega a la atmósfera se observan llama- radas de 7 a 9 metros en la boca del conver- El hierro dulce es un metal que contiene tidor, alcanzándose en el interior una tempe- menos del 0,01 % de carbono y no más de ratura de 1600 ºC. Una rápida disminución 0,003 % de escoria. Para su obtención, se Esquema del convertidor Bessemer Funcionamiento del converidor Bessemer (Routledge, R. Discoveries & Inventions of the Nineteenth Century. 1900).88
  • 89. requiere del proceso conocido como pude-lado. Antiguamente, el pudelado se hacía Sir Henry Bessemer,fundiendo arrabio y chatarra en un horno nació en Charlton,de reverbero de 230 kg; este horno era Hertfordshire. Fue, en gran medida un auto-calentado con carbón, fuel oil o gas. La didacta. Inventor pro-temperatura se elevaba lo suficiente como lífico, se lo conocepara que se produjera la oxidación el car- sobre todo por susbón, el silicio y el azufre. Para eliminar innovaciones en latodos los elementos diferentes al hierro, el siderurgia, que eleva-horno de pudelado debía estar recubierto ron enormemente lacon refractarios básicos (ladrillos refracta- producción anual derios con magnesita y aluminio). El material acero en Inglaterra,se retiraba del horno en grandes bolas en consiguiendo un Sir Henry Bessemer acero de gran calidad,estado pastoso. En la actualidad existen disponible a un costootros procedimientos, como el llamado (1813-1898) muy reducido.proceso Aston, en el cual en lugar delhorno de reverbero se usa un convertidor En 1856, Bessemer desarrolló un horno espe-Bessemer, con el que se obtiene mayor can- cial llamado convertidor, que podía producirtidad de material. El producto se utiliza cantidades mayores de acero refinado que lospara la fabricación de aleaciones especiales procesos hasta entonces conocidos. El siste-de metales. ma consistía en insuflar aire en el fondo del horno para que burbujeara a través del hierro fundido; así, el calor generado por la oxidación del carbono no sólo fundía el metal sino que lo refinaba.Convertidores Thomas En 1860 patentó el convertidor inclinado que produjo acero más eficazmente que el horno fijoComo los convertidores Bessemer están anterior. Mediante este horno se logró reducir elrevestidos interiormente de materiales ricos costo del acero de 40 libras a 20 libras por tone-en sílice, el silicio, el manganeso se separan lada. Mediante el proceso Bessemer, Grandel acero pero todo el fósforo queda en el Bretaña aumentó la producción de acero de 50.000 toneladas/año en la década de 1850hierro; por esta razón, el procedimiento hasta 1.300.000 to-Bessemer no es aplicable a materiales ricos en neladas/año en lafósforo. década de 1880.En 1875, Sydney Thomas empleó como Por su contribuciónrevestimiento del convertidor, un aglomera- al desarrollo de lado básico de óxido de magnesio y dolomita tecnología del ace-calcinada y termofraguada, para que en el ro, Bessemer fueproceso se puediera separar el fósforo. nombrado caballe- ro, en 1879. Ese mismo año, fuePosteriormente, el proceso de perfeccionó, Primer convertidor electo miembro deadicionándole CaO al hierro para que se la Royal Society. Bessemer (Scienceforme fosfato cálcico, el que queda en las Museum. Londres) 89
  • 90. escorias. De esta fuerte y suele tener alturas superiores a los manera, las escorias 6 metros. Se carga de manera tal de ocupar Thomas se emplean 1/8 de su volumen. Si la materia prima es como fertilizantes, pobre en fósforo, se añaden escorias ricas suministrando fós- con 12-25 % de P4O10. El hierro queda casi foro al suelo. completamente descarburado. Para corregir el porcentaje de carbono hasta los porcen- El calor liberado en tajes deseados, posteriormente, se añade la oxidación del fós- fundición especular para carburarlo ade- foro para formar cuadamente. P4O10 es muy eleva- do, alrededor de El acero bruto producido por el convertidor 3000 kJ/mol, lo que Thomas se vierte a calderos de colada; y de Sidney Gilchrist contribuye a facili- éstos se pasa a lingoteras de sección pris- Thomas (1850-1885) tar el proceso de mática donde se solidifica en los llamados obtención del acero. "tochos de acero". Estos son, luego, mani- pulados en caliente por el laminador, para El convertidor Thomas es de hierro forjado obtener los productos comerciales. Esquema del funcionamiento de un convertidor Thomas90
  • 91. HORNOS Hornos Siemens-Martin Este tipo de hornos fue desarrollado por Hornos Siemens-Martin Friedrich Siemens, en Alemania, en 1868. Ese mismo año, Pierre Martin, en Francia, mejoró el diseño. Hornos eléctricos De resistencia Por arco De calentamiento Pierre Martin Friedrich Siemens mixto (1826-1904) (1824-1915) A inducción Es un horno de reverbero revestido interior- a baja frecuencia mente de material refractario ácido o básico, según la naturaleza del material de afino. Tiene forma rectangular y utiliza como com- A inducción bustible fuel oil o gas de coque. El horno a alta frecuencia lleva adosadas cuatro cámaras recuperadoras de calor que permiten alcanzar altas tempe- raturas y economizar combustible. Los gases Hornos de crisol producidos por la combustión entran en las cámaras recuperadoras, donde calientan a los ladrillos refractarios en ellas apilados. Al cabo de unos minutos, los ladrillos alcanzan Convertidores a oxígeno los 1000-1150 ºC, entonces se invierte la cir- culación de los gases. De esta manera, duran- te la combustión se pueden obtener tempera- turas del orden de los 1800 ºC. Hornos básicos de oxígeno (BOF) Al arrabio se le puede agregar chatarra, mine- ral de hierro o ambos –en los dos últimos casos, se agregan fundentes–. El porcentaje Hornos de crisol abierto de carbono disminuye, en parte, por oxida- ción y, en parte, por dilución. Si el arrabio tiene elevados porcentajes de fósforo o azu- 91
  • 92. fre, se agregan fundentes básicos (caliza o colada y el acero fluye –por gravitación– a dolomita). Si se desea reducir el porcentaje través de un canal, llenando un recipiente de manganeso, se agregan fundentes ácidos llamado cuchara de colada. Eventualmente, a (cuarzo o arena). este recipiente se le agregan materiales de aleación, a fin de obtener aceros especiales. La forma en que se realiza la combustión En la cuchara de colada, la escoria excedente tiene mucha importancia, pues las llamas no sobrenada al acero; se la elimina dejándola sólo ejercen una acción calefactora sino tam- fluir a través de un canal de desborde hacia bién química: variando las proporciones de un recipiente llamado pote de escoria. Una combustible y aire se obtiene una atmósfera vez enfriada, es triturada y utilizada en la oxidante, reductora o neutra. La posibilidad carga del horno alto. de regular la influencia de la llama permite reducir notablemente la acción erosiva sobre Desde la cuchara de colada y a través de un las paredes y el techo. orificio ubicado en su fondo (llamado buza), el acero es vaciado en lingoteras de formas y El ciclo de fabricación del acero se inicia tamaños apropiados. dejando caer mineral de hierro y fundente y/o chatarra en los hornos. Al comenzar la El piso del horno Siemens-Martin sufre la fusión, se agrega arrabio, líquido o en lingo- acción continua del baño y la corrosión de la tes. Cuando funde toda la carga, se realizan escoria; las paredes y el techo están someti- sucesivos controles químicos y de temperatu- dos a la acción de la llama, de las altas tem- ra, a fin de efectuar los ajustes necesarios que peraturas, y a las salpicaduras de metal fun- den al acero las especificaciones previstas. Al dido y escoria. Los deterioros en la superficie cabo de varias horas se destapa el orificio de interior del horno requieren reparaciones Esquema del horno Siemens-Martin92
  • 93. periódicas. Estas reparaciones se efectúan • rendimiento térmico elevado (hasta unmediante una máquina que proyecta mate- 80 %) que compensa, en gran parte, el altoriales refractarios granulados, reconstruyen- costo de la energía eléctrica.do las zonas afectadas. Los hornos eléctricos son recipientes de cha- pas de acero y están revestidos interiormente de material refractario, ácido o básico, deHornos eléctricos acuerdo con las necesidades.Debido a las cada vez mayores exigencias de Estos hornos sólo se cargan con chatarra deaceros de calidad, un pequeño porcentaje del acero de alta calidad y están recubiertos conproducto del horno alto es refinado poste- ladrillos de la línea básica.riormente en hornos eléctricos. Las principa-les ventajas que ofrecen estos hornos son: Existen hornos de arco eléctrico que pueden contener hasta 270 toneladas de material fun-• Posibilidad de alcanzar temperaturas muy dido. Para fundir 115 toneladas se requieren, elevadas, del orden de los 2000-2500 ºC aproximadamente, tres horas y 50.000 kWh en los hornos grandes y hasta 3600 ºC en de potencia. También en estos hornos se los pequeños, inyecta oxígeno puro por medio de una lanza.• temperaturas fácilmente regulables,• ausencia de impurezas en el material tratado, La mayoría de los hornos operan con tensio-• posibilidad de trabajar en ausencia de aire nes de 40 V y con intensidad de corriente o en atmósfera especial, eléctrica de 12.000 A. Dibujo de corte de un horno eléctrico con revestimientos tipo ácido y básico 93
  • 94. Según el modo en que la energía eléctrica se reducida capacidad y elevado consumo de transforma en calor, los hornos eléctricos se energía y electrodos– han dado lugar a su clasifican en: reemplazo por hornos de arco directo (hor- nos Siemens, FIAT, Héroult, Tagliaferri, Hornos de resistencia. En estos hornos, la Girod, etc.); en éstos, los electrodos, dispues- transmisión de calor se efectúa tanto por tos verticalmente, se hacen descender hasta radiación como por conducción o por con- unos pocos centímetros de la superficie y el vección. Cuando el material a fundir forma arco salta entre los electrodos y la carga. El parte del circuito eléctrico y hace las veces de calentamiento se efectúa por radiación desde resistencia, se dice que el horno de resisten- los electrodos y como resultado del efecto cia es de calentamiento directo. En cambio, si Joule producido por la resistencia que ofrece la resistencia es independiente, el horno se la carga. Hay hornos de arco directo con sole- llama de calentamiento indirecto. Las resis- ra no conductora y con solera conductora. tencias utilizadas en los hornos de calenta- miento indirecto son de grafito o carborun- En los hornos de solera no conductora, el dum, y transmiten el calor por radiación o arco salta entre el electrodo y el baño metáli- por convección. co, atravesando la carga y saliendo por el otro electrodo (en circuitos trifásicos, la corriente En los hornos de resistencia se alcanzan tem- de cada arco se cierra en triángulo a través de peraturas de hasta 1800 ºC, con rendimien- la carga). Son de fácil manejo y regulación. tos variables según su construcción. Los hay de hasta 15-20 toneladas (Héroult, Siemens, FIAT, etc.) fijos o basculantes. Los pequeños funcionan con corriente alterna Hornos por arco. Utilizando este tipo de hor- monofásica y usan dos electrodos. Los de nos, se pueden alcanzar temperaturas de hasta mayor capacidad tienen tres electrodos ali- 3600 ºC. En los llamados de arco indirecto mentados por una corriente trifásica. El (hornos Stassano, Rennerfieldt, Bassanese, hecho que los arcos estén conectados en serie etc.) el arco se establece entre dos o tres elec- permite emplear tensiones de 100-120 volt, trodos, y el calor se transmite únicamente por menor intensidad de corriente y conductores radiación. Los electrodos están inclinados de más delgados. manera que deslizando uno respecto de otro se puede modificar la longitud del arco. En el Los hornos de solera conductora (tipo Girod) ánodo se pueden alcanzar los 3600 ºC, siendo tienen los arcos en paralelo. La corriente atra- la temperatura del cátodo 2700-2800 ºC. El viesa el arco y la carga, alcanzando la solera material a afinar se carga en recipientes de cie- conductora, que es refrigerada exteriormen- rre hermético, para evitar contaminaciones. te. Si bien presenta ciertas ventajas sobre los Estos recipientes son, a menudo, basculantes, hornos de arco con solera no conductora, con lo que se facilita la mezcla. Pueden operar exige un costoso mantenimiento de la solera. con carga fría o fundida, y el revestimiento refractario interior se elige de acuerdo con la naturaleza del material de afino. Hornos de calentamiento mixto. En ellos, el calor es producido, en parte, por la resisten- Algunos inconvenientes de los hornos por cia eléctrica y, en parte, por la circulación de arco indirecto –larga duración de la fusión, corriente a través del material que se afina.94
  • 95. Hornos a inducción a baja frecuencia. En Horno de crisolestos hornos, el calor necesario para fundir lacarga se obtiene del efecto Joule originadopor corrientes eléctricas inducidas. Estánprovistos de un arrollamiento primario connúcleo magnético alimentado directamentepor la corriente eléctrica. La inducción elec-tromagnética provoca el paso de la corrientepor la carga metálica, que funciona como elsecundario de un transformador. Estos hor-nos permiten una regulación amplia, la cargafunde rápidamente, con el consiguiente aho-rro en crisoles y refractarios. Las pérdidas porradiación son pequeñas y se logra una mayorhomogeneidad en el material, debido a losmovimientos que la corriente eléctrica pro-duce en el interior de la carga. Trabajan concorriente alterna (250-500 volt) y con una nación del material con los gases de combus-frecuencia de 5-25 hertz, a fin de que el fac- tión. Una vez lleno, se coloca el crisol en eltor de potencia (cos ϕ) no disminuya mucho. horno durante 3-4 horas. Después de produ-La temperatura óptima de trabajo oscila alre- cida la fusión, se deja un tiempo en reposodedor de los 1350 ºC. para desoxidar el metal fundido. El horno tiene forma cilíndrica. Dentro de él,Hornos a inducción a alta frecuencia. Estos el crisol se apoya sobre un pilar de materialhornos operan a 500-1000 hertz; esto permi- refractario de 8-10 cm de altura. Los crisoleste llegar a los 2500 ºC en 10 minutos. Estos son de pequeño tamaño y su vida útil es limi-hornos no poseen núcleo magnético, sino tada, ya que se estropean tanto al ser apreta-que consisten en un enrollamiento espiralado dos por las tenazas durante su transportealrededor de un crisol que contiene el mate- como por su exposición a cambios bruscosrial a fundir. Sus rendimientos son algo infe- de temperatura.riores a los de baja frecuencia y su costo deinstalación es mayor; pero, las pérdidas por Estos hornos usan gas o petróleo como com-merma son inferiores al 1 %. bustible.Hornos de crisol Convertidores a oxígenoLos hornos de crisol fueron uno de los pri- Desde mediados del siglo pasado se hanmeros hornos empleados para producir ace- logrado notables progresos en la fabricaciónros de calidad. La carga se introduce en tro- del acero; especialmente, con la introducciónzos pequeños dentro de un crisol que se de los convertidores a oxígeno, en los que secubre con una tapa, para evitar la contami- emplea un chorro de oxígeno puro lanzado 95
  • 96. sobre la superficie de la carga fundida, para línea básica y a la inyección del oxígeno. La que se produzca la rápida conversión de la carga del horno está constituida por 75 % de colada en acero. Los distintos sistemas –LD arrabio procedente del alto horno; el resto es (Linzer-Düsenverfahren), OLP, Kaldo, etc.– chatarra y cal. La temperatura de operación del utilizan convertidores similares al Bessemer, horno es superior a los 1650 °C y es conside- pero sin perforaciones en el fondo, o bien rado como el sistema más eficiente para la pro- recipientes cilindricos de eje horizontal. Los ducción de acero de alta calidad. Este horno recipientes pueden ser fijos o rotatorios. fue inventado por Sir Henry Bessemer a media- Mediante lanzas especiales, se dirige un cho- dos de 1850; sólo que –como, en esa época, la rro de oxígeno que roza la superficie del producción del oxígeno era cara– se inició con baño o penetra en su interior. El proceso la inyección de aire, con lo que surgió el con- dura unos 15 minutos, obteniéndose pro- vertidor Bessemer, el que ya hemos descrito. ductos de elevada pureza, exentos de nitró- geno, fósforo y azufre. Estos aceros poseen muy buenas propiedades mecánicas y se hallan libres de escorias. Hornos de crisol abierto Los hornos de crisol abierto funcionan a altas temperaturas, gracias al precalentado regene- rativo del combustible gaseoso y el aire empleados para la combustión. En el precalentado regenerativo, los gases que escapan del horno se hacen pasar por cámaras llenas de ladrillos, a los que ceden la mayor parte de su calor. A continuación, se invierte el flujo a través del horno, de modo que el com- bustible y el aire pasen a través de las cámaras y sean calentados por los ladrillos. Mediante Convertidor LD esta técnica, los hornos de crisol abierto alcan- zan temperaturas de hasta 1.650 ºC. El horno propiamente dicho suele ser un cri- Hornos básicos de oxígeno sol de ladrillo plano y rectangular de alrede- dor de 6 × 10 m, con un techo a una altura (BOF) de 2,5-2,8 m. El crisol está intercomunicado con una planta de trabajo y ambos están Es un horno muy parecido al Bessemer, con la situados sobre las cámaras de regeneración gran diferencia que a este horno –en lugar de de calor del horno. inyectar aire a presión– se le inyecta oxígeno a presión, con lo que se eleva mucho más la tem- El horno se carga con una mezcla de arrabio peratura que en el Bessemer y en un tiempo (fundido o frío), chatarra de acero y mineral muy reducido. El nombre del horno se debe a de hierro. Como fundente se emplea caliza; que tiene un recubrimiento de refractario de la se le suele agregar fluorita, para que aumen-96
  • 97. te la fluidez de la escoria. Las proporciones removiendo los gases (oxígeno, hidrógeno yde la mezcla varían según la naturaleza de la nitrógeno) que fueron absorbidos o formadoschatarra y el tipo de producto a obtener. durante el proceso de fabricación. Con esto se evita que, al solidificar, se produzcan defectosPor oxidación de la mezcla, se reduce el con- en el acero como inclusiones de óxidos, sopla-tenido de carbono a los valores deseados, a la duras, grietas internas, que pueden aumentarvez que impurezas –tales como silicio, fósforo, la fragilidad del producto terminado.manganeso y azufre– se separan por combina-ción con la caliza, formando la escoria. El La desgasificación del acero líquido se efectúahorno se mantiene a una temperatura com- volcándolo en una lingotera en la cual se haceprendida entre 1550 y 1650 ºC, lo que hace vacío; con esto se consigue que los gases oclui-que el metal se encuentre en estado líquido. dos escapen a través de la superficie del metal fundido, succionados por una bomba de vacío.La composición del metal fundido se pruebaextrayendo una muestra que se somete a aná-lisis físicos y químicos. Cuando se alcanza elcontenido de carbono deseado, se sangra elhorno a través de un orificio situado en su Proceso de coladaparte trasera. Un horno de las dimensiones continuaindicadas más arriba produce unas 100 tone-ladas de acero cada 11-12 horas. Cuando se requiere un material de secciónEl acero fundido que sale del horno fluye constante y en grandes cantidades, se puedepor un canal corto, hasta una gran cuchara utilizar el método de la colada continua, con-situada a ras de suelo. Mediante esta cucha- sistente en colocar un molde con la formara, se vierte el acero en moldes de hierro que se requiere debajo de un crisol, el quecolado, para formar lingotes –generalmente, con una válvula puede ir dosificando mate-de sección cuadrada de unos 0,50 m de lado rial fundido al molde. Por gravedad, el mate-y 1,5 m de longitud–. En los procesos de rial fundido pasa por el molde, refrigeradocolada continua, el metal líquido que fluye externamente por un sistema de agua. Aldel horno es transportado a la sección de ela- pasar por el molde frío, el material fundidoboración del producto final. se vuelve pastoso y adquiere la forma del molde. Posteriormente, el material es confor- mado con una serie de rodillos que, al mismo tiempo, lo arrastran hacia la parte exteriorProceso de desgasifi- del sistema. Una vez conformado el material con la forma necesaria y con la longitud ade-cación del acero fundido cuada, el material se corta y almacena. Por este medio se pueden fabricar perfiles, vari- llas y barras de diferentes secciones, y lámi-Luego de producido –en cualquiera de los hor- nas o placas de varios calibres y longitudes.nos presentados–, el acero líquido puede refi- La colada continua es un proceso muy eficaznarse aún más, para lograr un producto de alta y efectivo para la fabricación de varios tipospureza y homogeneidad. Esto se consigue de materiales de uso comercial. 97
  • 98. TRATAMIENTOS TÉRMICOS MÁS IMPORTANTES Tratamientos térmicos que se aplican al acero Recocido Las propiedades del acero pueden modificar- Verdadero o completo se mediante cambios de temperaturas efec- tuados a determinadas velocidades. Todos aquellos procedimientos destinados a variar De maleabilidad la estructura y las propiedades físicas del acero por calefacción y enfriamiento se lla- man tratamientos térmicos. De cristalización Recocido. Muchas piezas de acero presentan tensiones internas debidas a las operaciones De distensión a las que han sido sometidas. Estas tensio- nes pueden provocar grietas y aún la ruptu- Templado ra, de piezas aparentemente muy resisten- tes. Para evitar estos inconvenientes se recu- rre al recocido. Tratamientos químicos El recocido consiste en calentar la pieza hasta Cementación determinada temperatura, dejándola enfriar, luego, lentamente. Cianuración El recocido tiende a eliminar las tensiones internas, reconstituir la estructura primitiva y Nitruración reducir la excesiva dureza de un acero. Según la temperatura a la cual se calienta el Calentamiento acero, se distinguen: Temple Recocido verdadero o completo. Consiste en por inducción calentar el acero hasta una temperatura supe- rior a la que corresponde a su transformación Temple en austenita y, luego, dejar enfriar lentamente. oxiacetilénico Las velocidades de calentamiento y de enfria- miento deben controlarse rigurosamente. Revenido • Un calentamiento prolongado puede pro- vocar la coalescencia de las fases o la for- Refinado mación de cristales de tamaño grande que le restan tenacidad al material.98
  • 99. • Un enfriamiento rápido aumenta la dureza Recocido de distensión. Se efectúa para eli- y la fragilidad del acero. minar las tensiones provocadas por operacio- nes de deformación en frío. Este recocido seDurante el recocido puede producirse la des- realiza manteniendo al acero a 500-600 ºCcarburación de la superficie de la pieza o durante unas horas. Luego, se lo deja enfriarreacciones indeseables con los gases del en el horno. Este tratamiento no provocahorno. Estos inconvenientes se evitan efec- cambios estructurales.tuando el recocido en atmósfera reductora. Templado. Mediante ciertos procedimientosRecocido de maleabilidad. Se efectúa mante- se puede obtener una mayor dureza que laniendo los aceros al carbono a 710-720 ºC que le corresponde por su porcentaje de car-durante algunas horas para, luego, dejarlos bono. Estos procedimientos se llaman deenfriar en el horno. Con este recocido se eli- endurecimiento.minan las zonas quebradizas, y el material sevuelve dúctil y apto para ser maquinado. El endurecimiento de una pieza de acero puede ser:Recocido de cristalización. Es un procedi-miento similar al anterior, mediante el cual • total, cuando afecta a toda su masa,las zonas quebradizas se eliminan por recris- • parcial, cuando afecta a una parte otalización. Se efectúa a 600-700 ºC. • superficial, cuando se produce sobre su superficie. Algunas propiedades de los aceros recocidos 99
  • 100. El endurecimiento total puede lograrse Cuando un acero se forja, lamina, estira, etc. mediante una variación cristalográfica cono- por debajo de su punto crítico inferior, se dice cida como temple. que se trabaja en frío. Al trabajar un acero en frío, se produce una deformación de su estruc- El temple consiste en calentar al acero hasta tura cristalográfica que trae aparejados un que adquiera una estructura austenítica y aumento de tenacidad, del límite elástico y de enfriarlo bruscamente. En algunas celdillas, un la dureza; pero, se reduce la ductibilidad. La átomo de carbono ocupa el centro del cubo. Al deformación en frío produce el deslizamiento pasar a la forma α, el átomo central debe ser de ciertos planos de átomos, distorsionando reemplazado por uno de hierro. Esta sustitu- los cristales en la dirección del esfuerzo. ción requiere cierto tiempo; por eso, enfriando rápidamente, el átomo de carbono queda apri- La deformación en frío es particularmente sionado en la celdilla cúbica y, cuando el acero útil para darle mayor dureza a aquellos ace- se encuentra por debajo de los 250 ºC, la sus- ros que, por su reducido porcentaje de car- titución del átomo de carbono por el de hierro bono, no pueden ser templados. es imposible. Esta temperatura se llama punto martensítico. Un acero bien templado presenta El endurecimiento superficial puede efectuar- al microscopio un aspecto acicular, estructura se tanto por reacción química sobre la super- que se llama martensita. Cuando el tamaño de ficie como por un calentamiento local intenso. las agujas es muy pequeño, la estructura acicu- Los tratamientos químicos más usuales son: lar recibe el nombre de hardenita. Enfriando con velocidades inferiores a la crítica (que es la • la cementación, menor velocidad que permite la transforma- • la cianuración y ción directa de la austenita en martensita), • la nitruración. pueden lograrse es- tructuras interme- Los métodos más comunes de endurecimien- dias (sorbita y tro- Como se recordará, la to superficial por calentamiento son: ostita). La marten- austenita es una solu- sita es el producto ción de carbono en • el temple por inducción y más duro derivado hierro γ. • el temple oxiacetilénico. de la austenita y, para aceros con elevado porcentaje de carbono, Cementación. Es un procedimiento median- tiene una dureza Rockwell entre 64 y 70. te el cual se aumenta el porcentaje de carbo- no en la superficie de un acero. Se aplica a El temple se efectúa en aceros con más de aceros con menos de 0,4 % de carbono y 0,4 % de carbono. Un enfriamiento rápido y produce una gran dureza superficial combi- continuo hasta temperatura ambiente permi- nada con una gran tenacidad en el núcleo. La te obtener la máxima dureza; pero, es bastan- superficie endurecida se puede regular a te común que el acero se agriete. Para preve- voluntad. Los materiales empleados para nir este inconveniente, el enfriamiento se rea- cementar pueden ser sólidos, líquidos o liza en dos etapas: primero, se enfría rápida- gases. La cementación se efectúa en recipien- mente hasta 200-250 ºC (usualmente, sumer- tes cerrados a 870-930 ºC. Según el tiempo giendo la pieza en un baño de aceite) y, luego, de exposición, se obtienen capas cementadas lentamente hasta temperatura ambiente. de 0,125 a 0,875 mm de espesor.100
  • 101. La química de la cementación es bastante superficie con un chorro de agua, a tempera-complicada. En todos los casos, se verifica tura ambiente, que sale del inductor. De esteuna reacción del CO proveniente del mate- modo, se obtiene una estructura martensíticarial cementante sobre la superficie del acero: muy fina que, sin embargo, le confiere al2 CO CO2 + C. Parte del carbono se acero una dureza mayor que en los procesosdisuelve en la fase austenítica, difundiendo comunes de temple.hacia el núcleo, y parte forma cementita. Temple oxiacetilénico. El calentamientoEl acero cementado se enfría rápidamente y superficial puede también efectuarsese vuelve a templar a 750-800 ºC, para darle mediante la llama de un soplete oxiacetiléni-la mayor dureza compatible con el porcenta- co seguido de un rápido enfriamiento conje de carbono. agua. Como la temperatura de la llama del acetileno es de 3100 ºC, se verifica un calen-Cianuración. Es un proceso en el cual se tamiento más intenso en un lapso bastanteemplean como cementantes líquidos, mez- menor que en el temple por inducción.clas de cianuros o ferrocianuros alcalinoscon CaCl2 o NaCl. El baño es calentado a Revenido. Los aceros templados, si bien tienen815-900 ºC durante 10-30 minutos, según el elevada dureza, son quebradizos y poseen ten-espesor de la capa endurecida que se desee. A siones internas. De allí que, en casi todos losaltas temperaturas, los cianuros o ferrocianuros casos, se calientan las piezas a temperaturasse descomponen liberando carbono, obtenién- que usualmente no superan los 320 ºC duran-dose capas de extraordinaria dureza pero de te lapsos variables, dejándolas enfriar, final-0,1-0,25 mm de espesor. Las piezas cianuradas mente, en forma lenta. Este tratamiento sese enfrían directamente en agua o en aceite. llama revenido. El revenido elimina las ten- siones residuales y aumenta la tenacidad delNitruración. Es un proceso de endurecimiento acero. Si el tratamiento se produce a más desuperficial consistente en inyectar amoníaco 200 ºC, disminuye la resistencia y la dureza.anhidro a 480-650 ºC sobre la superficie de Si la duración del revenido es prolongada, laciertos aceros especiales. El amoníaco se des- dureza irá decreciendo paulatinamente, aún acompone, liberando nitrógeno. El nitrógeno temperaturas de 150-160 ºC.forma con el hierro una solución sólida y nitru-ros complejos (Fe4N) de gran dureza. El tiem- Refinado. El refinado es un tratamiento tér-po requerido puede llegar hasta las 90 mico destinado a conferirle propiedades par-horas, alcanzándose capas nitruradas de ticulares a un determinado tipo de acero. Si,hasta 0,8 mm de espesor con una dureza de por ejemplo, se necesita acero que soporte900 Brinell. elevadas temperaturas sin sufrir alteraciones en sus propiedades primitivas, se lo templa aTemple por inducción. Es un calentamiento 1070-1120 ºC enfriándolo en aceite y, luego,superficial producido por corrientes induci- se somete a un recocido durante una hora, adas de altas frecuencias (900-1100 Hz). Una 720-770 ºC.frecuencia tan alta permite alcanzar tempera-turas de hasta 840 ºC en menos de un segun- Un acero refinado no se oxida por debajo dedo. Cuando el acero alcanza la temperatura los 900 ºC, por lo que es particularmentedeseada, se corta la corriente y se rocía la apto para fabricar objetos que estén expues- 101
  • 102. tos a altas temperaturas. un gran número de tratamientos térmicos especiales, cromodifusión, metalización, cha- Además de los tratamientos descriptos existe peado, sherardización, etc. Producción de acero crudo PRODUCCIÓN DE ACERO CRUDO INFORMADA POR LOS 62 PAÍSES MIEMBROS DEL IISI (INTERNATIONAL IRON AND STEEL INSTITUTE) –EN MILES DE TONELADAS– País 2002 2003 2004 Al 10/2005 Austria 6 189 6 261 6 530 5 944 Bélgica 11 343 11 135 11 733 8 752 República Checa 392 6 791 7 033 5 083 Finlandia 4 003 4 766 4 831 3 923 Francia 20 258 19 758 20 773 16 244 Alemania 45 015 44 809 46 408 37 392 Hungría 1 840 1 989 1 942 1 586 Italia 25 970 26 832 28 334 24 396 Luxemburgo 2 719 2 675 2 684 1 741 Holanda 6 117 6 571 6 854 5 726 Polonia 894 9 107 10 648 6 959 Eslovaquia 4.275 4 588 4 454 3 687 Eslovenia 481 542 565 486 España 16 408 16 472 17 665 14 663 Suecia 5 753 5 707 6 001 4 750 Reino Unido 11 665 12 965 13 772 11 071 Otros U.E. (25) (e) 4.118 2 943 3 280 1 033 Unión Europea (25) 183 910 193 507 155 343 Unión Europea (15) 158 567 160 374 168 344 137 110 Croacia 33 41 78 0 Noruega 694 703 722 578 Rumania 5.492 5 691 5 708 4 769 Serbia y Montenegro 562 711 1 167 1 038 Turquía 16472 18 298 20 478 17 390 Otros europeos 45.814 25 445 28 153 23 774 Bielorrusia 1 484 1 591 1 792 1 655 Kazakhstan 4 814 4 898 5 385 3 709 Moldavia 514 850 1 011 877 Rusia 58 590 61 450 64 289 53 468 Ukrania 34 056 36 932 38 738 31 607 Uzbekistán 450 499 594 543102
  • 103. País 2002 2003 2004 Al 10/2005CIS (6) 23 99 908 106 220 111 809 91 859Canadá 16 002 15 927 16 428 12 983Cuba 268 210 186 194El Salvador 49 57 59 47Estados Unidos 92 241 93 677 98 545 77 399Guatemala 216 226 220 195México 14 051 15 178 16 701 13 539Trinidad y Tobago 817 903 820 750América del Norte 123 644 126 179 132 960 105 108Argentina 4 363 5 033 5 125 4 464Brasil 29 604 31 135 32 918 26 333Chile 1 280 1 377 1 568 1 298Colombia 663 668 745 698Ecuador 67 80 70 70Paraguay 80 91 107 88Perú 611 669 710 642Uruguay 34 41 55 52Venezuela 4 164 3 930 4 714 3 907América del Sur 40 866 43 024 46 012 37 552Argelia 1 091 1 051 1 014 796Egipto 4 316 4 398 4 757 4 700Libia 886 1 007 1 026 1 094Sudáfrica 9 095 9 481 9 504 8 014Túnez 200 86 63 NdZimbabwe 105 152 152 200África 15 692 16 174 16 517 14 805Irán 7 321 7 869 8 682 7 781Qatar 1 027 1 055 1 046 897Arabia Saudita 3 570 3 944 3 902 3 462Medio Oriente 11 918 12 868 13 631 12 140China 181 688 221 149 272 456 286 793India 28 814 31 779 32 626 30 869Japón 107 745 110 511 112 675 94 241Corea del Sur 45 390 46 310 47 521 39 544Taiwan 18 230 18 832 19 347 16 135Asia 381 867 428 581 484 625 467 582Australia 7 527 7 544 7 414 6 554Nueva Zelanda 765 853 868 708Oceanía 8 292 8 397 8 282 7 262Total 62 países 885 766 950 798 1035 495 915 425E: estimada23 Commonwealth of Independent States. Ex-repúblicas socialistas soviéticas. 103
  • 104. Aceros aleados ¿Sabía usted que… el puente de acero más largo del mundo es el puente Akashi-Kalkyo, Los elementos de aleación específicos y sus entre Kobe y Awaji-shima, Japón? cantidades determinan el tipo de acero de Tiene casi 4000 metros de longitud y aleación y sus propiedades particulares. para su construcción se emplearon 193.000 toneladas de acero. ACEROS ALEADOS Aceros al manganeso Aceros al níquel Aceros al cromo Aceros al cromo-níquel Otros Aceros al manganeso. Son aquellos aceros ternarios con más de 0,8 % de manganeso. El manganeso forma una solución sólida tanto con hierro γ como con hierro α, dismi- nuyendo la temperatura de la transformación alotrópica. Además, con el carbono forma Mn3C, isomorfo con la cementita y soluble en hierro γ. El manganeso actúa como desoxidante y, ¿Sabía usted que… también, neutraliza los efectos nocivos del la montaña rusa más larga del azufre, facilitando la laminación, moldeo y mundo se llama "Dragón de acero"? otras operaciones de trabajo en caliente. Está ubicada en Nagashima Spaland Aumenta el tamaño de los granos de un acero Mie. Japón. Tiene 2,5 km de largo y y lo hace sensible al tratamiento térmico, una caída de 97 metros. En ella, los especialmente al templado, en el cual dismi- coches alcanzan velocidades superiores nuye la velocidad crítica de enfriamiento. De a los 150 km/h. acuerdo con su estructura, los aceros al man- ganeso se clasifican en:104
  • 105. • martensíticos, hierro, carbono y cromo. El cromo es solu-• perlíticos y ble en hierro líquido y forma soluciones sóli-• austeníticos. das tanto con el hierro γ como con el hierro a. Se combina con el carbono formando dis-Los martensíticos son extremadamente duros tintos carburos, algunos de los cuales sonpara ser maquinados. Los perlíticos tienen isomorfos con la cementita y pueden quedar0,25-1,0 % de carbono y 0,8-20 % de man- retenidos en solución sólida por un enfria-ganeso; se utilizan para la construcción y miento rápido a temperatura ambiente. Elpara la fabricación de resortes. Los austeníti- cromo aumenta mucho la resistencia delcos tienen 0,90-1,3 % de carbono y 10-14 % acero a la corrosión (atmosférica, del agua ode manganeso; son aceros de excelente resis- de ácidos). Los aceros inoxidables tienentencia al desgaste. 0,30 % de C y 10-15 % de Cr.Aceros al níquel. Reciben este nombre las Aceros al cromo-níquel. Son aceros cuaterna-combinaciones ternarias hierro-carbono- rios donde el níquel está disuelto en el hierroníquel. El níquel no se combina con el car- g como en el hierro a, en tanto que el cromobono; pero, disminuye la velocidad crítica de puede estar disuelto como tal o como carbu-enfriamiento para el templado. Al igual que ros. Poseen elevado límite elástico combinadolos aceros al manganeso se clasifican, según con una mayor ductibilidad, dureza y resis-su porcentaje de carbono, en perlíticos, mar- tencia al desgaste, que los aceros al carbono.tensíticos y austeníticos. Los porcentajes de cromo y níquel varían según las propiedades requeridas. Un aceroLos perlíticos tienen menos de 0,5 % de car- que se ha popularizado es el llamado 18/8, debono y hasta 3,5 % de niquel; son de mayor gran resistencia a la corrosión. Contiene 18 %resistencia y ductibilidad que los aceros al car- de Cr y 8 % de Ni, y se utiliza para la fabrica-bono. Los martensíticos no tienen muchas ción de cubiertos, menaje, etc.aplicaciones, debido a que son muy duros. Losausteníticos tampoco encuentran mucha apli- Otros elementos que suelen entrar en la com-cación, ya que no posición de aceros son:son dúctiles y tie-nen bajo límite El invar es una alea- • Aluminio. Empleado en pequeñas cantida-elástico. Algunos ción con 36 % de Ni des, actúa como un desoxidante para el acerotipos de aceros al cuya dilatación a tem- fundido y produce un acero de grano fino. peratura ambiente esníquel austeníticos • Boro. Aumenta la templabilidad del acero prácticamente nula; seencuentran aplica- la emplea para fabri- (la profundidad a la cual un acero puedeción debido a la car instrumentos de ser endurecido).influencia del precisión. • Cobre. Mejora significativamente la resis-níquel en la dilata- tencia a la corrosión atmosférica.ción de la alea- Platinite, una aleación • Molibdeno. Mediante el aumento de la pene-ción. con 0,15 % de carbono tración de temple, mejora las propiedades y 46 % de níquel tiene del tratamiento térmico. Aumenta, también,Aceros al cromo. un coeficiente de dila- la dureza y resistencia a altas temperaturas. tación similar al vidrio.Como su nombre • Silicio. Se emplea como desoxidante y actúalo indica, tienen como endurecedor en el acero de aleación. 105
  • 106. SISTEMA DE DESIGNACIONES SAE-AISI PARA ACEROS Aceros Composición nominal Aceros Composición nominal Aceros Composición nominal al C al Ni-Cr-Mo 51xxx Cr: 1,02; C: 1,00 mín. Acero al C Ni:1,82; Cr: 0,50 y 0,80; 10xx 43xx 52xxx Cr: 1,45; C: 1,00 mín. (Mn: 1,00 máx) Mo: 0,25 Ni: 1,82; Cr: 0,50; Mo: 11xx Con S agregado 43BVxx al Cr-V 0,12 y 0,25; V: 0,03 mín Ni: 1,05; Cr: 0,45; Mo: Cr: 0,60, 0,80, 95. V: 0,10 12xx Con S y P agregados 47xx 61xx 0,20 y 0,35 y 0,15 Acero al C Ni: 0,30; Cr: 0,40; Mo: 15xx 81xx al W-Cr (Mn: 1,00 a 1,65) 0,12 Ni: 0,55; Cr: 0,50; Mo: al Mn 86xx 72xx W: 1,75; Cr: 0,75 0,20 Ni: 0,55; Cr: 0,50; Mo: 13xx Mn: 1,75 87xx al Si - Mn 0,25 Ni: 0,55; Cr: 0,50; Mo: Si: 1,40 y 2,00; Mn: 0,65, al Ni 88xx 92xx 0,35 0,82 y 0,85; Cr: 0 y 0,65 Ni: 3,25; Cr: 1,20; Mo: 23xx Ni: 3,50 93xx De baja aleación 0,12 Ni: 0,45; Cr: 0,40; Mo: 25xx Ni: 5,00 94xx 9xx Varios grados SAE 0,12 Ni: 0,55; Cr: 0,20; Mo: al Ni -Cr 97xx al B 0,20 Ni: 1,00; Cr: 0,80; Mo: 31xx Ni: 1,25; Cr: 0,65 y 0,80 98xx xxBxx B denota boro 0,25 32xx Ni: 1,75; Cr: 1,07 al Ni-Mo Con Pb Ni: 0,85 y 1,82; Mo: 0,20 33xx Ni:3,50; Cr:1,50 y 1,57 46xx xxLxx L denota plomo y 0,25 34xx Ni:3,00, Cr: 0,77 48xx Ni: 3,50; Mo: 0,25 al Mo al Cr 40xx Mo: 0,20 y 0,25 50xx Cr: 0,27, 0,40, 0,50 y 0,65 Cr: 0,80, 0,87, 0,92, 0,95, 44xx Mo: 0,40 y 0,52 51xx 1,00 y 1,05 al Cr y Mo Al Cr con alto % de C Cr: 0,50; 0,80 y 0,95; Mo: 41xx 50xxx Cr: 0,50; C: 1,00 mín 0,12, 0,20, 0,25 y 0,30106
  • 107. Además de los aceros aleados mencionados En el sistema SAE-AISI –Society of Automotiveexisten aceros al cromo-manganeso, al tungs- Engineers, American Iron and Steel Institute– losteno, al vanadio, al cromo-vanadio, etc. aceros se clasifican con cuatro dígitos XXXX: • los primeros dos números se refieren a los dos elementos de aleación más importantes y • los dos (o tres; porque, unos pocos acerosNomenclatura de los aceros; se identifican mediante números de 5 dígi- tos) últimos dígitos indican cuántos centé-sistema SAE-AISI simos de % de carbono se encuentra pre- sente en la aleación.La mayoría de las propiedades de los acerosestá determinada por su microestructura y Así, por ejemplo 1040 indica acero al carbo-ésta, a su vez, está determinada por el trata- no con 0,4 % de carbono; 1330, indica unmiento y la composición química. Uno de los acero con 1,75 % de mangeneso y 0,3 % desistemas más generalizados en la nomencla- carbono. En la tabla de la página anterior setura de los aceros es el que está basado en su da el sistema de designaciones que recomien-composición química. dan estas dos instituciones. Actividad 2.1. Corrosión de un Se suele hacer una distinción entre oxidación clavo de hierro directa y corrosión electroquímica. En los pro- cesos de oxidación, el metal, generalmente en La corrosión puede definirse como el deterio- estado de sustancia simple, forma cationes: ro de un material a consecuencia de un ata- que químico en su entorno. M → Mn+ + n e- Los metales pueden reaccionar por contacto Simultáneamente, tiene la reducción del oxí- con otros metales formando pilas electroquí- geno molecular: micas: Algunos pueden ser atacados por áci- dos; otros, como el aluminio, pueden ser ata- ½ O2 + 2 e- → O2- cados por bases. Estas reacciones redox provocan la formación Los metales que antiguamente se llamaban de una capa de óxido metálico sobre la superfi- "metales viles" pueden reaccionar con oxíge- cie metálica que, en algunos casos, se adhiere no formando los respectivos óxidos. En cam- firmemente, brindando protección frente a futu- bio, los "metales nobles" como el oro, el plati- ras oxidaciones. En otros casos, el óxido forma- no, etc., no se oxidan con facilidad. do queda retenido tan débilmente sobre 107
  • 108. la superficie que la acción de agentes óxido de hierro que se forma se desprende atmosféricos lo desprende, posibilitan- con facilidad de la superficie del metal, per- do que la corrosión continúe. Y, en otros casos, mitiendo que la oxidación continúe: la corrosión de un metal se produce por contac- to con otro que tiene un potencial de oxidación La oxidación del hierro a catión ferroso se mayor según la serie electroquímica. representa: Existe también un fenómeno de corrosión bajo 2Fe (s) + 2 Fe2+ (aq) + 4 e- esfuerzo. Los cationes ferrosos reaccionan con ferricia- El proceso de corrosión puede prevenirse de nuro potásico para producir un precipitado múltiples formas. Una de ellas es el recubri- azul, el azul de Turnbull. miento metálico. Estos recubrimientos se apli- can mediante distintas técnicas y forman pelí- H2O + K+ + Fe2+ (aq) + Fe(CN)63+ (aq) → culas protectoras sobre los metales que cubren. → KFe[Fe(CN)6. H2O Por ejemplo, en el caso del acero galvanizado (acero recubierto de cinc), el cinc tiene un Los electrones cedidos por el clavo reducen al potencial de oxidación mayor que el del acero y, oxígeno, el que se transforma en iones hidró- por lo tanto, en la interfase entre los metales, xido. Para poner en evidencia este proceso, se constituye el ánodo de la reacción. El acero usa fenolftaleín como indicador. La fenolftale- actúa como cátodo y no sufre oxidación alguna. ína, incolora en medio ácido o neutro, vira al color rosa en medio alcalino. En los ensayos que proponemos, se estudian las reacciones de oxidorreducción que tienen O2 + 2 H2O + 4 e- → 4 HO- lugar en varios clavos en los que se provocan fenómenos de corrosión. Se comprobará que, Los siguientes ensayos tienen por objetivos la en las zonas de los clavos donde el metal observación el proceso de corrosión y los cam- sufre las mayores tensiones, aumenta el bios que se producen en las superficies metáli- potencial anódico; esto es, el metal tiene cas cuando son tratadas con diversos agentes. mayor capacidad para oxidarse. Material y reactivos: El hierro en ambiente anhidro tiene una gran • Vaso de precipitado de 250 ml. resistencia a la oxidación. En cambio en • Placa de Petri. ambiente húmedo se oxida con facilidad. El • Clavos de hierro y de acero galvanizado.108
  • 109. Clavos cobreados y cromados. • punta de los clavos. Sin embargo, para apre- • Papel de aluminio. ciar mejor el efecto de la corrosión, es nece- • Gelatina o agar-agar en polvo. sario dejar las placas durante toda la noche • Ferricianuro potásico K3 [Fe (CN)6] 0,5 M. en los cajones de las mesas de prácticas. • Solución de fenolftaleína. • Se observa la coloración al día siguiente y se anotan las diferencias que aparecen en los El procedimiento es: distintos clavos. • Se prepara una disolución de agar-agar o gelatina en agua caliente. Proponga a sus alumnos: • Se vierte una cantidad (6 g) en 150 ml de 1. Consultar la tabla de potenciales de reduc- agua en un vaso de precipitados y se pone a ción estándar para el hierro y el aluminio, y calentar con agitación constante. responder a las siguientes preguntas: • Cuando la gelatina está completamente a) ¿Qué metal (Al o Fe) tiene mayor capaci- disuelta, se deja enfriar. dad para oxidarse? ¿Cuál de los dos es más • Cuando esté templada, con un cuentagotas oxidante? Si estos dos metales se ponen jun- se le añaden unas 10 o 12 gotas de la solu- tos en una disolución acuosa que contenga ción de ferricianuro potásico 0,5 M y unas 8- iones de ambos, ¿qué metal resultará reduci- 10 gotas de solución de fenolftaleína, siem- do y cuál oxidado? pre con agitación. b) De acuerdo con la respuesta del apartado • Se preparan dos placas de Petri24, cada una de a, ¿por qué los materiales de aluminio sufren ellas con tres clavos. En la primera, se coloca una corrosión mucho más lenta que los de un clavo normal, un clavo doblado por su parte hierro? El aluminio, es un buen protector para central y un tercer clavo galvanizado. En la evitar la corrosión del hierro? segunda placa de Petri, se coloca un clavo recubierto –en parte– de papel de aluminio, 2. Consultar la tabla de potenciales estándar de un clavo cobreado y un último clavo cromado. reducción y localizar otros metales que sean • En ambas placas se vierte la disolución de más fácilmente oxidables que el hierro y que, agar o gelatina (con el ferricianuro y la por tanto, puedan protegerlo de la corrosión. fenolftaleína) sobre los clavos, de manera que éstos queden completamente cubiertos 3. Algunas veces se ponen varillas de magne- por el agar y/o gelatina. sio metálico en los calentadores de agua, • Al cabo de unos minutos se puede observar ¿cuál es la razón? cierta coloración tenue en la cabeza y en la24 Es importante no mover la placa de Petri una vez colocados los clavos. 109
  • 110. Aceros inoxidables Hay otros aceros inoxidables Serie 400 –que son aceros inoxidables ferríticos– que tam- Dentro de la gran variedad de aceros merecen bién se consideran, simplemente, "al cromo"; destacarse, por su popularidad, los aceros ino- su contenido varía de 12 a 18 %, con conte- xidables. Los aceros inoxidables son una gama nido de carbono bajo de menos del 0,2 %. de aleaciones que contienen un mínimo de Los tipos más comunes son el AISI 430, 409 11 % de cromo. El cromo tiene la particulari- y 434. dad de formar una película pasivante, que inhibe la posterior oxidación del metal sobre la La propiedad más relevante es su buena superficie del acero que impide su corrosión resistencia a la corrosión. Su dureza no es por agentes atmosféricos o químicos. Esa pelí- muy alta y no puede incrementarse por trata- cula es extremadamente delgada, continua y miento térmico. estable. La resistencia a la corrosión y la diver- sidad de propiedades y características secunda- Los principales usos de este tipo de aceros rias, presentes en los aceros inoxidables hacen son para la fabricación de equipos y utensi- de ellos un grupo de aceros muy versátiles. lios domésticos, y en aplicaciones arquitectó- nicas y decorativas. Los aceros inoxidables tienen una resistencia mecánica que es más del doble que la del Los aceros inoxidables Serie 300 –aceros ino- acero al carbono; son resistentes tanto a tem- xidables austeníticos– son los más utilizados peraturas elevadas como a temperaturas bajo por su amplia variedad de propiedades. Se cero. Son relativamente fáciles de maquinar obtienen agregando níquel a la aleación, por y su apariencia estética puede variarse, some- lo que la estructura cristalina del material se tiendo el acero a diferentes tratamientos transforma en austenita (de aquí deriva el superficiales. Mediante estos tratamientos se nombre). El contenido de cromo varía de 16 obtienen acabados a espejo, satinado, colore- a 28 %, el de níquel de 3.5 a 22% y el de ado, texturizado, etc. molibdeno 1,5 a 6 %. Los tipos más comunes son el AISI 304, 304L, 316, 316L, 310 y 317. Los llamados aceros inoxidables Serie 400 –aceros inoxidables martensíticos– fueron los Entre sus propiedades se destacan: excelente primeros desarrollados industrialmente. Se los resistencia a la corrosión, muy buen factor de llama, simplemente, "al cromo" y se los emplea higiene y limpieza, facilidad de transformar- para la fabricación de cubiertos. Tienen un se, excelente soldabilidad; no se endurecen contenido de carbono relativamente alto de 0,2 por tratamiento térmico y se pueden utilizar a 1,2 %, y de cromo de 12 a 18 %. Los tipos tanto a temperaturas muy bajas como a tem- más comunes son el AISI 410, 420 y 431. peraturas elevadas. Sus propiedades más relevantes son: elevada Sus principales aplicaciones son: fabricación dureza, que se puede incrementar por trata- de utensilios y equipo para uso doméstico, miento térmico, gran facilidad de maquinado hospitalario y en la industria alimentaria; en y resistencia a la corrosión moderada. la industria química, para la fabricación de Actualmente, sus principales aplicaciones reactores resistentes a la corrosión, tanques, son: fabricación de ejes, instrumental quirúr- tuberías, etc. gico y cuchillería.110
  • 111. Principales establecimien- En la Planta Haedo, Siderar produce chapas galvanizadas para las industrias de la cons-tos siderúrgicos del país trucción, de base agrícola y vial. Cuenta con una línea de galvanizado por inmersión enPor volumen de producción, Siderar es la caliente y distintas líneas de corte y confor-mayor empresa siderúrgica argentina. mado de chapa.Partiendo del mineral de hierro y del car-bón que llegan a su puerto, elabora coque, En la Planta Sidercolor –localizada enarrabio y acero para producir chapas lami- Florencio Varela, provincia de Buenos Aires–,nadas en caliente, en frío y revestidas. a partir de chapas laminadas en frío, se pro-Desarrolla sus actividades en 7 plantas ducen chapas de acero electrocincadas, cha-industriales; la más importante de todas es pas prepintadas y chapas revestidas con pelí-la Planta San Nicolás, ubicada sobre la mar- culas de PVC en una amplia gama de colores,gen derecha del Río Paraná, en el partido destinadas a la industria automotriz, de artí-de Ramallo, a 7 km de la ciudad de San culos para el hogar y de la construcción.Nicolás de los Arroyos, provincia de Cuenta con líneas de electrocincado, prepin-Buenos Aires. Las instalaciones del comple- tado e instalaciones auxiliares.jo, de ciclo integrado, comprenden elPuerto Ingeniero Buitrago, una planta de Próximas a la Planta Sidercolor, se encuentrancoque con cuatro baterías, una planta de las Plantas 1 y 2 de Serviacero, en cuyas ins-subproductos, una planta de sínter 25, dos talaciones se realizan cortes especiales dealtos hornos, una acería LD con tres con- chapa de acero laminado en frío (flejes, desa-vertidores, horno cuchara, colada continua, rrollos, etc.) para diferentes rubros industria-laminación en caliente, laminación en frío, les. Las plantas cuentan con varias líneas deinstalaciones de terminación en frío, una corte transversal y longitudinal, y un centrolínea de estañado electrolítico y servicios de corte automático para producir medidasauxiliares de envergadura. Entre estos últi- especiales e instalaciones auxiliares, que lemos se destacan una usina eléctrica propia, otorgan una capacidad productiva del ordenuna planta de oxígeno, talleres de manteni- de 150.000 t/año.miento y una importante red ferroviaria. La planta Serviacero 3 se encuentra vecina a laLa Planta Ensenada produce, a partir de las Planta Sidercrom, en el Parque Industrialbobinas laminadas en caliente que llegan a Comirsa. En ella se realizan cortes de chapasu puerto, chapas de acero laminadas en laminada en caliente, que permiten entregar alfrío, en hojas y bobinas. El puerto consta de mercado hojas, tiras y desarrollo a pedido. Laun muelle de 150 m, para barcos de hasta planta posee una línea de corte transversal, una35.000 t. La planta comprende una línea de línea de corte longitudinal, una línea de grana-decapadado –acabado superficial con llado y tres guillotinas aptas para entregar desa-ácido– continuo, un tren de laminación en rrollos. En el corto plazo aumentará su capaci-frío, recocido batch –discontinuo– para tra- dad con una línea de corte longitudinal quetamiento térmico discontinuo, laminador de permitirá flejar material de hasta 12,5 mm.temple, una línea de aplanado bajo tensióny servicios auxiliares. La Planta Sidercrom, está próxima a la Planta25 Pequeñas partículas de hierro aglutinadas en trozos no mayores de una pulgada; se extraen de los hornos y se usan como materia prima para obtener aceros. 111
  • 112. de San Nicolás. En ella, partiendo de bobinas petróleo y construcción de gasoductos. Posee estañadas, se producen todas las variantes plantas productivas en Argentina, Brasil, dimensionales de hojas necesarias para la Canadá, Italia, Japón, México, Rumania y fabricación de envases industriales, alimenti- Venezuela y una red de centros de servicio al cios y aerosoles. La planta posee dos líneas de cliente en más de 20 países, Su capacidad de corte que le permiten llegar a procesar hasta producción anual es de 3,3 millones de tone- 120.000 t/año de bobinas estañadas. Un área ladas de tubos sin costura y 850.000 tonela- cerrada y climatizada permite el almacenaje das de tubos con costura. Su facturación de hojas empaquetadas. supera los 3.000 millones de dólares y cuen- ta con 16.000 empleados en todo el mundo. La Planta Canning está situada en la localidad del mismo nombre, partido de Ezeiza (pro- Entre sus productos, se destacan el cromo 3 % vincia de Buenos Aires). A partir de chapa para Vintage Oil –un acero al cromo resisten- laminada en frío, produce chapa galvanizada te a la corrosión por dióxido de carbono–, por inmersión y galvalume (recubrimiento todo tipo de columnas tubulares con o sin de aleación cinc-aluminio) en diferentes for- costura –para columnas y torres para ilumi- mas y longitudes destinados a la industria de nación, semáforos, estructuras y pórticos la construcción, agro y vial. Además, cuenta para señalización, etc.– cilindros para GNC, con una línea de pintura en bobinas que pro- gas envasado, estructuras tubulares para duce galvanizado y prepintado con similares construcción, para la fabricación de calderas, usos finales y aplicaciones. tubos para pozos petrolíferos, etc. En estas plantas, Siderar produce una amplia Acíndar SA es otra de las empresas siderúrgicas gama de caños con costura –para la cons- importantes del país. Posee 13 establecimien- trucción de gasoductos, oleoductos y entuba- tos industriales, ubicados en varias provincias, mientos de pozos de petróleo–, hojalata destinados a producir diversos materiales. –para la fabricación de envases de alimentos y pinturas–, laminados en caliente, en frío y Entre los productos que elabora Acindar se electrocincados –de elevada resistencia a la destacan: perfiles conformados en frío y perfi- corrosión–, productos galvanizados, cinca- les laminados en caliente, alambres hogareños lum y chapas prepintadas para la línea blan- y para la construcción, alambres industriales y ca de electrodomésticos. rurales (alambre de púas, boyeros, ovalados, redondos, etc.), sistemas de armaduras de Siderca SAIC, una compañía de Tenaris, uti- acero para estructuras de hormigón armado, liza en la Argentina la marca TenarisSiderca. barras para construcción DN-A-420, barras Su planta productiva, localizada en la ciudad industriales: aleadas para resortes, aleadas de de Campana, provincia de Buenos Aires, uso industrial, de uso mecánico, laminadas en posee una capacidad de producción anual de caliente, varillas de bombeo, rectificadas, trefi- 820.000 toneladas de tubos de acero sin cos- ladas, aptas para forja, palanquilla, piezas for- tura y una dotación de 4.300 empleados. jadas, mallas de acero, clavos, estribos, tubos de conducción, tubos estructurales, caños de Tenaris es productor y uno de los proveedo- luz, planchuelas, laminadas en caliente, vigas res más importantes del mundo de tubos de reticuladas, cordones de acero para hormigón acero sin costura para las industrias del pretensado, etc.112
  • 113. Actividad 2.2 (2915) Ramallo. Provincia de Buenos Aires Para que los alumnos tengan una expe-riencia práctica de los diversos procesos de la Planta Canningindustria siderúrgica, le sugerimos tratar de Calle Barreiro s/n. Canningconcertar una visita guiada a alguna de las (1804) Partido de Esteban Echeverría.plantas mencionadas anteriormente. Provincia de Buenos AiresLas direcciones de los establecimientos de Las direcciones de Tenaris Siderca son:Siderar son: Av. L N Alem 1067Planta San Nicolás: (1001). Buenos AiresA. Gral. Savio S/N(2915) Ramallo. Provincia de Buenos Aires Dr J Simini 250 (2804) Campana. Provincia de Buenos AiresPlanta Ensenada:Camino Almirante Brown S/N Las direcciones de las plantas de Acindar S.A.(1925) Ensenada. Provincia de Buenos Aires son:Planta Haedo Sede CorporativaValentín Gómez 210 Estanislao Zeballos 2739. Beccar.(B1706FMB) Haedo. Provincia de Buenos Aires Tablada. Planta 1Planta Sidercolor Dr. Ignacio Arrieta 4936. La TabladaCamino Gral. Belgrano Km 32 Produce alambres.(1888) Florencio Varela. Provincia de BuenosAires Tablada. Planta 2 Armar Buenos Aires Presta el servicio de corte y doblado de acero.Plantas Serviacero 1, 2 y 3 Provincia de Santa Fe:Camino Gral. Belgrano Km 31.5(1888) Florencio Varela. Provincia de Buenos Planta Ing. Arturo AcevedoAires Ruta Prov. 21, Km 246,8. Villa Constitución. El establecimiento es la acería principal de laPlanta Sidercrom firma. Produce tubos de conducción, flejes,Parque Industrial Comirsa barras, alambrón y alambre. 113
  • 114. Armar Rosario Indema Bulevar Seguí 7618. Rosario Parque Industrial Norte, Ruta Nacional 7, km Presta el servicio de corte y doblado de acero. 703. Villa Mercedes Produce mallas de acero específicas, Planta Heredia Standard y T-500 s. Bulevar Seguí 7618. Rosario Produce alambres, telas y tejidos de acero. Impeco Calle 1 y 109. Parque Industrial Norte. Villa Planta Navarro: Mercedes Av. Presidente Perón 8000. Rosario Produce tubos estructurales y de luz. Produce perfilería y barras. Clamet Laminfer Ruta 148. Ext. Sur. km. 756. Villa Mercedes Av. Provincias Unidas 205 bis. Rosario Produce clavos de acero. Produce tubos estructurales. Provincia de Córdoba Provincia de San Luis. Armar Córdoba Sampa Monseñor Pablo Cabrera 7500. Ex Ruta Nac. 7, km 3,5. San Luis. Córdoba Presta el servicio de enderezado de barras. Presta el servicio de corte y doblado de acero. Acindar Mallas Ruta 148 Ext. Sur, km 536. Villa Mercedes Produce mallas de acero Standard y Trilogic. La industria siderúrgica y dan las 2,0-2,2 toneladas de CO2 por tonela- da de acero crudo. Dado que en el mundo se el medio ambiente producen alrededor de 1000 millones de toneladas anuales de acero crudo, las emisio- Uno de los principales efectos de los procesos nes de CO2 superan los 2.000 millones de siderúrgicos sobre el ambiente está constitui- toneladas anuales. En estas cantidades no se do por las emisiones de CO2. No obstante la incluye el CO2 generado por centrales térmi- mejora en la tecnología evidenciada en las cas que suministran la energía para los proce- últimas décadas, las emisiones de CO2 ron- sos de afino y elaboración de subproductos.114
  • 115. colada, aguas residuales, etc.) por tonelada de De esta manera, la siderurgia es, entre todas arrabio producido; actualmente, sólo se gene- las industrias, la que contribuye en mayor pro- ran alrededor de 200 kg. Aún así, la contribu- porción al efecto invernadero. ción al deterioro ambiental es muy grande. Se encuentran en desarrollo estudios de tecno-A la polución por emisión de CO2, se suma logía que aportan un menor impacto porla ocasionada por la emisión de SOx (SO2 y mayor eficiencia general de proceso (energéti-SO3) producidos en los procesos de afino. ca, menor residuo generado, efluentes y emi-Los SOx, conjuntamente con los NOx son los siones controladas, etc.) tal como el proyectoresponsables de la llamada "lluvia ácida". de chapa ultrafina –Thin Slab Casting– o el pro- yecto Ultra Light Steel Auto Body –ULSAB–, enOtro problema ambiental lo constituyen los el cual un consorcio internacional integradosubproductos sólidos y líquidos de los pro- por empresas automotrices y varias empresascesos siderúrgicos. En 1950, se generaban siderúrgicas ha diseñado y construido un pro-700 kg de subproductos (escorias, barros de totipo de auto con carrocería ultraliviana, 35 %sistemas de limpieza de gases y humos de menos pesada que la convencional. 115
  • 116. Bibliografía de consulta • Kirk, R. E.; et al. (1991; 4° ed.) "Aluminum". Encyclopedia of Chemical Technology. J. Willey & Sons. New York. • Casti Publishing Inc (2005; 5° ed.) Metals • Morel, Paul (1992) Histoire technique de la Black Book. North America Ferrous Data. En production daluminium. Presses Universitaire CD-Rom. Alberta. de Grenoble. • Clausen, C. A.; Mattson, G. (1982) • Nauta (1971; 3° ed.) Enciclopedia de la téc- Fundamentos de Química Industrial. Limusa. nica y la mecánica. Nauta. Barcelona. México. • Plunkert, P.A. (2000) "Aluminum: Ch." • Corporación Aceros Arequipa S (2000) El U.S. Geological Survey Mineral Commodity acero, lo que hay que saber. Grupo SRL. Summaries. Lima. • U.S. Department of Energy (1997) Energy • Department of Industry, Tourism and and Environmental Profile of the U.S. Resources, Australian Government (2003) Aluminum Industry. Washington. The Australian Steel Industry In 2003. • U.S. Department of Energy (2003) U.S. Camberra. Energy Requirements for Aluminum • Felder, R. M.; Rosseau, R.W. (1981) Production: Historical Perspective, Theoretical Principios Básicos de los procesos Químicos. El Limits and New Opportunities. Washington. Manual moderno SA México. • UNEP/IISI (1997) Environment and the Steel • Glasstone, S. (1978) Termodinámica para Industry, Technical Report 38. químicos. Aguilar. Madrid. • Universidad Pontificia Bolivariana. (2002) • Grjotheim, K, et al. (1982; 2° ed.) Curso Hornos. Caracas. Aluminum Electrolysis: Fundamentals of the • Welch, B.J. (1999) Aluminum production Hall-Héroult Process. Aluminium-Verlag. paths in the new millennium. The Journal of Düsdeldorf. the Minerals, Metals & Materials Society. • Grjotheim, Kai; Kvande, Halvor; Zhuxian, • Winnacker, K.; Weingartner, E. (1954) Qiu (1995) "Key improvements to Hall- Tecnología química. Tomos I y II. G. Gilli. HJrault since the end of World War II" The Barcelona. Journal of the Minerals, Metals & Materials Society. También se ha obtenido información valiosa • Henglein, F A. (1951; 5° ed.) Compendio de . de las siguientes páginas web: tecnología química. Para estudiantes de Química e Ingeniería. Manuel Marín. • www.aluar.com.ar Barcelona. • www.alcan.com • Henglein, F A. (1968) Chemical Technology. . • www.alcoa.com Franklin Book Company Inc. New York. • www.bgs.ac.uk • Hougen, O. A.; Watson, K. M.; Ragatz, R. A. • www.worldsteel.org (1982) Principios de procesos químicos. Tomo • www.usgs.gov II: Termodinámica. Reverté. Barcelona. • IDITS –Instituto de desarrollo industrial tecnológico y de servicios– (2004) Primer informe sectorial metalmecánico. Mendoza. • International Iron and Steel Institute (2005) Steel Statistical Yearbook 2005. Bruselas.116

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