M Minerales y Alto Horno

SSeerriiee:: DDeessaarrrroolllloo ddee ccoonntteenniiddoossCCoolleecccciióónn:: TTeeccnnoollooggííaa qquuíímmiiccaa eenn iinndduussttrriiaass ddee pprroocceessooss

LLooss mmiinneerraalleess ccoommoo mmaatteerriiaa pprriimmaa––bbaauuxxiittaa yy mmiinneerraalleess ddee hhiieerrrroo––MMiigguueell KKaattzz

Ministerio de Educación, Ciencia y Tecnología.Instituto Nacional de Educación Tecnológica.Saavedra 789. C1229ACE.Ciudad Autónoma de Buenos Aires.República Argentina.

aa uu tt oo rr ii dd aa dd ee ss

PRESIDENTE DE LA NACIÓN

Dr. Néstor Kirchner

MINISTRO DE EDUCACIÓN, CIENCIA Y TECNOLOGÍA

Lic. Daniel Filmus

DIRECTORA EJECUTIVA DEL INSTITUTO NACIONAL DE

EDUCACIÓN TECNOLÓGICA

Lic. María Rosa Almandoz

DIRECTOR NACIONAL DEL CENTRO NACIONAL DE

EDUCACIÓN TECNOLÓGICA

Lic. Juan Manuel Kirschenbaum

Los minerales comomateria prima_bauxita y minerales de hierro_

Tecnología químicaen industrias de procesos

Serie:Desarrollo decontenidos

Educación técnico-profesional

Fecha de catalogación: 3/01/2006

Impreso en MDC MACHINE S. A., Marcelo T. de Alvear 4346(B1702CFZ), Ciudadela, en setiembre 2006

Tirada de esta edición: 2.000 ejemplares

Dirección del Programa:Juan Manuel Kirschenbaum

Coordinación general:Haydeé Noceti

Diseño didáctico:Ana Rúa

Administración:Adriana Perrone

Diseño gráfico:Tomás Ahumada

Carolina Macedra

Diseño de tapa:Tomás Ahumada

Con la colaboracióndel equipo de profesionales

del Centro Nacionalde Educación Tecnológica

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 deEducación, Ciencia y Técnologia - Instituto Nacional deEducación Tecnológica.

La reproducción total o parcial, en forma idéntica o modifi-cada por cualquier medio mecánico o electrónico incluyendofotocopia, grabación o cualquier sistema de almacenamientoy recuperación de información no autorizada en forma expre-sa por el editor, viola derechos reservados.

Industria Argentina.

ISBN 950-00-0542-5

Katz, MiguelLos minerales como materia prima: bauxita y minerales dehierro, coordinado por Juan Manuel Kirschenbaum.- 1a ed. - Buenos Aires: Ministerio de Educación, Ciencia yTecnología de la Nación. Instituto Nacional de EducaciónTecnológica, 2006.116 p.; 22x17 cm. (Desarrollo de contenidos; 3)0

ISBN 950-00-0542-5

1. Tecnología Química.I. Kirschenbaum, Juan Manuel, coord. II. Título

CDD 622.349 26

Instituto Nacional de Educación TecnológicaCentro Nacional de Educación TecnológicaCeNET-Materiales

Serie: “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 Tecnológica

Todos los libros están disponibles en la página web del INET. www.inet.edu.ar

A la memoria de mi hijo Pablo

Las metas, los programas y laslíneas de acción del InstitutoNacional de Educación Tecnológica

Las acciones del Centro Nacionalde Educación Tecnológica

Presentación

1 LLaa bbaauuxxiittaa ccoommoo mmaatteerriiaa pprriimmaa• Obtención de alúmina a partir de

la bauxita. Proceso Bayer• El aluminio• Algunas nociones de electroquími-

ca• Obtención de aluminio por el pro-

ceso Hall-Héroult• Consumo de energía en la fabrica-

ción de aluminio• Productos comerciales• La producción de aluminio prima-

rio en la Argentina• Reciclaje del aluminio• Usos y aplicaciones del aluminio• Aspectos ambientales derivados de

la producción de aluminio

Índice

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 yde Física, y en el Instituto de Educación Superior Nº 2 "Mariano Acosta" donde esprofesor de "Termodinámica". Fue profesor adjunto de "Termodinámica" (FacultadRegional Buenos Aires. Universidad Tecnológica Nacional) y profesor asociado de"Química Orgánica" en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Morón. En losúltimos años ha dictado gran cantidad de cursos de capacitación docente en temas deQuímica.

Este librofue desarrollado

por:

2 LLooss mmiinneerraalleess ddee hhiieerrrroo ccoommoommaatteerriiaa pprriimmaa• El hierro• El sistema hierro-carbono• Fundiciones; clasificación y pro-

piedades• Obtención del hierro a partir de

los minerales• Obtención de arrabio en el alto

horno• Obtención de acero a partir del

arrabio• Proceso de desgasificación del

acero fundido• Proceso de colada continua• Tratamientos térmicos que se apli-

can al acero• Producción de acero crudo• Aceros aleados• Aceros inoxidables• Principales establecimientos side-

rúrgicos del país• La industria siderúrgica y el medio

ambiente

Bibliografía de consulta

88

99

1100

1122

7700

111166

Miguel Katz

El Instituto Nacional de Educación Tecnológica -INET-enmarca sus líneas de acción, programas y proyectos,en las metas de:

• Coordinar y promover programas nacionales yfederales orientados a fortalecer la educación téc-nico-profesional, articulados con los distintosniveles y ciclos del sistema educativo nacional.

• Implementar estrategias y acciones de coope-ración entre distintas entidades, instituciones yorganismos –gubernamentales y no gubernamen-tales-, que permitan el consenso en torno a laspolíticas, los lineamientos y el desarrollo de lasofertas educativas, cuyos resultados sean conside-rados en el Consejo Nacional de Educación-Trabajo–CoNE-T– y en el Consejo Federal de Cultura yEducación.

• Desarrollar estrategias y acciones destinadas a vin-cular y a articular las áreas de educación técnico-profesional con los sectores del trabajo y la produc-ción, a escala local, regional e interregional.

• Diseñar y ejecutar un plan de asistencia técnica a lasjurisdicciones en los aspectos institucionales,pedagógicos, organizativos y de gestión, relativos ala educación técnico-profesional, en el marco de losacuerdos y resoluciones establecidos por el ConsejoFederal de Cultura y Educación.

• Diseñar y desarrollar un plan anual de capacitación,con modalidades presenciales, semipresenciales y adistancia, con sede en el Centro Nacional deEducación Tecnológica, y con nodos en los CentrosRegionales de Educación Tecnológica y las Unidadesde Cultura Tecnológica.

• Coordinar y promover programas de asistenciaeconómica e incentivos fiscales destinados a laactualización y el desarrollo de la educación técni-co-profesional; en particular, ejecutar las accionesrelativas a la adjudicación y el control de la asig-nación del Crédito Fiscal –Ley Nº 22.317–.

• Desarrollar mecanismos de cooperación interna-cional y acciones relativas a diferentes procesos deintegración educativa; en particular, los relaciona-dos con los países del MERCOSUR, en lo referentea la educación técnico-profesional.

Estas metas se despliegan en distintos programas ylíneas de acción de responsabilidad de nuestra institu-ción, para el período 2003-2007:

María Rosa AlmandozDirectora Ejecutiva

del Instituto Nacional de Educación Tecnológica.Ministerio de Educación, Ciencia y Tecnología

LAS METAS, LOS PROGRAMASY LAS LÍNEAS DE ACCIÓNDEL INSTITUTO NACIONALDE EDUCACIÓN TECNOLÓGICA

Programa 1. Formación técnica, media y superior nouniversitaria:

1.1. Homologación y validez nacional de títulos.

1.2. Registro nacional de instituciones de forma-ción técnica.

1.3. Espacios de concertación.

1.4. Perfiles profesionales y ofertas formativas.

1.5. Fortalecimiento de la gestión institucional;equipamiento de talleres y laboratorios.

1.6. Prácticas productivas profesionalizantes:Aprender emprendiendo.

Programa 2. Crédito fiscal:

2.1. Difusión y asistencia técnica.

2.2. Aplicación del régimen.

2.3. Evaluación y auditoría.

Programa 3. Formación profesional para el desarrollolocal:

3.1. Articulación con las provincias.

3.2. Diseño curricular e institucional.

3.3. Información, evaluación y certificación.

Programa 4.Educación para el trabajo y la integraciónsocial.

Programa 5. Mejoramiento de la enseñanza y del apren-dizaje de la Tecnología y de la Ciencia:

5.1. Formación continua.

5.2. Desarrollo de recursos didácticos.

Programa 6. Desarrollo de sistemas de información ycomunicaciones:

6.1. Desarrollo de sistemas y redes.

6.2. Interactividad de centros.

Programa 7. Secretaría ejecutiva del Consejo Nacionalde Educación Trabajo –CoNE-T–.

Programa 8. Cooperación internacional.

Los libros que, en esta ocasión, estamos acercando a lacomunidad educativa, se enmarcan en el Programa 5del INET; han sido elaborados por especialistas delCentro Nacional de Educación Tecnológica del INET ypor especialistas convocados a través del Programa delas Naciones Unidas para el Desarrollo –PNUD– desdesu línea “Conocimientos científico-tecnológicos para eldesarrollo de equipos e instrumentos”, a quienes estaDirección expresa su profundo reconocimiento por latarea encarada.

Desde el Centro Nacional de Educación Tecnológica–CeNET– encaramos el diseño, el desarrollo y la imple-mentación de proyectos innovadores para la enseñanzay el aprendizaje en educación técnico-profesional.

El CeNET, así:

• Es un ámbito de desarrollo y evaluación demetodología didáctica, y de actualización de con-tenidos de la tecnología y de sus sustentos cientí-ficos.

• Capacita en el uso de tecnología a docentes, profe-sionales, técnicos, estudiantes y otras personas de lacomunidad.

• Brinda asistencia técnica a autoridades educativasjurisdiccionales y a educadores.

• Articula recursos asociativos, integrando a losactores sociales involucrados con la EducaciónTecnológica.

Desde el CeNET venimos trabajando en distintas líneas deacción que convergen en el objetivo de reunir a profe-sores, a especialistas en Educación Tecnológica y a repre-sentantes de la industria y de la empresa, en accionescompartidas que permitan que la educación técnico-pro-fesional se desarrolle en la escuela de un modo sistemáti-co, enriquecedor, profundo... auténticamente formativo,tanto para los alumnos como para los docentes.

Una de nuestras líneas de acción es la de diseñar y llevaradelante un sistema de capacitación continua para profe-sores de educación técnico-profesional, implementandotrayectos de actualización. En el CeNET contamos conquince unidades de gestión de aprendizaje en las que sedesarrollan cursos, talleres, pasantías, conferencias,encuentros, destinados a cada educador que desee inte-grarse en ellos presencialmente o a distancia.

Otra de nuestras líneas de trabajo asume la respon-sabilidad de generar y participar en redes que vinculanal Centro con organismos e instituciones educativosocupados en la educación técnico-profesional, y conorganismos, instituciones y empresas dedicados a latecnología en general. Entre estas redes, se encuentrala Red Huitral, que conecta a CeNET con los CentrosRegionales de Educación Tecnológica -CeRET- y conlas Unidades de Cultura Tecnológica –UCT– instaladosen todo el país.

También nos ocupa la tarea de producir materiales decapacitación docente. Desde CeNET hemos desarrolla-do distintas series de publicaciones –todas ellas

Juan Manuel KirschenbaumDirector Nacional

del Centro Nacional de Educación Tecnológica.Instituto Nacional de Educación Tecnológica

LAS ACCIONESDEL CENTRO NACIONALDE EDUCACIÓN TECNOLÓGICA

disponibles en el espacio web www.inet.edu.ar–:

• Educación Tecnológica, que abarca materiales queposibilitan una definición curricular del área de laTecnología en el ámbito escolar y que incluyemarcos teóricos generales, de referencia, acercadel área en su conjunto y de sus contenidos, enfo-ques, procedimientos y estrategias didácticas másgenerales.

• Desarrollo de contenidos, nuestra segunda serie depublicaciones, que nuclea fascículos de capaci-tación en los que se profundiza en los campos deproblemas y de contenidos de las distintas áreasdel conocimiento tecnológico, y que recopila,también, experiencias de capacitación docentedesarrolladas en cada una de estas áreas.

• Educación con tecnologías, que propicia el uso detecnologías de la información y de la comu-nicación como recursos didácticos, en las clasesde todas las áreas y espacios curriculares.

• Educadores en Tecnología, serie de publicacionesque focaliza el análisis y las propuestas en unode los constituyentes del proceso didáctico: elprofesional que enseña Tecnología, ahondandoen los rasgos de su formación, de sus prácticas,de sus procesos de capacitación, de su vincu-lación con los lineamientos curriculares y conlas políticas educativas, de interactividad consus alumnos, y con sus propios saberes y modosde hacer.

• Documentos de la escuela técnica, que difundelos marcos normativos y curriculares que desdeel CONET –Consejo Nacional de EducaciónTécnica- delinearon la educación técnica denuestro país, entre 1959 y 1995.

• Ciencias para la Educación Tecnológica, que presentacontenidos científicos asociados con los distintoscampos de la tecnología, los que aportan marcosconceptuales que permiten explicar y fundamentarlos problemas de nuestra área.

• Recursos didácticos, que presenta contenidos tec-nológicos y científicos, estrategias –curriculares,didácticas y referidas a procedimientos de cons-trucción– que permiten al profesor de la edu-cación técnico-profesional desarrollar, con susalumnos, un equipamiento específico para inte-grar en sus clases.

1100

A lo largo de este trabajo abarcamos los fun-damentos teóricos de la producción de alu-minio, de hierro y de acero, así como unadescripción de los principales procesosindustriales que, en la actualidad, se efectúanpara obtenerlos.

En apenas 120 años, la industria del alumi-nio experimentó un crecimiento vertiginoso,suministrando un material de múltiples apli-caciones. Ese metal –que, a mediados delsiglo XIX, era mucho más caro que el oro–pasó a ser constituyente de una infinidad deartículos de nuestra vida cotidiana: marcosde ventanas, envases de bebidas gaseosas,baterías de cocina, etc. El método de suobtención es prácticamente único.Descubierto por un estudiante de escuelasecundaria que experimentaba en el fondo desu casa, ha dado lugar a la formación de unamedia docena de empresas multinacionalesque proveen de este material a todo elmundo.

La bauxita es la materia prima que más seutiliza; es tan abundante sobre la cortezaterrestre que asegura la producción de alumi-nio por muchas décadas. Pero, el costomayor lo constituye la energía requerida parael proceso de obtención. La búsqueda defuentes de energía baratas ha dado lugar aoperaciones comerciales que parecen insóli-tas como, por ejemplo, que una empresalleve la bauxita desde Australia hastaIslandia, obtenga allí el aluminio y lo expor-te a los Estados Unidos.

Más allá de los aspectos beneficiosos quebrindan los productos de aluminio, hay per-juicios ambientales que están causando preo-cupación: la emisión de contaminantesatmosféricos; especialmente, CO2 y perfluo-rocarbonos. Estos últimos contribuyen en talgrado al efecto invernadero que se estimaque un kilogramo de tetraflurometano conta-mina tanto como seis toneladas y media deCO2.

La segunda parte de este trabajo está dedi-cada la obtención del hierro y el acero. Enciertas épocas, el conocimiento de la tecno-logía de estos metales ha cambiado el cursode la historia y es así que una de las transi-ciones de la civilización está constituidapor el paso de la edad de bronce a la edaddel hierro. Los objetos de hierro y acero sonparte de nuestra vida cotidiana y es de par-ticular interés que los estudiantes conozcanlos procesos mediante los cuales se obtie-nen. Pero, también es importante quetomen conciencia del efecto ambiental queprovoca la reducción del mineral por el car-bón. La producción mundial de acerocrudo ronda los 1000 millones de tonela-das anuales y por cada tonelada de metal seliberan a la atmósfera 2,0-2,2 toneladas deCO2, con lo que la industria siderúrgica seconstituye en uno de los mayores emisoresde ese gas.

Para el docente que desee ampliar la infor-mación sobre algunos procesos, se indicanpáginas de Internet, así como una bibliogra-fía de consulta.

PRESENTACIÓN

1111

También se agregan algunos encuadres teóri-cos y referencias biográficas de personas quehan contribuido al desarrollo de la ciencia ola tecnología.

Esperamos que el contenido de este trabajosea de utilidad al docente y le sugiera algunasideas para su traslado al aula.

A lo largo de este material de capacitación apela-mos al análisis de productos y de procesos tecno-lógicos, procedimiento clave de la EducaciónTecnológica.

"Las diversas etapas del método de análisis o lec-tura surgen como respuesta a interrogantes que,normalmente, un observador crítico se plantearíafrente a los objetos en general y a un objeto en par-ticular: ¿Qué forma tiene? ¿Qué función cumple?¿Cuáles son sus elementos y cómo se relacionan?

¿Cómo funciona? ¿Cómo está hecho y de qué mate-rial? ¿Qué valor tiene? ¿Cómo está relacionado consu entorno? ¿Cómo está vinculado a la estructurasociocultural y a las demandas sociales?" (Gay,Aquiles; Ferreras, Miguel. 1997. La EducaciónTecnológica. Aportes para su implementación.Prociencia-CONICET. Ministerio de Cultura yEducación de la Nación. Buenos Aires).

Usted puede acceder a la versión digital de estaobra desde el sitio web: wwwwww..iinneett..eedduu..aarr

1122

La bauxita es el mineral más comúnmenteusado como materia prima para la obtenciónde aluminio. Este mineral fue descubierto en1821 por P. Berthier en un lugar próximo aLes Baux, en el sur de Francia, de dondedeviene el nombre. La bauxita se presenta entres formas mineralógicas que difieren en elnúmero de moléculas de agua de hidratacióny estructura cristalina. Las tres formas estruc-turales de la bauxita se llaman gibbsita, böh-mita y diásporo. La gibbsita es un verdaderohidróxido de aluminio mientras que la böh-mita y el diásporo son óxidos-hidróxidos dealuminio. La principal diferencia entre estasdos últimas radica en la estructura cristalina.

En la bauxita, acompañan a los compuestosde aluminio: magnetita (Fe3O4), hematita(Fe2O3), goethita (FeO(OH)), siderita(FeCO3), caolinita (H4Al2Si2O9), ilmenita(FeTiO3), anatasa, rutilo y brookita (estosúltimos minerales de TiO2). La naturaleza y

cantidad de estos minerales presentes en labauxita son las responsables de su aspectofísico; así hay bauxitas de color pardo oscu-ro, amarillo pálido, rosado, etc.

A fines de 1995, la U. S. Bureau of Mines esti-maba las reservas mundiales de bauxita en25.000 millones de toneladas, probadas y pro-bables. Las estimaciones actuales apuntan a75.000 millones de toneladas. La mayor partede las reservas debauxita se encuen-tra en zonas tropi-cales, en Américadel Sur (33 %),África (27 %), Asia(17 %) y Oceanía(13 %).

La producción de bauxita creció casi un 20 %(de 112 a 134 millones de toneladas) entre

1. LA BAUXITA COMO MATERIA PRIMA

UUnniiddaaddeess GGiibbbbssiittaa BBööhhmmiittaa DDiiáássppoorroo

CCoommppoossiicciióónn Al(OH)3 AlO(OH) AlO(OH)

CCoonntteenniiddoo mmááxxiimmooddee aallúúmmiinnaa % 65,4 85,0 85,0

SSiisstteemmaa ccrriissttaalliinnoo Monoclínico Ortorómbico Ortorómbico

DDeennssiiddaadd g . cm-3 2,42 3,01 3,44

TTeemmppeerraattuurraa ppaarraauunnaa ddeesshhiiddrraattaacciióónnrrááppiiddaa

°C 150 350 450

De acuerdo con la U.S.Geological Survey "Lamagnitud de esasreservas es suficientepara asegurar unsuministro accesible yfluido para el futuro". 1

1 U.S. Geological Survey (1996) "Bauxite and alumina".

1133

1994 y 2004. Australia el es mayor productor(38 %) seguido por Guinea (12 %). La pro-ducción de Brasil creció, en ese período, del 7al 10 % del total mundial, superando a Jamaica(9 %). La producción de bauxita está crecien-do rápidamente en China y la India.

Según la Africa Resources Corp., más de lamitad del costo de producción de bauxitase debe a las cargas laborales (34 %) y a laenergía (21 %). Más del 85 % de la pro-ducción mundial de bauxita se destina a laproducción de alúmina y aluminio. Lasempresas internacionales dedicadas a laproducción de aluminio participan en másdel 62 % de la producción mundial de bau-xita. Alcoa World Alumina and Chemicalsgroup (AWAC), un consorcio formado porAlcoa (60 %) y Western Minning Corp. (40 %),produce más alúmina que cualquier otracompañía en el mundo. Luego de su fusióncon Reynolds Metal Co., Alcoa controla el 38% del mercado mundial de alúmina y alu-minio.

Obtención de alúmina a partirde la bauxita. Proceso BayerEn 1889, Karl Josef Bayer, hijo del fundadorde la empresa química del mismo apellido,desarrolló un método para la obtención dealúmina a partir de la bauxita, proceso quedesde entonces ha sufrido muy pocas modi-ficaciones.

En el proceso Bayer, el mineral se hace pasarpor quebrantadoras de rodillos y, luego, esmolido en molinos de bolas. La bauxita moli-da es dispersada en una lejía de soda cáusti-ca para extraer la gibbsita, la böhmita o eldiásporo presente y, así, separar selectiva-mente los compuestos de aluminio de loscomponentes insolubles (generalmente, óxi-dos). Para que la separación sea eficiente, serequiere que el mineral de partida contengamenos del 3 % de silicatos, ya que estoscompuestos tienden a solubilizarse por reac-ción con hidróxido de sodio.

1133

Esquema del proceso Bayer para la obtención de la alúmina

La reacción de la gibbsita con el hidróxido desodio ocurre según:

AAll((OOHH))33 ++ NNaa++ ++ OOHH-- AAll((OOHH))44-- ++ NNaa++

La böhmita y diásporo reaccionan con elhidróxido de sodio formando, también, alu-minato de sodio:

AAllOO((OOHH)) ++ NNaa++ ++ OOHH-- ++ HH22OO AAll((OOHH))44

-- ++ NNaa++

La solución de aluminatos, conjuntamentecon los productos insolubles forma unalechada que se envía a un digestor. Las con-diciones en el digestor (temperatura, presióny concentración) se fijan de acuerdo con laspropiedades del mineral de partida.Minerales con un alto porcentaje de gibbsitapueden procesarse a 140 ºC; en cambio, si labauxita contiene porcentajes importantes deböhmita o diásporo requiere que el digestoropere entre 200 y 240 ºC. La presión de tra-bajo es relativamente elevada y depende,también, de los porcentajes de los tres com-puestos de aluminio. Para un mineral rico enböhmita –para el cual la temperatura en eldigestor es de 240 ºC–, la presión óptima esde unas 35 atmósferas.

Por consideraciones cinéticas sería provecho-so efectuar el proceso a temperaturas eleva-das. Sin embargo, en la práctica surgen algu-nos inconvenientes –corrosión en los apara-tos, disolución de componentes del mineralque a temperatura ambiente son escasamen-te solubles, etc.–, lo que obliga a los elabora-dores a ajustar muy bien la temperatura deldigestor para obtener un rendimiento ópti-mo en la extracción de los compuestos dealuminio del mineral.

Después de la disolución, la lejía que contie-ne el aluminato de sodio se separa, por sedi-

mentación, del residuo insoluble presente enla bauxita. El barro depositado por sedimen-tación, llamado "barro rojo", contiene óxidosde hierro, silicato de aluminio y sodio, óxidode titanio y otras impurezas, principalmenteóxidos. El tamaño de partícula del barro rojoes muy pequeño –en algunos casos, menorque 1 micrón–, por lo que deben regularsecuidadosamente las condiciones en que seproduce su decantación y sedimentación.Una vez separado el barro rojo, el remanentese filtra y los sólidos que quedan en los fil-tros se lavan, para recuperar el hidróxido desodio que se recicla al proceso principal.

Un problema bastante serio está constituidopor la deposicióndel barro rojo.Generalmente, selo deposita enzonas bajas y se locubre con agua,formando unasuerte de laguna.

La lejía purificada contiene una relaciónmolar Na2O:Al2O3 que varía entre 1,5 y 1,8.Esta lejía se transfiere a precipitadores dondese enfría a temperaturas entre 47 y 62 ºC, loque induce una precipitación de alrededordel 50 % de su contenido en alúmina. Paraque la precipitación se produzca, se requierela hidrólisis del aluminato de sodio:

AAll((OOHH))44-- ++ NNaa++ AAll((OOHH))33 ++ NNaa++ ++ OOHH--

La hidrólisis del aluminato de sodio se logramediante la siembra de cristales de hidróxidode aluminio. De esta manera, se produce unanucleación selectiva que permite la precipita-ción del hidróxido de aluminio. La propor-ción de cristales de hidróxido de aluminiodebe ser 3 a 4 veces mayor que la que seencuentra disuelta. El proceso se lleva a cabo

1144

Una planta que proce-se 3 millones de tone-ladas de bauxita poraño, requiere un áreade 1 km2 para el de-pósito del barro.

1155

agitando la mezcla en grandes tanques deacero, y dura entre 20 y 80 horas.

Las partículas de hidróxido de aluminio sedepositan en el fondo del tanque, se remueveny son lavadas en filtros rotatorios.

La precipitación del hidróxido de aluminio es,esencialmente, el proceso inverso a la extrac-ción con soda cáustica. En esta etapa debenregularse cuidadosamente las condiciones ope-rativas, tanto la temperatura como la velocidadde enfriamiento.

Los cristales de hidróxido de aluminio–comúnmente, llamados "hidrato"– se clasifi-can por rangos de tamaño. Las partículas cuyostamaños están por debajo de los valores reque-ridos se reenvían a los precipitadotes.

Los cristales de "hidrato" de tamaño apropia-do, se envían a un horno rotatorio o a unhorno de lecho fluidizado para su calcinación.

En esta etapa, a unos 1100-1200 ºC, se formaalúmina según:

22 AAll((OOHH))33 →→ AAll22OO33 ++ 33HH22OO

El proceso de calcinación debe ser controladocuidadosamente, ya que determina las propie-dades del producto.

La alúmina obtenida es la materia prima parala obtención de aluminio.

A partir de la década de 1970, muchas refine-rías de alúmina se han mudado de Europa y losEstados Unidos a las zonas donde están lasminas de bauxita, especialmente a Australia,Brasil, Venezuela e India. Se ha encontrado quees más económico convertir la bauxita en alú-mina in situ que afrontar los gastos de trans-porte de la bauxita. Cuatro países, Australia(32 %), Estados Unidos, China y Jaaica produ-cen más del 55 % de la alúmina mundial.

PPeerrííooddooGGrraaddoo ddee llaa

aallúúmmiinnaa

PPrroodduucccciióónn22 mmuunnddiiaall ddee aallúúmmiinnaa33 ((MMiilleess ddee ttoonneellaaddaass mmééttrriiccaass))

ÁÁrreeaa 1144::ÁÁffrriiccaa

ÁÁrreeaa 22::AAmméérriiccaaddeell NNoorrttee

ÁÁrreeaa 33::AAmméérriiccaa

LLaattiinnaa

ÁÁrreeaa 44//55::AAssiiaa

ÁÁrreeaa 66AA::EEuurrooppaa

OOcccc..

ÁÁrreeaa 66BB::EEuurrooppaaOOrriieennttaall

ÁÁrreeaa 77::OOcceeaannííaa TToottaall

2ºtrimestre2004

Químico 0 236 58 239 354 156 61 1,104

Meta-lúrgico 188 1.474 3.230 1.090 1.244 1.174 4.176 12.576

Total 188 1.710 3.288 1.329 1.598 1.330 4.237 13.680

3°trimestre2004

Químico 0 266 67 232 340 159 50 1.114

Meta-lúrgico 198 1.486 3.052 1.098 1.252 1.189 4.175 12.450

Total 198 1.752 3.119 1.330 1.592 1.348 4.225 13.564

2 La producción total de alúmina es el peso del óxido de aluminio trihidrato expresado como 100 % de equivalente en Al2O3 antes de su posterior tratamiento. Laproducción 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.

1166

PPeerrííooddooGGrraaddoo ddee llaa

aallúúmmiinnaa

PPrroodduucccciióónn mmuunnddiiaall ddee aallúúmmiinnaa ((MMiilleess ddee ttoonneellaaddaass mmééttrriiccaass))




LLaattiinnaa



OOcccc..



4ºtrimestre2004

Químico 0 251 75 239 364 155 60 1.144

Meta-lúrgico 204 1.504 3.275 1.158 1.256 1.203 4.234 12.834

Total 204 1.755 3.350 1.397 1.620 1.358 4.294 13.978

2004

Químico 0 992 252 937 1.395 610 229 4.415

Meta-lúrgico 779 5.895 12.824 4.460 4.982 4.771 16.746 50.457

Total 779 6.887 13.076 5.397 6.377 5.381 16.975 54.872

1°trimestre2005

Químico 0 240 60 216 391 144 68 1.119

Meta-lúrgico 160 1.509 3.239 1.136 1.195 1.203 4.311 12.753

Total 160 1.749 3.299 1.352 1.586 1.347 4.379 13.872

2ºtrimestre2004

Químico 0 277 65 218 401 155 60 1.176

Meta-lúrgico 195 1.499 3.259 1.115 1.180 1.195 4.450 12.893

Total 195 1.776 3.324 1.333 1.581 1.350 4.510 14.069

El aluminioSi bien el aluminio es el elemento metálicomás abundante de la corteza terrestre, su pro-ducción industrial recién pudo llevarse acabo hace apenas algo más de un siglo.

Varias civilizaciones utilizaron compuestosnaturales de aluminio para diversos usos. Así,las arcillas con alto contenido de silicatos dealuminio hidratados se usaron para produc-tos cerámicos y el sulfato de aluminio fueconocido por los egipcios, griegos y romanos,quienes lo emplearon como mordientes enlos procesos de teñido de las telas.

PROPIEDADES DE LA ALÚMINA

Fórmula Al2O3

Nº CAS 1344-28-1

Masa molar 101,96 uma

Densidad 3,97 g . cm-3

Punto de fusión 2030 ºC

Punto de ebullición 2977 ºC

Solubilidad en agua Insoluble

Color Blanco

Calor estándar de formación 1675,69 kJ mol-1

Capacidad calorífica molar (a 25 ºC) 78,766 J K-1mol-1

Los romanos llamaban alumen a toda sus-tancia de sabor astringente. Es por ello que,en la Edad Media, se le dio el nombre dealumen (también alumbre) a la sal dobleAl2(SO4)3 . K2SO4 . 24 H2O obtenida de unmineral llamado alunita, que contiene por-centajes apreciables de este sulfato de alu-minio y potasio.

Con el desarrollo de la Química, y el enten-dimiento del proceso de neutralización sesospechó que la "tierra" que por neutraliza-ción con ácido sulfúrico formaba el sulfatode aluminio debería contener un elementometálico aún no aislado. En 1761, el quími-co francés Louis-Bernard Guyton de

Morveau propuso que esa "tierra" debería lla-marse alumine. Sir Humpry Davy, quiendeterminó que todas las "tierras" eran combi-naciones de algún metal con oxígeno, inten-tó obtenerlo por destilación de una amalga-ma de cloruro de aluminio y potasio metáli-co. No logró aislar el metal; pero, a pesar deello, propuso llamarlo alumium.

John Dalton creía que el óxido de aluminioera una sustancia simple y, en su particularmanera de representar a los elementos, leasignó el símbolo:

En 1825, el físico dinamarqués Hans ChristianØersted perfeccionó la técnica de Davy y logróobtener pequeñas cantidades de aluminiohaciendo reaccionar una amalgama diluida depotasio con cloruro de aluminio anhidro yseparando el mercurio por destilación:

33 KK((HHgg)) ++ AAllCCll33 →→ 33 KKCCll ++ AAll ++ HHgg↑↑

En 1827, FriedrichWöhler mejoró elmétodo de Øerstedde reacción de pota-sio con cloruro dealuminio anhidro,logrando obteneraluminio puro enpolvo. Wöhler des-cribió algunas de laspropiedades físicasdel aluminio: la den-sidad, la conductivi-dad eléctrica, etc.

1177

Algunos estudiosos de la historia antigua hansugerido que hace más de 2.000 años hubo unapequeña producción de aluminio, sosteniendoque, en su enciclopedia Historia NaturalisPlinio el Viejo mencionó la existencia de unmetal plateado particularmente sonoro:

"Un día, se le permitió a un joyero en Romamostrar al Emperador Tiberio un plato hechode un metal nuevo. El plato era muy liviano y, almenos, tan brillante como la plata. El joyero ledijo al Emperador que había obtenido el metalde arcilla común. También le aseguró alEmperador que sólo él y los Dioses sabíancómo producir ese metal a partir de arcilla. ElEmperador se interesó mucho y como unexperto en finanzas comenzó a preocuparse. ElEmperador se dio cuenta que sus tesoros deoro y plata perderían bastante valor si la gentecomenzaba a producir ese metal brillante apartir de la arcilla. Por eso, en lugar de darle aljoyero la recompensa que aquél esperaba,ordenó decapitarlo."

Obviamente, no hay manera de comprobar laveracidad de esta historia (la Historia Naturalisde Plinio el Viejo no se caracteriza por su rigorcientífico).

Hans Christian Øersted(1777-1851)

1188

PROPIEDADES DEL ALUMINIO

Símbolo Al

Número atómico 13

Familia Elementos térreos

Grupo y período 13 (IIIA), 3

Densidad 2700 kg/m3

Apariencia Metálica, plateada

Masa atómica 26,981538 uma

Radio atómico (calc.) 125 pm (118 pm)

Radio iónico Al3+ 68 pm

Configuración [Ne] 3 s2 3 p1

Niveles electrónicos 2, 8, 3

Estados de oxidación(Óxido) 3 (anfotéro)

Estructura cristalina Cúbica centrada en lascaras

Modo de agregación Sólido

Punto de fusión 933,45 K (1220,58 °F)

Punto de ebullición 2792 K (4566 °F)

Volumen molar 10,00 ×10-6 m3/mol

Calor de vaporización 293,4 kJ/mol

Calor de fusión (a 933,45 K) 10,56 kJ/mol

Presión de vapor 2,42 x 10-6 Pa a 933 K

Velocidad del sonido 5100 m/s a 933 K

Electronegatividad 1,61(Escala de Pauling)

Calor específico a 25 ºC 897,1 J/(kg K)

Capacidad caloríficadel Al sólido

28,0892 - 5,414849 θ + + 8,560423θ2 + 3,42737θ3 -- 0,277375/θ2

(θ = K/1000) en kJ/mol

Capacidad caloríficadel Al líquido

31,751+ 3,936.10-8 θ - - 1,7865.10-8 θ2 + + 2,6942.10-9 θ3 + + 5,480.10-9/θ2

(θ = K/1000) en kJ/mol

Conductividad eléctrica 37,7 106/m ohm

Conductividad térmica 237 W/(m K)

Energía de 1ª ionización 577,5 kJ/mol



En 1852, RobertWilhelm Bunsenhabía electrolizadocloruro de magnesioen un crisol de porce-lana utilizando elec-trodos de grafito,obteniendo magnesiometálico en el cátodo.Henri Etienne Sante-Claire Deville tomó laidea de Bunsen eintentó electrolizarcloruro de aluminio.

Pero, en esa época no había dispositivos eléc-tricos adecuados para ese proceso, de modoque comenzó a investigar si se podía mejorar elmétodo de Wöhler. Para ello, luego de variosintentos, encontró que se podía obtener alumi-nio de buena pureza empleando cloruro doblede aluminio y sodio. El sodio no sólo eramucho más barato que el potasio sino que lasal doble es mucho menos volátil que el cloru-ro potasio. Presentó su memoria ante laAcademia de Ciencias en marzo de 1854 y enla Exposición Universal de París de 1855 exhi-bió un lingote de aluminio de 7 kg. Su amistadcon el Ministro de Educación de Francia le per-Friedrich Wöhler

(1800-1882)

mitió interesar a Napoleón III en un proyectopara instalar la primera fábrica de aluminio. Elemperador contribuyó con la financiación delproyecto y la planta de elaboración, inicial-mente en Javel (París), se trasladó luego enNanterre. En 1859, la fábrica produjo unos500 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 métodosindustriales deproducción, el alu-minio seguía sien-do un metal caro.Así, por ejemplo,el ápice del obelis-co de Washington,–que se representaen los billetes deun dólar– es unapirámide de alumi-nio de sólo 22 cmde alto y 13,9 cm

1199

¿¿SSaabbííaa uusstteedd qquuee……a mediados del siglo XIX el aluminioera un metal más caro que el oro?

En 1853, el emperador Napoleón IIIusó platos y cubiertos de aluminio enun banquete ofrecido al rey de Siam.En esa época, el aluminio era un metaltan precioso que esa vajilla se utilizabapara recepciones a reyes, mientras queen las recepciones a dignatarios no tanimportantes, la vajilla era de oro.

Henri Ettienne Sante-Claire Deville(1818-1881)

¿¿SSaabbííaa uusstteedd qquuee……Jules Verne, en su De la Tierra a laLuna (1865), describió al aluminiocomo el metal ideal para el proyectilque los norteamericanos enviarían a laLuna?

Al respecto escribió:

"Este valioso metal posee la blancurade la plata, la indestructibilidad deloro, la tenacidad del hierro, la fusibili-dad del cobre, la luminosidad delvidrio, se forja con facilidad, está dis-tribuido ampliamente formando labase de la mayoría de las rocas, es tresveces más liviano que el hierro y pare-ce haber sido creado para el expresopropósito de proveernos de materialpara nuestro proyectil."

de lado de la base que pesa 2,85 kg. En 1884costó 225 dólares, cuando el salario de un ope-rario era de 1 dólar diario.

En 1885, Hamilton Y. Cassner mejoró el pro-ceso de Sante-Claire Deville, logrando unaproducción anual de 15 toneladas.

En 1886, dos jóvenes, Charles Martin Hall enlos Estados Unidos y Paul Louis ToussaintHéroult en Francia, trabajando separadamentey sin conocer el uno el trabajo del otro, inven-taron un nuevo proceso electrolítico, llamadohoy "Proceso Hall-Héroult", que es la base detoda la producción actual de aluminio.

Algunas nociones de electroquímica

La obtención del aluminio es uno de los pro-cesos más representativos de la industria elec-troquímica. Por ello, en las páginas siguientesse presentan algunas nociones de electroquí-mica. El docente avezado en temas tales comola conducción por electrolitos, pilas químicas y

2200

CChhaarrlleess MMaarrttiinn HHaallll((11886633--11991144))Charles Martin Hall fue alum-no de Frank F. Jewett en elOberlin College de Ohio.Jewett, quien había sido dis-cípulo de Wöhler en Gotinga,

solía describir a los alumnos los trabajos deWöhler para obtener aluminio y las dificultadesde su producción industrial. Este tema le intere-só al joven Hall quien eligió la obtención de alu-minio como trabajo final de su curso de Química.En el fondo de su casa montó un pequeño taller,armó una batería eléctrica y un horno, e intentófundir bauxita para electrolizarla. Dada la altatemperatura de fusión del mineral, el resultadode su experimento fue negativo, por lo que sededicó a buscar algún material que bajase latemperatura de fusión de la bauxita. Luego devarios intentos, encontró que disolviendo bauxi-ta en criolita fundida que contenía algo de espa-to flúor se obtenía una masa pastosa susceptiblede electrolizar. Variando el amperaje de la cubaen que se encontraba la masa fluida, el 23 defebrero de 1886, logró que se formaran unos gló-bulos de aluminio en el cátodo. Ni bien el alumi-nio se enfrió, lo tomó y fue corriendo a mostrár-selo a su maestro Jewett.

Hall patentó su invento; pero, inicialmente, noencontró quien financiase su producción indus-trial. Recién en 1888 se contactó con laPittsburgh Reduction Company (que, más tarde,se convertiría en la Aluminium Company ofAmérica y es hoy el primer producto mundial dealuminio), de la que fue su vicepresidente hastasu muerte.

PPaauull LLoouuiiss TToouussssaaiinntt HHéérroouulltt((11886633--11991144))

Paul Louis Toussaint Héroultnació en 1863 en Thury-Harciurt, Normandía, en unapequeña curtiduría, propie-

dad de su padre, cerca de París, transformadaen laboratorio de pruebas. Disponiendo de unamáquina de vapor de débil potencia y de unapequeña dinamo Gramme, realizó los primerosensayos de electrólisis de la alúmina, experi-mentando diversos fundentes, hasta llegar a lacriolita.

El procedimiento electrolítico inventado porHeroult consiste en electrolizar la alúminadisuelta en la criolita fundida, con ánodo decarbono, para recolectar el aluminio fundido.

Con Charles Hall entablaron una amistad queduró hasta la muerte. Curiosamente, ambosnacieron y murieron en los mismos años.

de concentración, pilas y electrodos reversi-bles, puede omitirlas y dirigirse, directamente,al título "Obtención de aluminio por el proce-so Hall-Héroult".

Las leyes de la electrólisis de FaradayHay sustancias, como la sacarosa, cuyas solu-ciones acuosas son tan malas conductoras dela electricidad como el agua pura. Tales sus-tancias reciben el nombre de no electrolitos.Otras sustancias, como el cloruro de sodio oel ácido acético, cuyas soluciones acuosasconducen mejor la corriente eléctrica que elagua pura, se llaman electrolitos. También,son electrolitos sustancias que al estado sóli-do no son conductoras de la corriente eléc-trica –como los óxidos básicos, las sales, loshidróxidos metálicos, etc.–, pero que se vuel-ven conductoras cuando, por fusión, son lle-vadas al estado líquido.

La circulación de una corriente eléctrica a tra-vés de una solución de electrolito o de un elec-trolito fundido, suele provocar distintas trans-formaciones en ellos. En algunos casos, sedeposita sobre alguno o ambos electrodos delgenerador de corriente eléctrica una sustanciasimple que se encontraba formando parte delcompuesto electrolítico. En otros casos, algúnelemento presenteen el electrolito selibera como sus-tancia simple gase-osa. Hay casos enque el electrodo sedisuelve. Tambiénhay casos en quese descompone elsolvente.

El conjunto de lastransformacionesquímicas originadas por la circulación de unacorriente eléctrica a través de un electrolitofundido o una solución de electrolito sellama electrólisis.

2211

Las leyes de la electrólisisde Faraday

Conductividad molar

Electrolitos débiles. La teoría de Arrhenius

FEM y su medición

Pilas químicas y de concentración

Pilas reversibles

Variaciones de energía libreen pilas reversibles

Potenciales de electrodosreversibles

Fenómenos eléctricos en las interfases.

Doble capa eléctrica

Electrólisis y polarización.Tensión de descomposición

ELECTROQUÍMICA

La comprensión de losprocesos electroquími-cos se inicia con lostrabajos de MichaelFaraday, quien encon-tró la relación entre lacirculación de corrien-te en soluciones desales, y las masasdepositadas o liberadasen los electrodos.

2222

En 1833, al estudiar losfenómenos de electrólisis,Michael Faraday encontróuna relación entre la canti-dad de electricidad quecircula a través de la solu-ción de electrolito y lamasa de sustancia quereacciona en los electrodospor efecto de la corriente.Sean w1, w2, ... , wn lasmasas que se depositan,

liberan, disuelven, etc., por la acción de las res-pectivas cargas q1, q2, ... , qn.Experimentalmente, Faraday encontró que:

Ésta constituye la expresión matemática de lallamada Primera Ley de Faraday, cuyo enun-ciado es:

EEQ recibe el nombre de equivalente electro-químico del elemento que se transforma enel electrodo. Resulta evidente que el equi-valente electroquímico de un elemento enun compuesto viene medido por la masa dedicho elemento que se transforma (en elelectrodo) por la acción de la unidad decarga.

Si bien en el Sistema Internacional se loexpresa en kg C-1 usualmente se usa g C-1.

Posteriormente, Faraday hizo circular unacorriente eléctrica a través de varias cubasconectadas en serie, conteniendo cada cubaun electrolito distinto, y encontró que lasmasas de las distintas sustancias simplesque reaccionaban en los electrodos por elpaso de esa corriente eran proporcionales asus respectivos pesos equivalentes quími-cos5. Es decir, si por el paso de una corrien-te de q coulomb en la cuba 1 reacciona unamasa w1 de sustancia simple cuyo equiva-lente químico en el electrolito es Eq1, y enla cuba 2 reacciona una masa w2 de sustan-cia simple cuyo equivalente químico en elelectrolito es Eq2, ... , y en la cuba n reac-ciona una masa de sustancia simple wncuyo equivalente químico en el electrolitoes Eqn se verifica:

Ésta constituye la expresión matemática de lallamada Segunda Ley de Faraday cuyo enun-ciado es:

En rigor, las dos leyes de Faraday se puedencompendiar en una sola. En efecto, si aplica-mos la primera ley sucesivamente a dos ele-mentos distintos cuando son producidos pordos cargas distintas q' y q" tendremos:

wE1 = EEQ1 . q’ y wE2 = EEQ2 . q”

Michael Faraday(1791-1869)

= = ... = = EEQ (1)w1 w2 wnq1 q2 qn

La masa de sustancia que sufre una transforma-ción química por el paso de una corriente eléctricaa través de un electrolito es proporcional a la can-tidad de electricidad que ha circulado.

= = ... = (2)w1 w2 wn

Eq1 Eq2 Eqn

5 El peso equivalente químico, también llamado "equivalente químico", "masa de combinación" o "equivalente gramo" de un elemento en un compuesto es unamagnitud que viene dada por la relación entre el átomogramo de dicho elemento y la valencia con la que actúa en el compuesto.

Las cantidades de sustancias distintas que sedepositan, disuelven o liberan por el paso de lamisma cantidad de electricidad son proporcionalesa sus respectivos pesos equivalentes químicos.

y, cuando en ambas electrólisis la cantidad deelectricidad es la misma q' = q" = q, la segun-da ley nos autoriza a escribir:

wE1 = Eq1 . q y wE2 = Eq2 . q

De esto:

El equivalente químico de un elemento enun compuesto es una constante caracterís-tica del elemento en ese compuesto. Elequivalente electroquímico de un elemen-to, también lo es. Por lo tanto, el cocienteentre ambos es una constante que tiene elmismo valor, cualquiera sea el electrolito;es decir, es una constante universal. Esaconstante universal, que se ha determinadocon bastante precisión, recibe el nombre deconstante de Faraday y se indica con la letra. Su valor es:

Las unidades surgen del hecho que el equi-valente químico se expresa en gramos/equi-valente químico y el equivalente electroquí-mico se expresa en gramos/coulomb.

Para los cálculos comunes, se suele aproxi-mar el valor de a 96500 C/Eq. En elec-tricidad, a 96500 coulomb se lo llama"faraday".

Además de su valor práctico, las leyes deFaraday tienen un significado teórico degran importancia. Por acción del campo

eléctrico, los cationes (iones con carga posi-tiva) migran hacia el cátodo donde captanlos electrones de la corriente eléctrica,mientras que los aniones (iones con carganegativa) se descargan en el ánodo. Si elproceso catódico o anódico de un equiva-lente gramo requiere el paso de un faradayde electricidad, es razonable suponer queesta cantidad de electricidad representa lacarga que lleva un equivalente gramo decualquier ión. Si el ión tiene valencia zz, enun mol de iones habrá zz equivalente-gramoy, por lo tanto, su carga total será zz cou-lomb. Como en un mol de iones hay elnúmero de Avogadro (NA) iones, la cargaque transporta cada ión será zz / NA.

La valencia zz es un número entero: 1 para unión monovalente, 2 para un ión divalente, 3para un ión trivalente, etc. Esto implica quela carga que transporta cualquier ión es unmúltiplo de una unidad de carga eléctricafundamental cuyo valor es / NA. Medianteun gran número de experimentos indepen-dientes se logró identificar esta unidad decarga eléctrica con el valor absoluto de la car-ga del electrón.

La determinación más precisa del número deAvogadro (en la escala de masas atómicasrelativas que establece un valor 12,00000para el 12C) arroja un valor:

Por lo tanto, el valor absoluto de la carga delelectrón es:

96485,31/6,022137.1023 = 1.60217733.10-19 C

2233

= = ccoonnssttaannttee (3)Eq1 Eq2

EEQ1 EEQ2

= 96485,31 C / Eq (4)

NA = 6,022137 . 1023 mol-1 (5)

Conductividad molarAlgunos electrolitos en soluciones acuosas dela misma molaridad conducen la corrienteeléctrica mejor que otros; esto sugiere que, aldisolverse, forman más partículas con cargaeléctrica (iones) que otros, ya sea por diso-ciación iónica o por ionización.

Los procesos electroquímicos no sólo depen-den de la intensidad de corriente y de la con-centración de electrolito disuelto sino quevarían según la naturaleza del electrolito. Espor ello que se los clasifica en electrolitosfuertes y débiles.

• Aquellos electrolitos que en solución acuo-sa se consideran disociados o ionizados ensu casi totalidad se llaman eelleeccttrroolliittooss ffuueerr--tteess. Son ejemplos de electrolitos fuertes lassales inorgánicas, los hidróxidos metálicosy algunos ácidos minerales como el sulfúri-co, nítrico o clorhídrico.

• Otros electrolitos, como el amoníaco, losácidos orgánicos, que se consideran par-cialmente ionizados se dicen eelleeccttrroolliittoossddéébbiilleess.

La resistencia de un conductor eléctricodepende no sólo de su naturaleza sino tam-bién de la temperatura, su longitud y su sec-ción. A una temperatura dada, la resistenciaeléctrica R de un conductor de longitud l ysección A se expresa como:

Donde:

• ρ se denomina rreessiissttiivviiddaadd del conductor.

2244

Actividad 1.1. Electrolizando lasal de mesa sobre una servilleta

Le proponemos realizar con sus alumnos elsiguiente experimento que ejemplifica laocurrencia de una reacción electroquímicay que puede servir como experiencia intro-ductoria para desarrollar los conceptosvinculados con la electrólisis de la alúmina:

• Coloquen, aproximadamente, mediacucharadita de sal de mesa (que contengamenos de 1 % de MgCO3) sobre una ser-villeta de papel doblada por la mitad.

• Doblen suavemente la servilleta tapando lasal y cuidando que ésta no se desparrame.

• Mediante un gotero, humedezcan conagua la zona del papel debajo de la cualse encuentra la sal.

• Viertan una gota de solución de fenolftaleí-na sobre la zona humedecida que cubre a lasal. Si se forma una mancha rosada, esto sedebe a que la sal contiene demasiadoMgCO3. Utilicen, entonces, otra marca desal para la cual no se observen cambios decolor por el agregado de fenolftaleína.

• Mediante pinzas de cocodrilo, sujeten doscables a los bornes de una batería de 9 Vy apoyen los otros terminales de estoscables sobre la zona húmeda de la servi-lleta que cubre a la sal.

• Observen el cambio de coloración y plan-teen las ecuaciones que correspondan alos procesos que, presumiblemente, hanocurrido.

RR = ρρ (6)l

A

2255

El recíproco de la resistencia eléctrica es laccoonndduuccttaanncciiaa eellééccttrriiccaa (G), cuya unidad en elSistema Internacional es el siemens (S ≡ Ω -1).

La inversa de la resistividad se llama ccoonndduucc--ttiivviiddaadd (antes conductividad específica) y sesimboliza con la letra griega κ. Es decir:

Para el caso particular en que el conductoreléctrico sea una solución de electrolito, κ sedenomina conductividad electrolítica. Suunidad en el Sistema SI es S . m-1.

La conductividad electrolítica no es unamagnitud 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 ccoonn--dduuccttiivviiddaadd mmoollaarr (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.

Donde:

• c es la concentración molar de electrolito.

Cualquiera sea elelectrolito, su con-ductividad molardisminuye a medi-da que la concen-tración aumenta.Este descenso res-ponde a dos patro-nes bien diferen-ciados: para loselectrolitos fuertes,la conductividadmolar desciendemuy poco a medida que la concentraciónaumenta; en cambio, para los electrolitosdébiles, el descenso de la conductividadmolar con el aumento de la concentración esmarcado, especialmente en el rango de con-centraciones bajas (0-0,5 M6).

GG = κκ (7)A

l

ΛΛ = (8)κc

La conductividad molarsuministra informaciónacerca de la conducti-vidad de los iones pre-sentes en una soluciónque contiene un mol deelectrolito; su depen-dencia con la concen-tración es marcada-mente diferente segúnel electrolito sea fuerteo débil.

6 M es el símbolo de la concentración molar en moles/litro. Hay otras formas de expresar la concentración.

Conductividad molar en función de las concentraciones, para el cloruro de potasio(electrolito fuerte) y para el ácido acético(electrolito débil)

Usualmente, se extrapolan los valores deconductividad molar de un electrolito paraconcentración igual a cero. El valor así halla-do se denomina ccoonndduuccttiivviiddaadd mmoollaarr aa ddiilluu--cciióónn iinnffiinniittaa (Λ0). Sin embargo, para electro-litos débiles los valores de conductividadmolar a dilución infinita calculados porextrapolación son poco confiables.

Electrolitos débiles. La teoríade ArrheniusLos datos de conductividades molares y elhecho de que, en la neutralización de áci-dos fuertes con bases fuertes, el calor deneutralización por mol de agua formado esprácticamente el mismo (aproximadamen-te, 54,7 kJ/mol de agua), condujeron aSvante Arrhenius a proponer una nueva teo-ría sobre las soluciones electrolíticas. Segúnesta teoría, en las soluciones acuosas de elec-trolitos débiles existe equilibrio entre el elec-trolito sin disociar y los iones productos desu disociación. Así, para un electrolito AB ensolución acuosa, se cumple:

AABB AA++ ++ BB--

• A concentraciones muy bajas, el estado delequilibrio está desplazado hacia los pro-

ductos y la conductividad molar se aproxi-ma a Λ0.

• A medida que la concentración aumenta, elestado de equilibrio se desplaza hacia losreactantes y la conductividad molar dismi-nuye a valores de Λ menores que Λ0.

El ggrraaddoo ddee ddiissoocciiaacciióónn (es decir, la fracción dela concentración original de AB que se hatransformado en A+ y B-) viene medida porΛ/Λ0 y se representa mediante la letra griega α:

Cuando la concentración de electrolito es tanbaja que su solución puede considerarse infi-nitamente diluida, puede presumirse quedicho electrolito está completamente disocia-do en sus iones y α tiende a 1.

La teoría de Arrhenius explica por qué elcalor de neutralización por mol de agua pro-ducida es constante: los ácidos y bases fuer-tes en solución acuosa pueden considerarsecasi completamente disociados, por lo que laneutralización consiste, simplemente, en lareacción de los iones H+ con los iones HO-

para formar agua.

Jacobus Hendericus van't Hoff corroboró lateoría de Arrhenius mediante mediciones depresión osmótica de soluciones de electroli-tos, las que son siempre mayores que lassoluciones de no electrolitos de las mismasconcentraciones y a las mismas temperatu-ras. Así, van't Hoff propuso la ecuación

2266

Para explicar las diferencias observadasentre las conductividades de electrolitos fuer-tes y débiles, Svante Arrhenius supuso quelos electrolitos débiles no están completa-mente disociados en iones conductores de laelectricidad.

αα = (9)ΛΛ0

ππ = iiccRRTT (10)

para la relación entre la presión osmótica π,la concentración c y la temperatura T. El fac-tor i se llama factor de van't Hoff.

Van't Hoff encontró que, para electrolitos fuer-tes, el factor i es prácticamente igual al núme-ro de iones que se forman por disociacióntotal. Así, para el NaCl o el HCl, etc., i = 2;para el Ca(NO3)2, H2SO4, etc., i = 3; y, así,sucesivamente. En cambio, un electrolito débilque en el caso de estar totalmente disociadoprodujera ν iones, al estar parcialmente diso-ciado con un grado de disociación α, produci-ría να iones por mol de electrolito originalmientras que en la solución quedaría una frac-ción 1 - α sin disociar. De modo que el núme-ro de partículas que se forman por unidad deelectrolito original es:

i = 1 - α + να

Por lo tanto:

Esta expresión permite calcular el grado dedisociación a partir de mediciones de presiónosmótica.

En 1888, Friedrich Wilhelm Ostwaldexpresó de manera cuantitativa la concep-ción de Arrhenius. Si, en solución acuosa,un electrolito AB se disocia parcialmente eniones A+ y B-:

AABB AA++ ++ BB--

una vez que se alcanza el equilibrio, y supo-niendo comportamiento ideal, la constantede equilibrio toma la forma:

Si se disuelven n moles de electrolito AB enun volumen V y la fracción disociada es α, lafracción no disociada será 1 - α. Alcanzado elequilibrio, las concentraciones de las tresespecies serán:

[AB] = n (1 - α) / V[A+] = nα / V[B-] = nα / V

Por consiguiente, la constante de equilibrioestará dada por:

Siendo n/V = c, la concentración inicial deelectrolito, la ecuación anterior puedeescribirse:

Esta expresión permite calcular el grado dedisociación de un electrolito en función de suconcentración (a una temperatura dada).

Como α = Λ/Λ0, la ecuación anterior toma laforma

Siendo Λ0 y Kc constantes para un electrolitodado, esta ecuación permitiría encontrar la

2277

αα = (11)i - 1v - 1

KKcc = (12)[[AA++]][[BB--]][[AABB]]

KKcc = =((nnαα // VV))22 nnαα22

[[nn ((11 -- αα))]] // VV VV ((11 -- αα))

KKcc = (13)ccαα22

11 -- αα

KKcc = (14)cc ((ΛΛ // ΛΛ00)22

11 -- ((ΛΛ // ΛΛ00)

conductividad de una solución de un elec-trolito de concentración conocida; de hecho,los resultados experimentales muestran queesta relación entre c y Λ es satisfactoria paraelectrolitos débiles. En cambio, para electro-litos fuertes se observan desviaciones impor-tantes respecto de los valores calculados apartir de esta ecuación.

En 1923, Petrus Debye y Erich Hückel pro-pusieron una ecuación teórica7 que es aplica-ble para soluciones diluidas de electrolitostanto débiles como fuertes:

Donde:

• P y Q pueden expresarse en términos dediversas constantes y propiedades de lasolución.

En 1875, Kohlrausch efectuó un númeroconsiderable de determinaciones de conduc-tividades molares a dilución infinita, encon-trando que cada uno de los iones que produ-ce un electrolito efectúa su propia contribu-ción al valor de Λ0, sin importar la naturale-za del otro ión con el cual está asociado. Estopuede expresarse:

Λ = λ0+ + λ0

-

Donde:

• λ0+ y λ0

- son, respectivamente, las conducti-vidades iónicas a dilución infinita delcatión y del anión.

Estos valores no pueden obtenerse solamen-te a partir de los valores de Λ0 sino que secalculan a partir de las velocidades con quese desplazan los iones bajo condicionesestandarizadas.

Si bien los cationes y aniones se neutralizanen cantidades equivalentes en ambos electro-dos, estos iones no se mueven con la mismavelocidad bajo la acción de la FEM –fuerzaelectromotriz– aplicada. Esto se debe a que,en muchos casos, la carga que transportacada ión es diferente a la que transporta elión de carga opuesta o –como en el caso deciertas sales fundidas– la corriente es trans-portada por un solo tipo de iones.

Consideremos el caso en que el electrolitoestá disuelto en agua y la carga de los catio-nes es diferente a los aniones –supongamosque la relación de cargas es 1 a 3–. Dadoque se deben cumplir las leyes de Faraday,los cationes se deben mover más rápido poracción del campo eléctrico ya que por cadaanión que se descarga en el ánodo se debencargar 3 cationes en el cátodo, de manerade mantener una circulación uniforme decorriente. A partir de este caso –y de cual-quier otro que se considere–, encontramosque el número total de iones descargados ocargados en cada electrodo en un intervalode tiempo, depende de la velocidad quetenga cada especie iónica. O, en forma másgeneral:

2288

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.

ΛΛ = Λ0 - (PP + QQΛ0) c (15)

El número de equivalentes electroquímicos quereaccionan en cada electrodo por la circulación dela corriente eléctrica en la unidad de tiempo esproporcional a la velocidad de la especie iónicaque interactúa con cada electrodo.

Si llamamos n- al número de equivalenteselectroquímicos del anión que interactúa enel ánodo y n+ al número de equivalentes elec-troquímicos del catión que interactúa en elcátodo:

y

Donde:

• u- es la velocidad del anión.• u+ es la velocidad del catión.

Por lo tanto, el número total de equivalenteelectroquímicos ntotal será:

De las expresiones anteriores se deduce que lafracción de carga eléctrica que transportan losaniones en la unidad de tiempo será n- / ntotaly la fracción de carga eléctrica que transportanlos cationes en elmismo intervaloserá n+ / ntotal.Cada fracción decorriente total quetransporta cadaespecie iónica sellama número de

transporte y se los representa mediante lossímbolos t- y t+. Por lo tanto, el número detransporte del anión será:

y

de modo que:

tt-- ++ tt++ == 11

Se han desarrollado varios métodos paradeterminar el número de transporte. Uno deellos fue ideado en 1853 por JohannWilhelm Hittorf y consiste en medir los cam-bios de concentración en las proximidadesde los electrodos. Otro, llamado método de lafrontera móvil, analiza con qué velocidad sedesplaza el límite entre dos soluciones poracción de una corriente eléctrica.

Como la velocidad de un ión es proporcionala su conductividad iónica, en el caso de unadilución infinita, las ecuaciones (19) y (20)pueden escribirse:

Una vez que se establece alguno de los valo-res de λ0

+ o λ0-, se puede calcular todo el con-

junto a partir de los valores disponibles deΛ0. Por otra parte, a partir de los datos tabu-

2299

nn-- == kk uu-- (16)

nn++ == kk uu++ (17)

nnttoottaall == kk ((uu-- ++ uu++)) (18)

Se llama número detransporte a la frac-ción de corriente eléc-trica que transportacada especie iónica ensolución.

tt-- = (19)uu--

uu-- ++ uu++

tt++ = (20)uu++

uu-- ++ uu++

tt++ = y tt-- = (21)λλ00++

ΛΛ00

λλ00--

ΛΛ00

lados de conductividades iónicas a dilucióninfinita, se pueden obtener los valores de Λ0

para electrolitos débiles, valores que cuandose extrapolan a partir de mediciones de con-centraciones finitas no son muy confiables.

FEM y su mediciónEn las mediciones de FEM suele utilizarseuna pila de referencia llamada pila patrón. Lapila patrón que se utiliza con mayor frecuen-cia es una variante de la pila de Weston cuyasprincipales ventajas son que su FEM perma-nece constante durante mucho tiempo y quesu coeficiente térmico es muy bajo.

El electrodo "negativo" de una pila deWeston consiste en una solución saturada desulfato de cadmio 3 CdSO4 . 8 H2O que con-tiene un 12,5 % de amalgama de cadmio; elelectrodo "positivo" es mercurio, cubiertocon sulfato mercurioso sólido (Hg2SO4) en lamisma solución.

Convencionalmente, las características deuna pila galvánica se expresan de la siguien-

te manera: las fases o soluciones de diferen-tes composiciones concentraciones en con-tacto se separan mediante líneas verticales.Deben indicarse las concentraciones de lassoluciones, pues éstas afectan la FEM Ennuestro caso, la pila de Weston se representa:

1122,,55 %% CCdd eenn HHgg || 33 CCddSSOO44 .. 88 HH22OO ((ss)) || ||CCddSSOO44 ((ssooll.. ssaatt)) || HHgg22SSOO44 ((ss)) || HHgg

Pilas químicas y de concen-traciónCuando una pila galvánica funciona, generaenergía. En muchos casos, la energía provie-ne de transformaciones químicas que se pro-ducen en los electrodos. Las pilas que sumi-nistran energía debido a transformacionesquímicas en sus electrodos se llaman pilas

3300

Los cálculos termodinámicos establecen que,en las condiciones de temperatura y concen-tración en que se produce industrialmente laelectrólisis de la alúmina, si el proceso fuesereversible, se requeriría una diferencia depotencial de 1,222 V.

Sin embargo, en los procesos más modernos deobtención 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.

Esquema de la pila Weston; las conexio-nes a la amalgama de cadmio y al electro-do de mercurio son de platino. Su FEM esde 1,018636 volt absolutos a 0 ºC y varíaunos 4. 10-8 por cada grado de aumentode temperatura

químicas. En otros casos, la energía suminis-trada se debe a una variación en la concen-tración de una solución; estas pilas se llamanpilas de concentración.

Pilas reversiblesSi el proceso que ocurre en una pila es rever-sible, la energía involucrada puede interpre-tarse en función de sus propiedades termodi-námicas. Las pilas en las cuales el proceso degeneración de energía es reversible se llamanpilas reversibles.

Para que una pila reversible tenga ese carác-ter, se requiere que al ser conectada a unafuente externa de la misma FEM no experi-mente cambio físico o químico alguno:

• Al disminuir la FEM externa en un infinité-simo, debe producirse en la pila un cambioproporcional a la carga que circuló.

• Al aumentar la FEM en un infinitésimo,debe producirse el cambio inverso.

Entre las pilas reversibles se encuentra la pilade Daniell. Ésta consiste en un electrodo decinc sumergido en una solución acuosa de sul-fato de cinc y un electrodo de cobre sumergi-do en una solución acuosa de sulfato de cobre.Ambas soluciones están vinculadas por unpuente salino que permite el pasaje decorriente pero no de los iones Zn2+ o Cu2+. Lasconexiones a los electrodos son de platino.

Los contactos en la pila de Daniell se repre-sentan:

PPtt || ZZnn || ZZnnSSOO44 ((ssooll)) || || CCuuSSOO44 ((ssooll)) || CCuu || PPtt

La doble barra vertical representa el puentesalino.

Si se cierra el circuito por una FEM apenasmenor que la de la pila, la reacción químicaque se produce en ella es:

ZZnn ++ CCuu22++ ZZnn2+ ++ CCuu

Es decir, el cinc del electrodo de cinc se disuel-ve para formar iones Zn2+, mientras que losiones Cu2+ se descargan y depositan en formade Cu metálico sobre el otro electrodo.

Si, en cambio, se cierra el circuito por unaFEM ligeramente mayor que la de la pila, seproduce el proceso inverso: El electrodo decobre se disuelve mientras que se depositacinc metálico en el electrodo de cinc.

CCuu ++ ZZnn22++ CCuu22++ ++ ZZnn

Los electrodos de una pila reversible sonelectrodos reversibles. Se conocen tres tiposde electrodos reversibles:

a. MMeettaall oo nnoo mmeettaall eenn ccoonnttaaccttoo uunnaa ssoolluucciióónnddee ssuuss pprrooppiiooss iioonneess. Por ejemplo, cinc ensolución de sulfato de cinc, cobre en solución

3311

Esquema de la pila Daniell

de sulfato de cobre, cloro en solución de clo-ruro de sodio, etc.

Estos electrodos se representan por:

MM || MMνν++ (si es un metal)o

PPtt || AAνν-- || AA (si es un no metal)8

b. MMeettaall yy uunnaa ssaall ppooccoo ssoolluubbllee ddee ssuu ccaattiióónneenn ccoonnttaaccttoo ccoonn uunnaa ssaall ssoolluubbllee ddeell mmiissmmooaanniióónn. Por ejemplo:

AAgg || AAggCCll ((ss)) || HHCCll ((ssooll))

c. MMeettaall iinnaattaaccaabbllee ssuummeerrggiiddoo eenn uunnaa ssoolluu--cciióónn qquuee ccoonnttiieennee ttaannttoo llaa ffoorrmmaa ooxxiiddaaddaaccoommoo llaa ffoorrmmaa rreedduucciiddaa ddee uunn ssiisstteemmaa rreeddooxx.Por ejemplo

Pt | Sn2+ | Sn4+

Au | Fe2+ | Fe3+

Pt | Fe(CN)64- | Fe (CN)6

3-

El metal inatacable actúa como conductor,para hacer contacto con la solución. Los esta-dos oxidados y reducidos pueden, inclusive,no ser iónicos; por ejemplo, el electrodo dequinona | hidroquinona.

Los electrodos de esta clase se suelen llamarelectrodos de óxido-reducción. La reacción queen ellos ocurre depende del sentido de lacorriente.

Debemos remarcar que:

• Dos electrodos reversibles de cualquierclase constituyen una pila reversible.

• En todo electrodo reversible se incluye unestado oxidado y un estado reducido en susentido más amplio.

EEssttaaddoo rreedduucciiddoo EEssttaaddoo ooxxiiddaaddoo ++ νν ee--

Como una pila reversible está formada pordos electrodos reversibles, sólo se estableceráuna circulación de corriente si a través delcircuito externo se produce una oxidación enun electrodo y una reducción en el otro.

Es común el uso de la siguiente convención:

Así, por ejemplo, la pila de Daniell:

PPtt || ZZnn || ZZnnSSOO44 ((ssooll 11 MM)) || || CCuuSSOO44 ((ssooll 11MM)) |||| CCuu || PPtt

tiene una FEM de 1,10 volt y, por la conven-ción anterior, su signo es positivo. Esto signi-fica que cuando la pila funciona, se produceuna oxidación en el electrodo de la izquierda:

ZZnn ZZnn22++ ++ 22 ee--

y una reducción en el electrodo de la derecha:

CCuu22++ ++ 22ee CCuu

Los electrones liberados en el proceso de oxi-dación se desplazan a través del circuitoexterno de conexión y son los que se utilizanpara la reducción de los cationes Cu2+. Demodo que el proceso completo es:

ZZnn ++ CCuu22++ ZZnn22++ ++ CCuu

3322

La FEM de una pila es positiva cuando la oxidaciónse produce en el electrodo que se representa a laizquierda de su esquema y negativo cuando la oxi-dación se produce en el electrodo que se repre-senta a la derecha de su esquema.

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–.

3333

Variaciones de energía libreen pilas reversiblesCuando una pila reversible opera isotérmica eisobáricamente, el trabajo eléctrico –que es tra-bajo útil–, mide la variación de la energía libredel sistema (cambiada de signo). A su vez, eltrabajo eléctrico viene dado por el producto laFEM por la carga eléctrica que circula.

Si la FEM de una pila es E volt y la transfor-mación que se produce corresponde al pasa-

je de n faraday –es decir, n coulomb–, eltrabajo eléctrico es nE; y, por lo tanto, lavariación de energía libre que acompaña alproceso:

Para que la reacción ocurra sin consumirtrabajo del medio exterior, la variación deenergía libre tiene que ser negativa.

Actividad 1.2. Reloj que funcionacon jugo de naranja

Le recomendamos desarrollar esta experien-cia con sus alumnos. Ésta va a permitirleejemplificar una pila cuya diferencia de poten-cial es positiva y plantear que sólo en estoscasos la generación de corriente es espontá-nea mientras que en la electrólisis –como enel caso de la alúmina se requiere el suminis-tro de corriente eléctrica desde el exterior–.

Las acciones son:

• En un recipiente de boca ancha, coloquenjugo de naranja hasta la mitad.

• En el jugo de naranja, sumerjan una chapitade cobre y una cintita de magnesio (previa-mente pulida con lana de acero); cada unode estos metales va a estar sujeto a uncable de cobre.

• Conecten los extremos libres de los cables alos 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 mínimapara producir la electrólisis?.

∆∆GG == -- nn EE (22)

Observando la ecuación (22) se nota quepara que ello ocurra, la FEM de la pila debeser positiva.

La variación de energía libre que acompaña auna reacción depende de las concentraciones–en rigor, de las actividades– de las sustan-cias actuantes. Por lo tanto, la FEM de unapila reversible también varía con las concen-traciones de las sustancias actuantes.

Si en la pila se produce una reacción generaldel tipo;

aa AA ++ bb BB ++ ...... ll LL ++ mm MM ++ ......

la variación de energía libre, a presión y tem-peratura constante, que le acompaña vienedada por:

Donde:

• aA, aB, ... , aL, aM, ... , son las actividades deA, B, ..., L, M, ... , tal como se presentan enla pila reversible.

Si el cociente entre las actividades se repre-senta mediante Ja el cociente entre las activi-dades, la (23) se puede escribir:

Donde:

• ∆G0 es la variación de la energía libre queacompaña a la reacción que se produce en

la pila cuando todas las sustancias actuan-tes están en sus estados estándar.

En ese estado estándar, la FEM de la pila esE0 y el trabajo útil es n E0. Por lo tanto:

de donde

Esta expresión relaciona la FEM de una pilacon las actividades de las sustancias actuan-tes. EE00 es una constante para la reaccióndada, variando sólo con la temperatura a 1bar de presión.

Potenciales de electrodosreversiblesHasta ahora no se ha podido diseñar unexperimento que permita determinar elpotencial de un solo electrodo; sólo se pue-den determinar diferencias de potenciales.Sin embargo, adjudicándole arbitrariamenteun valor cero a un electrodo en determinadascondiciones, queda asignado un valor a cadaelectrodo individual. Por convención:

3344

∆∆GGPP,,TT == ∆∆GG00 ++ RRTTllnn (23)aall

LL xx aammMM xx ......

aaaaAA xx aabb

BB xx ......

∆∆GGPP,,TT == ∆∆GG00 ++ RRTTllnn JJaa (24)

--nn EE == -- nn EE00 ++ RRTT llnn JJaa (25)

EE == EE00 -- llnn JJaa (26)RRTTnn

Se asigna arbitrariamente potencial de electrodocero al potencial de un electrodo reversible del gashidrógeno con el gas a 1 bar en equilibrio con unasolución de iones hidrógeno de actividad unitaria.

Ese electrodo se representa:

PPtt || HH22 ((11 bbaarr)) || HH++ ((aa == 11))

Y se llama electrodo normal de hidrógeno. Sedice que los potenciales de los demás elec-trodos que se determinan por interaccióncon él, están dados en la escala del hidróge-no. Para establecer el potencial de un electro-do cualquiera, por ejemplo M | Mν+ (sol), selo combina con un electrodo normal dehidrógeno para formar la pila:

La FEM de esta pila, o sea EE, es igual alpotencial del electrodo M | Mν+ . sol) en laescala del hidrógeno.

Hemos dicho que el electrodo que se escribea la izquierda representa al proceso de oxida-ción; es decir

En este caso, el hidrógeno se reduce según laecuación:

La reacción completa por el pasaje de ν fara-day será la suma de (28) y (29):

EEssttaaddoo rreedduucciiddoo ++ νν HH++

EEssttaaddoo ooxxiiddaaddoo ++ ½½ νν HH22 ((gg))

y la FEM de la pila será

Como, por la definición del electrodo normalde hidrógeno, tanto la actividad del gashidrógeno como la de los iones hidrógeno esunitaria, (30) toma la forma:

Donde:

• E recibe el nombre de potencial de oxidacióndel electrodo en cuestión.

• E0 es el correspondiente potencial de oxida-ción normal, esto es, el potencial del elec-trodo cuando todas las sustancias actuantesestán en sus estados normales de actividadunitaria.

La palabra "oxidación" se emplea porque des-cribe el proceso que ocurre en ese electrodo.

De manera similar a la deducida para elpotencial de oxidación, se puede deducir unaexpresión para el potencial de reducción.

Si la FEM de una pila constituida combi-nando un electrodo dado con uno normalde hidrógeno es positiva, entonces la reac-ción en el interior de la pila ocurre espontá-neamente. Pero puede ocurrir que la FEMsea negativa; en ese caso, la reacción queocurre espontáneamente es la inversa y elhidrógeno gaseoso es el que se oxida dandoiones H+.

3355

M | Mν+ . sol | H+ (a=1) | H2 (1 atm) | Pt (27)E 0

EEssttaaddoo rreedduucciiddoo EEssttaaddoo ooxxiiddaaddoo ++ ννee-- (28)

nn HH++ ++ nnee-- ½½ nn HH22 ((gg)) (29)

EE == EE00 -- llnn (30)RRTTnn

aaeessttaaddooooxxiiddaaddoo xx aa

aaeessttaaddoorreedduucciiddoo xx aa

1/2νH2νH+

EE == EE00 -- llnn (31)RRTTnn

aaeessttaaddooooxxiiddaaddoo

aaeessttaaddoorreedduucciiddoo

3377

Los respectivos potenciales de reducción seobtienen, simplemente, cambiando el signodel potencial de oxidación. De esta manera,teniendo tabulados los potenciales de oxi-dación de los electrodos, puede calcularse

la FEM de cualquier pila que se forme conesos electrodos. Recordemos que la pilafuncionará espontáneamente si su FEM esmayor que cero.

Fe2 | Fe3+ Fe2+ → Fe3+ + e- -0,771

Ag | Ag+ Ag → Ag+ + e- - 0,799

Pt | Hg22+ | Hg2+ Hg2

2+ → 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- -2,87

Actividad 1. 3. Una pila cítrica

Proponga a sus alumnos que:

• Inserten un clavo de hierro y un alambre decobre (desnudo) en dos lugares diferentes deun limón.

• Mediante un voltímetro, midan la diferenciade potencial entre los dos metales.

• Escriban las ecuaciones correspondientes alas hemirreacciones de oxidación y reducción.

• Comparen los valores de la diferencia depotencial medidos con los que obtendría apartir de la serie electromotriz.

- Estimen la resistencia interna de la pila cítrica.

Sabiendo que para:

Al2O3 2 Al + 1,5 O2→ E = - 2,248 V

Y para:

C + O2 CO2 E = +1,026 V

Indiquen si un sistema formado por estos doselectrodos funcionará espontáneamente. ¿Cuálsería la FEM mínima a aplicar para que sedeposite aluminio en el cátodo?

Fenómenos eléctricos enlas interfases. Doble capaeléctricaCuando se establece un campo eléctrico enuna solución de electrolito, se producenvariaciones de concentración debido tanto ala migración de los iones como a que loselectrodos están cediendo o captando elec-trones, modificando dicho campo. Comoconsecuencia, cuando se alcanza un régimen

de corriente estacionario, se forma una inter-fase en las proximidades de los electrodosque es considerada responsable de ciertosfenómenos eléctricos.

Consideremos, por ejemplo, al electrodoCd | Cd2+. La transferencia de cargas de unafase a la otra puede ocurrir mediante la reac-ción de disolución del metal:

CCdd →→ CCdd22++ ++ 22 ee--

O mediante la reacción de deposición:

CCdd22++ ++ 22 ee-- →→ CCdd

La electrización de la interfase puede ocu-rrir, también, debido a la disociación de loscomponentes de la solución con la conse-cuente adsorción de los iones sobre lasuperficie metálica. Debido a la interacciónelectrostática, habrá cargas de signo opues-to en las proximidades de la superficie.Estas cargas de signo opuesto pueden loca-lizarse sobre la fase metálica en forma deexceso o defecto de electrones, o en la solu-ción en forma de iones. El conjunto de car-gas presentes en la interfase se llama doblecapa eléctrica. La presencia de la doble capaeléctrica provoca la existencia de un campoeléctrico en la interfase y, por lo tanto, unadiferencia de potencial eléctrico entreambas fases. Esa diferencia de potencial seopone al proceso que le dio origen (porejemplo, la disolución del metal), alcanzán-dose así un estado estacionario.

Se han propuesto varias distribuciones decargas que corresponden a diferentes valoresde potencial. Una de ellas fue sugerida porH. von Helmholtz en 1879. Según estemodelo, una de las capas de carga está pre-sente sobre la superficie del metal, y corres-ponde a un exceso o defecto de electrones; la

3388

Para que un proceso electrolítico funcionereversiblemente, debe efectuarse a una veloci-dad tan lenta que, en cada instante, las dife-rencias entre las condiciones reales en que seencuentran los electrodos y las condiciones deequilibrio deben ser infinitesimales. De hecho,esto implica que no hay acumulación de partí-culas cargadas sobre los electrodos o en susproximidades. En los procesos reales –comoen el caso de la electrólisis de la alúmina– estono ocurre así. La migración de los iones provo-ca una acumulación de especies cargadas enlas proximidades de cada electrodo. Cuando,por ejemplo, los cationes se acercan al cátodo,se encuentran con una alta concentración decationes que han llegado anteriormente, lo queprovoca su repulsión electrostática. Por consi-guiente, se requiere un sobrevoltaje para quela electrólisis continúe.

En las secciones siguientes hacemos unabreve reseña de las distintas teorías que tratande explicar los fenómenos que ocurren al nivelde los electrodos, lo que permitirá entenderpor qué en el proceso de electrólisis de la alú-mina se requiere trabajar con 4,1-4,3 V, cuandola diferencia de potencial para el mismo proce-so pero reversible, es de apenas 1,222 V.

3399

otra, presente en la solución de electrolitoadyacente al metal, está formada por iones deigual carga pero de signo opuesto.

De 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.Por ese motivo, el modelo en cuestión fueposteriormente modificado.

Guoy y Chapman en 1909, trabajando inde-pendientemente, dedujeron que los ionesno pueden permanecer en posiciones fijasya que, si bien el campo eléctrico tiende aorientarlos en una posición determinada, laagitación térmica tiende a distribuirlos uni-formemente a través de toda la solución.Por lo tanto, debería alcanzarse una solu-ción de compromiso entre estas dos tenden-

cias cuyo resultado sería una capa difusa deiones en la fase líquida. En las proximidadesdel metal prevalecería la fuerza electrostáti-ca, la que disminuiría con la distancia. Deesta manera, habría una alta concentraciónde iones con carga opuesta en las proximi-dades de la superficie metálica, la que iríadisminuyendo a medida que la distancia aesa superficie aumenta hasta que, a partir decierta distancia, la solución se hace perfec-tamente homogénea. Esta capa difusa deiones tiene cierta similitud con la atmósferaiónica de la teoría de Debye-Hückel, con ladiferencia que presenta una distribuciónplana y no esférica.

Guoy y Chapman consideraron a los ionescomo cargas puntuales y que la concentra-ción de los iones de la capa difusa sigue unadistribución de Boltzmann. Utilizando consi-deraciones electrostáticas que aquí no deta-llamos9, encontraron una expresión para ladensidad de carga de la capa difusa que estámás de acuerdo con los resultados experi-mentales.

Modelo de Helmholtz de la doble capaeléctrica

Modelo de Guoy y Chapman de la doblecapa eléctrica; por comodidad, se omitenlos aniones

9 Un desarrollo detallado de esta teoría puede verse en:- Delahay, P. (1966) Double Layer and electronic Kinetics. Interscience. Nueva York.

Otto Stern en 1924, abandonó la aproxima-ción de cargas puntuales de Guoy y Chapmany consideró que, debido al tamaño de losiones, éstos no llegan nunca a la superficie sóli-da sino que permanecen a una cierta distanciade ella. Esa distancia caracteriza a un plano lla-mado plano de mayor aproximación. El modelode Stern divide a la doble capa eléctrica en dospartes: (a) una doble capa compacta compren-dida entre la superficie sólida y el plano demayor aproximación, en el cual los iones seencuentran en posiciones fijas y (b) una doblecapa difusa que se extiende desde el plano encuestión hasta el interior de la solución, dentrode la cual los iones se distribuyen de acuerdocon la teoría de Guoy y Chapman, extendién-dose alguna distancia en el interior de la faselíquida –que, en esta región es difusa, debido aque la agitación térmica permite un movimien-to más libre de las partículas–. Sin embargo ladistribución de iones positivos y negativos noes uniforme, debido a que el campo electrostá-tico en la superficie provocará una atracciónpreferente por los iones de signo opuesto.

El modelo de Stern es, así, una asociación entre

el modelo de Helmholtz, y el de Guoy yChapman. El plano de mayor aproximación sellama plano de Helmholtz externo. Formalmente,este modelo es equivalente a dos capacitoresconectados en serie siendo su capacidad laequivalente a las que se obtienen por los mode-los de Helmholtz, y de Guoy y Chapman:

El resultado es una caída gradual de poten-cial en la masa del líquido, donde la distri-bución de la carga es estacionaria.

La caída de potencial puede verificarse dedos formas –que dependen de las caracterís-ticas de las partículas disueltas que forman laporción exterior de la capa–.

El modelo de Stern fue modificado porGrahame, quien introdujo un segundo planode mayor aproximación. Más cercano a la

4400

Modelo de Stern de la doble capa eléctrica;por comodidad se omiten los aniones

== ++ (32)11 11 11CC CCHH CCGGCC

Curvas de caída de potencial, según el mode-lo de Stern de la doble capa eléctrica. Tantoen el caso I como en el caso II, AC es la caídadefinida de potencial en la parte fija y CB esla variación gradual en la parte difusa de ladoble capa. El potencial entre C y B se deno-mina potencial electrocinético o zeta (ζ).

superficie, se encuentra un plano formado porlos aniones adsorbidos químicamente por elmetal, llamado plano interno de Helmholtz. Algomás alejado está el plano exterior de Helmholtz–formado por los cationes hidratados y a par-tir de ese plano– comienza la capa difusa.

Electrólisis y polarización.Tensión de descomposiciónCuando se tiene una pila reversible, la dife-rencia de potencial entre los electrodos puedecalcularse a partir de los respectivos potencia-

les de electrodos y aplicando la ecuación deNernst. Sin embargo, cuando se produce unproceso electrolítico, la fuerza electromotrizrequerida para provocar una electrólisis conti-nua difiere de la que correspondería a una pilareversible. El funcionamiento reversible deuna pila se consigue compensando su FEMcon una FEM externa, hasta lograr que tansólo un flujo de corriente imperceptible atra-viese la pila, de manera que las reacciones ensu interior se efectúen con extrema lentitud.Resulta obvio que, en la casi totalidad de lasaplicaciones de la electroquímica, se verificanvelocidades de reacción mucho mayores. Enestos casos, cuando el dispositivo funcionacomo pila generadora de corriente o si estásufriendo una electrólisis debido a una fuenteexterna, opera en forma termodinámicamenteirreversible. En consecuencia, la diferencia depotencial entre los bornes de una pila irrever-sible será menor que la correspondiente a sufuncionamiento reversible y para una electró-lisis irreversible, el voltaje requerido serámayor que la diferencia entre sus potencialesde electrodo reversibles.

Se llama voltaje de descomposición de un elec-trolito a la FEM externa mínima que debeaplicarse entre los dos electrodos, para pro-ducir una descomposición electrolítica conti-nua. La diferencia entre el voltaje de descom-posición observado y el que es de esperarpara una pila reversible se llama voltaje depolarización. Esta diferencia entre el voltajede descomposición y el correspondiente a lapila reversible se debe a la doble capa eléctri-ca que, al obstaculizar la migración de losiones, requiere una diferencia de potencialmayor para que las especies lleguen, y se car-guen o descarguen los electrodos.

Experimentalmente, se observa que antes deque se alcance el voltaje de descomposición, elaumento del voltaje produce una leve circula-

4411

Representación esquemática de la estructurade la doble capa según Grahame; se ha omi-tido la representación de las moléculas desolvente, aunque éstos juegan un rol impor-tante en el fenómeno. En general, loscationes son bastante más pequeños que losaniones y debido a la estructura polar delagua se encuentran solvatados en la soluciónacuosa. No ocurre lo mismo con los aniones;son muy pocos los que se hidratan. Lasmoléculas de agua que rodean a los cationesimpiden el acercamiento con los aniones yamortiguan la repulsión de cationes entre sí.

4422

ción de corriente. La intensidad de corrienteque se registra antes de alcanzar el voltaje dedescomposición se denomina corriente de difu-sión y proviene de la lenta difusión de los ionesen la llamada zona difusa existente en las pro-ximidades de cada electrodo.

Entre los factores que contribuyen a unaumento en el voltaje requerido para se pro-duzca la electrólisis se suelen distinguir la lla-

mada polarización por concentración y la lla-mada sobretensión. La polarización por con-centración se debe a los gradientes de con-centración en el seno de la solución electrolí-tica por acción de la diferencia de potencialentre los electrodos. La sobretensión se debeal retraso en tránsito de los electrones desdelos electrodos hacia los iones o viceversa. Lasobretensión depende de la densidad decorriente.

Actividad 1.4. Determinación delvoltaje de descomposición de un

electrolito

El voltaje de descomposición de un electrolitoes la FEM externa mínima que debe aplicarseentre los dos electrodos para producir unadescomposición electrolítica continua.

Le recomendamos desarrollar esta experien-cia, que va a permitirles a sus alumnos enten-der por qué el voltaje requerido para la elec-trólisis de la alúmina es mucho mayor que elque bastaría si el proceso fuese reversible.

• Preparen una solución 0,5 N de HCl.• Introdúzcanla en una cuba de electrólisis.

Para medir el voltaje, conecten los electro-dos a un dispositivo como el que ilustramos.

• Mediante la resistencia variable, aumentengradualmente la diferencia de potencial yregistren la intensidad de corriente en fun-ción de la diferencia de potencial entre loselectrodos. La intensidad de corriente esextremadamente baja, hasta que se alcanzaun cierto voltaje definido. Para ese valor, seobserva el desprendimiento de burbujasgaseosas que evidencian una reacción elec-trolítica. La intensidad de corriente aumentasensiblemente a medida que la diferencia depotencial aumenta.

• Si representan gráficamente los valores deintensidad de corriente en función del volta-je, obtendrán una curva:

4433

El voltaje de polarización es tanto mayorcuanto mayor es la densidad de corriente. En1908, J. Tafel propuso una ecuación que, demanera aproximada, vincula la sobretensiónen un electrodo (w) con la densidad decorriente (I)

ww == aa ++ bb lloogg II

Los valores de a y b son constantes para unelectrodo dado en condiciones establecidas.

En el título "Algunas nociones de electroquí-mica" hemos desarrollado brevemente losconceptos necesarios para el mejor entendi-miento del proceso Hall-Héroult. Así, hemosmencionado las leyes de Faraday –que consti-tuyen la base de la electroquímica moderna–,la diferencia de comportamiento de electroli-tos fuertes y débiles, la teoría de Arrheniuspara electrolitos débiles y la corroboraciónempírica hecha por van't Hoff, y las ecuacio-nes de Ostwald y Debye; y hemos presentadola ley de Kohlrausch de la independencia delas conductividades iónicas a dilución infini-ta; todos éstos, conceptos necesarios paraentender el comportamiento de las solucionesde electrolitos. También hemos hecho unasíntesis de los conceptos de pilas reversibles yelectrodos reversibles; y, para una cabal com-prensión de por qué, en los procesos electro-químicos irreversibles, la diferencia de poten-cial es siempre mayor que la correspondiente

a los mismos procesos pero realizados enforma reversible, hemos planteado una des-cripción somera de las distintas teorías sobrela interfase a nivel de los electrodos, a la vezque hemos definido los voltajes de polariza-ción y de descomposición.

Con estos conceptos estamos en condicio-nes de desarrollar, en las secciones siguien-tes, el proceso industrial de electrólisis de laalúmina.

Obtención de aluminio por elproceso Hall-Héroult Las plantas de producción de aluminio pri-mario están localizadas por todo el mundo;por lo general, en áreas donde hay abundan-tes recursos de energía eléctrica barata.

El proceso industrial Hall-Héroult de obten-ción de aluminio, consiste en electrolizar alú-mina (óxido de aluminio) disuelta en unamezcla de sales fundidas o baño electrolítico.

El proceso puede representarse:

½½ AAll22OO33 ((ss)) ++ ¾¾ CC ((ss)) AAll ((ss)) ++ ¾¾ CCOO22 ((gg))10

La alúmina funde a 2030 ºC, por lo que lle-

De la página web:hhttttpp::////cchheemmmmoovviieess..uunnll..eedduu//cchheemm__ssoouurrccee__ppddff//eelleeccttrroocchheemm..ppddffPueden bajarse trabajos de laboratorio deelectroquímica.

Se requieren dos a tres toneladas de bauxitapara producir una tonelada de alúmina.

Se necesitan, aproximadamente, dos tonela-das de alúmina para producir una tonelada dealuminio.

10 También pueden formarse pequeñas cantidades de CO según 1/2 Al2O3 + 3/2 C Al + 3/2 CO, reacción indeseable porque consume el doble de carbono que cuandose forma CO2.

varla al estado líquido insumiría una canti-dad apreciable de energía. El hallazgo de Hally de Héroult fue utilizar criolita fundidacomo medio para disolverla. La criolita fundea 1012 ºC y los aditivos que se emplean pro-vocan un descenso crioscópico que permitemantener la solución al estado líquido a tem-peraturas inferiores. En diversos procesos sehan agregado a la criolita otros fundentes,como el fluoruro de sodio (NaF), el fluorurode calcio (CaF2) y el fluoruro de aluminio(AlF3). La adición de AlF3 baja la temperatu-ra de fusión del electrolito a unos 850 ºC, loque permitiría operar con hasta un 30 % dealúmina. El NaCl reduce la temperatura defusión a unos 700 ºC; pero, los problemastécnicos que ocasiona el agregado de esta salhacen que sólo se utilice para poner en mar-cha rápidamente la cuba electrolítica.

Generalmente, en las distintas plantas seregulan las condiciones de la corriente y lacomposición para que el proceso se efectúeentre 940 y 960 ºC.

El reactor donde se desarrolla el proceso,usualmente conocido como cceellddaa oo ccuubbaa ddeeeelleeccttrróólliissiiss, es un recipiente de, aproximada-mente, 4.5 m de ancho por 8.5 m de largopor 1.5 m de altura, conformado por carbóny material refractario, soportados externa-mente por una rígida estructura de acero. Endicho reactor pueden distinguirse –desdearriba hacia abajo– cuatro elementos consti-tutivos bien diferenciados:

• ánodos de carbón (electrodo positivo),• mezcla de sales fundidas,• aluminio líquido y • cátodos de carbón (electrodo negativo).

En este sistema, la corriente eléctrica conti-nua circula desde el ánodo hacia el cátodo. Alatravesar el baño electrolítico, la corriente

produce la descomposición de la alúminadisuelta dando lugar a la formación de alu-minio metálico y oxígeno. El aluminio asíreducido se deposita en el fondo de la cuba,mientras que el oxígeno generado consumeel carbón de los ánodos, produciendo dióxi-do de carbono.

Periódicamente, el aluminio obtenido encada celda de electrólisis se extrae de ésta porsucción, utilizando para el transporte reci-pientes térmicamente aislados de 6 toneladasde capacidad. Estos recipientes se trasladan ala fundición, próxima a las salas de electróli-sis, donde el metal líquido se solidifica endiferentes aleaciones y formatos que consti-tuyen los productos finales del proceso.

LLaass sseerriieess ddee ccuubbaass eenn eell pprroocceessoo HHaallll--HHéérroouulltt.. Dentro de la planta de producciónde aluminio, las cubas están organizadas enseries. Las series de cubas más modernastienden a ubicar a las cubas "lado a lado", porlo que la mayoría de las tareas de manteni-miento se llevan a cabo usando puentesgrúas multiuso. Algunas tareas deben reali-zarse regularmente como, por ejemplo, elcambio de los ánodos, la remoción del pro-ducto terminado, etc.

Los electrodos de la celda electrolítica estánformados por:

• Un bloque de carbono que se ha obtenidoa partir de una mezcla de coque y brea; estebloque actúa como ánodo (o electrodopositivo).

• El cátodo (o electrodo negativo) que com-prende un cajón de acero rectangular asen-tado sobre hormigón, que contiene un cri-sol carbonoso sobre el cual descansa el alu-minio líquido.

4444

4455

Entre el ánodo y el cátodo hay un espaciodonde se encuentra el electrolito. Éste está enestado líquido a 960 °C. A medida que trans-curre la electrólisis, se va agregando alúminarefinada para mantener una composiciónconstante del electrolito fundido.

Con el fin de mejorar el rendimiento de lacorriente eléctrica se han desarrollado distin-tas variantes de cubas electrolíticas:

Reynolds Metal Company (actualmente, fusio-nada con ALCOA) ha patentado, entre otras,la cuba P-19® que incluye: compensación decampo magnético, alimentación puntual dealúmina y sistema de control adaptativo. Elsistema de alimentación de alúmina estácompuesto por 4 alimentadores con su res-pectivos rompecostras, los cuales operanindependientemente. La temperatura de ope-ración de las celdas es de 960 °C. La adiciónde fluoruro de aluminio es realizada utilizan-

do un alimentador localizado en el centro dela celda. El amperaje de operación es 162 kA.La frecuencia de trasegado del aluminio escada 24 horas.

Hydro Aluminium Inc. ha instalado, en variasplantas, la tecnología HAL-230 side by side®,en la que cada cuba tiene 5 alimentadores dealúmina y uno de fluoruro de aluminio; usa26 ánodos, los cuales tienen una vida útil de22 días. La producción diaria de la celda es1,6 toneladas, la temperatura de operación es960 °C y el amperaje de operación es 223 kA.El alimentador de fluoruro de aluminio estálocalizado en el centro de la celda. La fre-cuencia de trasegado es cada 24 horas. La ali-mentación de alúmina es controlada por unsistema de control adaptativo.

CVG Venalum desarrolló la tecnología V-350side by side®, que tiene 6 alimentadores dealúmina, uno de fluoruro de aluminio, y un

Esquema de una cuba electrolítica

sistema de control automático de alimenta-ción. Cada celda usa 36 ánodos con una vidaútil de 22 días y una producción de 2,5 tone-ladas diarias. La temperatura de operación es958 °C, la adición de fluoruro es realizadacon un alimentador localizado en el centrode la celda y el amperaje de operación es de320 kA. La frecuencia de trasegado es cada48 horas.

EEll eelleeccttrroolliittoo.. El electrolito usado es la crioli-ta, Na3AlF6, que es el mejor solvente para laalúmina. Para mejorar el rendimiento de lascubas, se agregan otros componentes comoel 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 purezabastante aceptable, es una sustancia relativa-mente escasa para abastecer una producciónmundial de aluminio de 25 millones de tone-ladas. Es por ello que se la obtiene sintética-mente por reacción de fluoruro de hidrógenocon aluminato de sodio formado en una delas etapas del proceso Bayer. La reacciónpuede representarse:

66 HHFF ++ 33 NNaaAAllOO22 → NNaa33AAllFF66 ++ 33 HH22OO

También se puede obtener por reacción delfluoruro de hidrógeno con hidróxido desodio y óxido de aluminio:

1122 HHFF ++ 66 NNaaOOHH ++ AAll22OO33 →→ 22 NNaa33AAllFF66 ++ 99 HH22OO

El fluoruro de hidrógeno gaseoso para estasreacciones se obtiene a partir de espato flúory ácido sulfúrico:

CCaaFF22 ++ HH22SSOO44 → 22 HHFF ++ CCaaSSOO44

La criolita funde a 1012 ºC; pero, el agregadode aditivos –como 5-7 % de fluoruro de cal-cio, 5-7 % de fluoruro de aluminio y 0,7 % defluoruro de litio– provocan su descenso crios-cópico, el que permite operar al estado líqui-do entre 920 y 980 ºC. El sistema forma uneutéctico a 960 ºC cuando la concentraciónen peso de la alúmina es de 10,5 %.

EEll áánnooddoo.. Los ánodos se diseñan para estar"colgados" sobre las cubas electrolíticas, demodo de transportar la corriente eléctrica. Seelaboran a partir de una mezcla de coque yalquitrán de petróleo. El coque, trituradohasta una granulometría muy precisa, semezcla con alquitrán para formar una pastaque es moldeada en compactadores vibrato-rios. Se obtienen, así, los llamados ánodoscrudos o ánodos green. Estos materiales sontransferidos a hornos de gas o de fuel oildonde son calcinados durante varios días aalta temperatura (alrededor de los 1100 ºC).Una vez horneados, los ánodos son fijados a

4466

Diagrama de fases del sistema criolita-alúmina con porcentajes de alúmina entre0 y 18,5 %

4477

vástagos de aluminio que permiten que cuel-guen sobre las cubas electrolíticas.

Los ánodos se "queman" al formar CO2 y,cuando se consumen hasta cierta altura–generalmente, esto ocurre cada 20-22 días–deben ser reemplazados. Tanto los restos delánodo como las varas de aluminio a las queestán fijados se reciclan.

A partir de 1920, comenzó a utilizarse la lla-mada tecnología Soderberg. En esta tecnolo-gía una pasta formada por coque de petróleopulverizado y alquitrán ingresa continua-mente a una envoltura de acero calentada porel contacto con la celda electrolítica. A medi-da que atraviesa la envoltura, la mezcla se va

horneando y sale como ánodo al entrar encontacto con el electrolito de la celda. Lavelocidad de flujo de la mezcla se regula demanera tal que el ánodo cocido que ingresa ala celda reemplaza continuamente al ánodoconsumido por la formación de CO2. Se handiseñado ánodos Soderberg verticales y hori-zontales.

Si bien esta tecnología disminuye el costo dela producción de ánodos, debido al aprove-chamiento del calor de la celda electrolítica,presenta algunas desventajas respecto de losánodos prehorneados; especialmente, enplantas que operan con intensidades decorriente muy altas. Así, por ejemplo, las cel-das más eficientes que funcionan con ánodos

Esquema de una celda con ánodo Soderberg

prehorneados consumen 13 kWh por kilo-gramo de aluminio, mientras que las mejoresceldas con ánodos verticales Soderberg –cuyaresistividad es casi un 30 % mayor y trabajancon densidades de corrientes menores (0,65-0,9 A.cm-2)– requieren 14 kWh por kilogra-mo de aluminio producido. Además, los áno-dos Soderberg generan un porcentaje mayorde perfluorocarbonos que los ánodos prehor-neados. Por todo esto, en la actualidad, sóloun 17-18 % de la producción mundial dealuminio se realiza con esta tecnología y sonmuchas las plantas que la están cambiandopor las celdas con ánodos precocidos.

EEll eeffeeccttoo aannóóddiiccoo yy llaa ffoorrmmaacciióónn ddee PPFFCC.. Silas condiciones operativas no están bienreguladas, las celdas pueden producir peque-ñas cantidades de perfluorocarbonos (PFC)–especialmente, tetrafluorometano (CF4) yhexafluoroetano (C2F6)– por reacción delfluoruro de aluminio con el carbono delánodo. Estos PFC contribuyen marcadamen-te al "efecto invernadero". La producción deestas sustancias contaminantes sólo ocurredurante el llamado efecto anódico, cuando laconcentración de la alúmina en el baño elec-trolítico cae por debajo de cierto umbral.

Durante el efecto anódico el voltaje de lacelda trepa de 4,2-4,6 a más de 40 volt. Espor ello que, en las cubas electrolíticasmodernas, los sistemas neumáticos de trans-porte y alimentación de alúmina son ejecuta-dos mediante microprocesadores, los que semonitorean desde el control de la sala decubas. De este modo, se mantiene la concen-tración de la alúmina en el electrolito en unvalor prácticamente constante. No obstante,siempre hay una pequeña producción dePFC que se estima entre 0,3-0,5 kg de CF4 y0,03-0,05 kg de C2F6 por tonelada de alumi-nio. Las proporciones de PFC son mayores

en las cubas Soderberg debido a que, por laforma en que se producen, los ánodos no sontan homogéneos.

El fluoruro de hidrógeno que puede formarsese separa por reacción con álcali y los materia-les particulados son dirigidos a través de cam-panas que están sobre las cubas, hacia precipi-tadores electrostáticos o hacia dispositivos descrubbing seco donde los fluoruros se "fijan" aalúmina en polvo mediante una agitaciónintensa. Esta mezcla de fluoruros y alúmina vaa un separador de polvos para recuperar la alú-mina y reciclarla a la cuba. Lo que queda, librede fluoruros, se ventea a la atmósfera.

EEll ccááttooddoo.. El cátodo consiste en un armazónde grafito que tiene incrustadas barras deacero que colectan la corriente eléctrica. Estasuerte de crisol de grafito está soportado poruna estructura de acero. Entre el grafito y elarmazón de acero hay material aislante eléc-trico. Durante el proceso, el aluminio líquidofunciona como cátodo. Generalmente, la vidaútil de un cátodo es de 2.000 a 3.000 días.

EEll pprroodduuccttoo ddee llaa eelleeccttrróólliissiiss.. Diariamente, elaluminio líquido producido en las cubas esretirado de éstas por succión y volcado a cri-soles que admiten 6 y más toneladas de metal.Manteniendo una temperatura de 700 ºC, elaluminio líquido es llevado a la sección decolada.

Generalmente, la pureza del aluminio queingresa a la sala de fundición es de 99,5 a99,9 %. Las impurezas más comunes son Fe,Si, Ti, V y Mn que, en su mayor parte, pro-vienen del ánodo; pero, también suelen pro-venir de las impurezas de la alúmina. En lasección de colada, el aluminio líquido es ver-tido en hornos de retención donde se le agre-

4488

4499

gan metales como titanio, magnesio, hierro ycobre, para preparar las aleaciones requeridaspor los clientes. Cada horno de retencióndetermina la colada de una forma específica:

lingotes de 10 kg, 22 kg y 680 kg, cilindrospara extrusión, planchones para laminación ymetal líquido. Una vez que el proceso es com-pletado, el aluminio está listo para la venta enlos mercados nacional e internacional.

Lingotes de aluminio de 680 kg (1500 lbs)

Actividad 1.4

En la página web www.alcoa.com/global/en/about_alcoa/dirt_video.asp,sus alumnos pueden ver un video de 3minutos sobre la obtención de aluminio deALCOA, la empresa productora de estemetal más grande del mundo.

La industria del aluminio es una industriaelectrointensiva. Consume energía para man-tener los electrolitos a temperaturas de 940-960 ºC, para producir la electrólisis mediantediferencias de potencial de 4,1 a 4,5 V conintensidades de corriente de hasta 500.000 A,para refinar electrolíticamente el aluminio pri-mario, para la fabricación de electrodos, paralos procesos de laminado, para la extrusión debarras y perfiles, etc. Este consumo hace que laenergía se constituya en el componente princi-pal del costo del producto terminado y, enmuchos casos, hace que sea más económicotraer las materias primas desde miles de kiló-metros –y llevar los productos terminados adistancias parecidas– que instalar la fábrica enlos centros de consumo de los productos.

En 1888, las celdas de la Pittsburg ReductionCompany operaban con diferencias de poten-

cial de 15 volt e intensidades de corriente de5.000 A. En estas condiciones, el consumo deenergía eléctrica representaba más del 75 % delcosto. Las mejoras tecnológicas incorporadas alproceso han reducido sensiblemente ese por-centaje; pero, aún hoy, la energía es el insumomás caro del proceso.

En este título analizamos el consumo deenergía teórico que resultaría de considerarque la reducción de la alúmina en carbono esun proceso termodinámico reversible y com-paramos este resultado con los valores realesde consumo de energía.

Las entalpías estándar del Al2O3 y el CO2 (g) son-1675,69 y -393,52 kJ/mol, respectivamente.De modo que el calor estándar de reacciónsería:

Consumo de energía en la fabricación de aluminio

∆∆HH00 == ((--339933,,5522 xx ¾¾)) -- ((-- 11667755,,6699 xx ½½)) ∆∆HH00 == ++554422,,7700 kkJJ//mmooll

Es decir, si la reacción pudiese ocurrir encondiciones estándar sería fuertemente endo-térmica.

Las entropías molares estándar de Al2O3, C,Al y CO2 son, respectivamente: 50,92; 5,6;28,27 y 213,79 J/(K mol). Por lo tanto, laentropía estándar de reacción sería:

∆∆SS00 == ((2288,,2277 ++ ¾¾ xx 221133,,7799)) -- ((½½ 5500,,9922 ++ ++ ¾¾ xx 55,,66))

∆∆SS00 == 115588,,9955 JJ//((KK mmooll))

Entonces, la variación de energía libre están-dar asociada a la producción de un mol dealuminio resulta:

∆∆GG00 == ∆∆HH00 -- TT ∆∆SS00

∆∆GG00 == 554422,,7700 -- 229988,,1155 xx 115588,,9955 // 11000000 ∆∆GG00 == 449955,,3311 kkJJ//mmooll

Esto indica que, en las condiciones estándar, lareacción es fuertemente endergónica. En con-diciones estándar, obtener un mol de aluminio,mediante una transformación reversible,requeriría absorber una energía de 495,31 kJ;pero, en condiciones estándar –25 ºC y 1 bar–es fácticamente imposible hacer reaccionar dossólidos.

Se han hecho los cálculos termodinámicos11

para la variación de energía libre asociada alproceso en las condiciones en que se opera enlas fábricas, encontrándose que a temperaturade 960 ºC y en una solución al 10 % de α- alú-mina (33 % de saturación) el potencial dereducción reversible (Al2O3 2Al + 1,5 O2) esde -2,248 V y el correspondiente a la oxidacióndel carbono (C + O2 CO2) es de +1,026 V.De modo que, si el proceso fuese reversible, la

electrólisis de la alúmina requeriría una dife-rencia de potencial de 1,222 V. En la prácticase observan diversos sobrevoltajes anódicos ycatódicos, polarizaciones por concentraciónanódica y catódica, corrientes parásitas, etc., –alos que hicimos referencia al hablar de fenó-menos eléctricos en las interfases– que elevanel potencial a 4-4,1 V.

Desde su puesta en funcionamiento, en 1889,hasta nuestros días todos los esfuerzos en elproceso Hall-Héroult están destinados a laoptimización del consumo de energía. De los19-20 kWh por kilogramo de aluminio que serequerían a principios del siglo XX, el consu-mo de energía se ha reducido a 13-15 kWh/kg,con hasta un 95 % de eficiencia en la corrien-te. La meta propuesta por las principalesfábricas del mundo es llegar a 2020 con unrendimiento energético de 11 kWh/kg, paralo cual la mayoría de las investigaciones estánorientadas hacia el logro de una disminuciónde la distancia entre cátodo y ánodo (que esla principal componente de la resistenciaóhmica). También se estudia mejorar los sis-temas de control de los efectos electromagné-ticos y de la agitación del metal, lo que per-mitirá mejorar el sistema just in time de ali-mentación de alúmina.

Con el transcurso de los años se ha ido incre-mentado la intensidad de corriente usada enel proceso. De los 5000 ampere con que tra-bajaban las celdas de fines del siglo XIX, hoyen día hay celdas que operan bajo intensida-des de corriente del orden de los 500.000 A.

El reemplazo promedio de los cátodos es, enla actualidad, de 2000 a 3000 días, lo quepotencia la productividad, reduciendo loscostos de parada de la cuba.

Ya están en uso cátodos que contienen TiB2

5500

11 Kvande, H.; Haupin, W. (2001) "Inert Anodes for Al Smelters: Energy Balances and Environmental Impact." The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society.

5511

combinados con ánodos inertes que suponenuna mejora en la eficiencia de la corriente delorden del 22 %, a la vez que reducen la emi-sión de CO2.

Si bien las celdas más modernas y eficienteslogran reducir el consumo de energía eléctricaa valores próximos a los 13 kWh por kilogra-mo de aluminio, en el mundo existen muchas

instalaciones que consumen mucha más ener-gía, por lo que el consumo promedio global dela industria está alrededor de 14,2 kWh/kg. Sise toman en cuenta los consumos de energíadebidos a la rectificación de la corriente y a lossistemas de control de emisiones, los valoresson próximos a los 15,2 kWh/kg. En la tabla seda el detalle, al año 2003, del consumo deenergía por tonelada de aluminio producido.

¿¿SSaabbííaa uusstteedd qquuee……el costo de la electricidad es un factor tandominante en la obtención de aluminiopor electrólisis que supera los costos detransporte tanto del mineral como delproducto terminado? Esto queda ilustra-do por el proyecto de ALCOA de cons-truir una planta de fundición de alumi-nio en Islandia, a miles de kilómetros delos yacimientos de su propiedad enKwinana, Pinjarra y Wagerup, (WesternAustralia), y en Poços de Caldas, Brasil, amiles de kilómetros de los EE.UU., adon-de será exportado. El gobierno deIslandia ha ratificado la propuesta deALCOA en Islandia oriental y la cons-trucción se está llevando a cabo. Se espe-ra que el proyecto Fjardaal, traducidocomo "aluminio de los fiordos," cuesteu$s 1.100 millones y que la planta defundición de aluminio –que tendrá unacapacidad anual de 322.000 toneladas

métricas– quede finalizada en 2007.

La instalación primaria de producción dealuminio estará apoyada por la construc-ción de la Central EnergéticaKarahnjukar, de 500 MW, por parte de lacompañía nacional de energía. ElFjardabyggd Harbor Fund construirá unpuerto en Mjoeyri para recibir los carga-mentos de bauxita.

La central es un diseño hidroeléctricoque consiste en una represa principal de190 metros de alto por 730 metros deancho, dos presas de collado más peque-ñas y túneles de toma, a ser pagada porLandsvikjun, la compañía nacional deenergía.

Una vez finalizado, el proyecto Fjardaalrepresentará una de las mayores inversio-nes privadas en Islandia.

12 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.

ENERGÍA ELÉCTRICA CONSUMIDA POR TONELADA MÉTRICA DE ALUMINIO

PRIMARIO PRODUCIDO EN EL MUNDO DURANTE 200312


ÁÁrreeaa 22::AAmméérriiccaa ddeell

NNoorrttee


LLaattiinnaa


ÁÁrreeaa 66AA::EEuurrooppaa OOcccc..


PPrroommeeddiiooppoonnddeerraaddoo

14.321 15.529 15.359 15.413 15.139 14.782 15.202

5522

En la búsqueda de fuentes de energía eléctri-ca, los productores recurren siempre a lasque, de acuerdo con las condiciones econó-micas imperantes a la época de poner en eje-cución la construcción de la planta, suminis-tran energía más barata. Es por ello que, aúnen plantas pertenecientes a la misma empre-sa, se utiliza energía proveniente de distintasfuentes: hidroeléctrica, carbón, gas natural,

etc. Más aún, con el objeto de asegurarse unsuministro continuo y barato de energía eléc-trica, hay productores que tienen todo oparte de control accionario de las centralesque los abastecen. Así, al año 2003, el 27,3 %de la energía eléctrica usada en los procesosHall-Héroult es generado por los propiosproductores.

FUENTES DE ENERGÍA ELÉCTRICA INFORMADA (GIGAWATT-HORA)13

FFuueennttee ddeeeenneerrggííaa




LLaattiinnaa


ÁÁrreeaa 66AA::EEuurrooppaaOOcccciidd..


ÁÁrreeaa 77::OOcceeaannííaa

PPoorrcceennttaajjeeddeell ttoottaallggeenneerraall

HHiiddrroo--eellééccttrriiccaa 4.881 52.843 33.254 958 31.704 7.382 131.022 49,2

CCaarrbbóónn 15.432 27.545 0 11.610 16.645 25.058 96.290 36,1

PPeettrróólleeoo 0 5 0 106 1.123 2 1.236 0,5

GGaassnnaattuurraall 57 318 1.415 16.974 6.183 0 24.947 9,4

NNuucclleeaarr 280 437 0 0 12.110 0 12.827 4,8

TToottaall 20.650 81.148 34.669 29.648 67.765 32.442 266.322 100,0

11 International Aluminium Institute New Zealand House Haymarket. (2004) Op. Cit.

El aluminio para uso eléctrico no debe con-tener porcentajes elevados de impurezasque afecten sus propiedades eléctricas.Como las impurezas de titanio, vanadio,manganeso y cromo reducen considerable-mente su conductividad eléctrica, el alumi-nio destinado a la fabricación de conducto-res eléctricos se obtiene seleccionando elmetal más puro disponible de las mejoresceldas. Si aún así, el porcentaje de impure-zas es muy grande, se añade boro, que pre-

cipita las impurezas como boruros insolu-bles, los que tienen un efecto mínimo sobrela conductividad eléctrica.

Los estándares internacionales distinguendos tipos de aluminio no aleado:

• aluminio puro –de 99,0 a 99,9 % de Al– y• aluminio de alta pureza –de, al menos

99,97 % de Al–, que se produce por unaposterior refinación.

Productos comerciales

5533

Aluminio de alta pureza Para la mayoría de las aplicaciones, la purezadel aluminio que proviene de las cubas (porejemplo, hasta 99,9 %) es adecuada. Cuandose requiere aluminio de alta pureza (comomínimo 99,97 %) para propósitos especiales–como, por ejemplo, capacitores electrolíti-cos o conductores de alta tensión–, el metalque viene de las cubas debe ser refinadomediante un proceso adicional.

El aluminio de alta pureza se producemediante la llamada electrólisis de tres capas o

COMPOSICIÓN (EN % M/M) DE LOS LINGOTES DE ALUMINIO NO ALEADO 14

CCóóddiiggoo SSii FFee CCuu MMnn MMgg CCrr NNii ZZnn TTiiOOttrrooss AAll

((mmíínn)) cc//uu TToottaall

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

1100 0,095 Si + Fe 0,05-0,20 0,05 - - - 0,10 - 0,05 0,15 99,00

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

14 The Aluminum Association (1997) Aluminium Standards & Data. Tabla 6.2.

Aluminio de alta pureza

Aleaciones de aluminio

Aluminio laminado, moldeado y extruido

Aluminio anodizado

ALUMINIO

electrólisis en celdas Hoopes. Estas celdas –adiferencia de las celdas del proceso Hall-Héroult que tienen dos capas– operan contres capas líquidas:

• La más baja, llamada "ánodo metal" reci-be un aluminio primario al que se le haadicionado alrededor de un 30 % decobre, para incrementar su densidadhasta 3,4-3,7 g. cm-3.

• La segunda capa es el electrolito fundido dedensidad 2,7-2,8 g.cm-3.

• La capa superior es el aluminio de alta pure-za a separar, cuya densidad es de 2,3 g,cm-3.

La celda tiene una cámara que, mediantesifonado, permite el manejo del ánodometal.

El aluminio producido mediante una electróli-sis de este tipotiene una purezadel 99,99 %. Sepuede obteneraluminio de hasta99,9999 % (alumi-nio seis nueves)mediante opera-ciones de fusiónpor zonas.

El aluminio de 99,97-99,98 % se obtiene enpequeñas cantidades mediante cristalizaciónfraccionada en la que las impurezas que for-man un eutéctico con el aluminio quedanconcentradas en la fase líquida.

También se obtiene aluminio de 99,97-99,98 %fundiendo, en proporciones adecuadas, alu-minio de menor pureza con aluminio depureza mayor.

Aleaciones de aluminioHoy en día, más de la mitad de la producciónde aluminio semielaborado corresponde aaleaciones. Los elementos más comunes quese le añaden al aluminio son (en orden alfa-bético): bismuto, boro, cinc, cobre, cromo,hierro, magnesio, manganeso, níquel, plomo,silicio, titanio y zirconio. De entre todosellos, el más frecuente es el magnesio. Enalgunas aleaciones se le agregan al aluminiodos o más elementos –por ejemplo, magnesiojunto con silicio y manganeso–.

Las aleaciones de aluminio pueden ser divi-didas principalmente en dos grupos, según eltipo de proceso en que son utilizadas: las ale-aciones para trabajado mecánico (extrusión,forja, laminación, etc.) y las aleaciones demoldeo (colada de piezas). Además, ambosgrupos contienen ciertas aleaciones que pue-den endurecerse mediante tratamientos tér-micos y otras que no son susceptibles deendurecimiento al tratarlas térmicamente.

Aluminio laminado, moldea-do y extruídoEl aluminio puede ser laminado en chapas,laminados finos y foil hasta espesores meno-res al del cabello humano. El proceso delaminación cambia las características delmetal, haciéndolo menos frágil y más dúctil.

En primera instancia, el aluminio se procesaen laminadores en caliente para, luego, sertransferido a laminadores en frío. En el pro-ceso de laminación en caliente, el lingote oplaca de aluminio es calentado hasta unos500 ºC y pasado repetidas veces por este pri-

5544

La ffuussiióónn ppoorr zzoonnaasspermite separar lasimpurezas en una zonafundida que se muevegradualmente, de unextremo a otro de unlingote especialmentepreparado.

5555

FORMAS ESTÁNDAR DE DESIGNACIÓN DE ALEACIONES DE ALUMINIO

AAlleeaacciioonneess ppaarraattrraabbaajjaaddoo mmeeccáánniiccoo SSeerriieess AAlleeaacciioonneess ppaarraa mmoollddeeoo SSeerriieess

Al (mín 99,00 %) 1xxx Al (mín 99,00 %) 1xx.x

AAlleeaacciioonneess aaggrruuppaaddaass ppoorr llooss aalleeaanntteess mmááss ffrreeccuueenntteess

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.x

La designación de aalleeaacciioonneess ppaarraa ttrraabbaajjaaddoo mmeeccáánniiccoo 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–.

mer tipo de laminadores. Este proceso redu-ce, gradualmente, el espesor del lingote hastaunos 6 mm. Una vez finalizado el laminadoen caliente, el aluminio es enfriado y trans-portado a los laminadores en frío, para suposterior tratamiento.

Hay una gran diversidad de laminadores enfrío. Grande también es la gama de produc-tos que se obtienen –que llegan hasta espeso-res de 0,05 mm–. En general, el tipo de pro-ducto depende de la aleación utilizada, delproceso de deformación vía laminación y deltratamiento térmico aplicado al producto,ajustando así sus propiedades mecánicas yfísicas.

Los productos de los procesos de laminaciónpueden ser agrupados en grandes categorías:

• laminados finos y • laminados gruesos.

Entre los laminados finos se puede distinguirel foil del resto. El foil tiene un espesormenor a los 0.2 mm y es utilizado, por logeneral, en la industria de packaging, enenvases o coberturas. También se lo utilizaen aplicaciones eléctricas y como compo-nente en aislamientos térmicos. El resto delos laminados finos, con espesores entre 0.2mm y 6 mm se aplica de manera muy diver-sa en el sector de la construcción (ya sea enrevestimientos o techos) y también tienecomo destino el sector de transporte (pane-les laterales y estructuras de automotores,barcos y aviones).

Los laminados gruesos tienen un espesorsuperior a los 6 mm. Suelen ser utilizados enestructuras de aviones, componentes estruc-turales de puentes y edificios, y vehículosmilitares.

Los productos fundidos y moldeados tienenuna amplia variedad de aplicaciones:

• componentes livianos para vehículos, aero-naves, barcos y naves espaciales,

• componentes de máquinas productivas enlas que el peso reducido y la resistencia a lacorrosión son condiciones indispensables,

• bienes de alta tecnología para la oficina y elhogar.

Se reconocen dos métodos básicos de fundi-ción: moldeo en arena –consistente en intro-ducir aluminio líquido en un molde formadopor arena y arcilla, y en comprimirlo median-te prensas neumáticas– y moldeo en coquilla–en el que el aluminio líquido se introduceen un molde de fundición de hierro–.

Los productos extruídos de aluminio –conoci-dos como "perfiles"– son confeccionados a par-tir de cilindros de aluminio primario llamadosbarrotes. Los barrotes se encuentran disponi-bles en variados tamaños, aleaciones, trata-mientos térmicos y dimensiones, y se ajustan alos múltiples requerimientos del usuario.

El proceso de extrusión se caracteriza porhacer pasar a presión el aluminio a través deuna matriz, para obtener el perfil deseado.Esto es posible tras haber calentado losbarrotes a utilizar a una temperatura cercanaa los 450-500 °C y haberles aplicado unapresión de 500 a 700 MPa. El metal preca-lentado es impulsado dentro de la prensa yforzado a salir por la matriz, obteniéndoseasí, el perfil extruído.

El proceso de extrusión lleva la temperaturade las prensas a unos 500 ºC; la temperaturade salida es cuidadosamente controlada paraconservar las propiedades mecánicas, unaalta calidad en la superficie de los productosterminados y una elevada productividad.

5566

5577

Los productos extruídos son de uso generali-zado en el sector de la construcción, particu-larmente en ventanas y marcos de puertas, encasas prefabricadas y estructuras de edificios,en techos y cortinas. También son utilizadosen automotores, trenes y aviones, y en el sec-tor de la náutica

Aluminio anodizadoPor la mera expo-sición al aire, elaluminio se recu-bre de una delga-dísima capa deóxido de aluminioque se adhiere con bastante firmeza a lasuperficie del metal y que impide que la oxi-dación continúe. La película de óxido de alu-minio suele ser de alrededor de 0,01 µ deespesor y puede ser removida por alguna sus-tancia ácida o alcalina, o por frotación conun material abrasivo. Mediante procedimien-tos químicos y electrolíticos se pueden obte-ner, artificialmente, películas de óxido

mucho más gruesas, más protectoras y decaracterísticas distintas a las de la capa natu-ral. Uno de esos procedimientos es la "oxida-ción anódica" del aluminio, que consiste enelectrolizar una solución acuosa débilmenteacidulada con H2SO4, empleando un cátodoinerte (como níquel o platino) y, comoánodo, el objeto de aluminio a tratar.

Cuando se trata de decorar o proteger alobjeto de aluminio, la electrólisis se realizade manera de formar una capa de óxido de10-30 µ de espesor. El objeto así tratado secaracteriza como "anodizado".

Si lo que se desea es un endurecimiento delobjeto, se regulan las condiciones de la elec-trólisis para que se forme una capa de óxidode un espesor superior a los 100 µ. En algu-nos casos, se agregan colorantes orgánicos opigmentos minerales al baño electrolítico,para que el aluminio anodizado tome colo-ración.

No sólo se puede anodizar el aluminio purosino también sus aleaciones, excepto las decobre –ya que este metal tiende a disolverse–.

En la jerga metalúrgica,se dice que el metal "sepasiva".

PRODUCCIÓN DE ALUMINIO PRIMARIO1155 (MILES DE TONELADAS MÉTRICAS)

PPeerriiooddoo ÁÁrreeaa 11::ÁÁffrriiccaa



LLaattiinnaa



OOcccc..

ÁÁrreeaa 66BB::EEuurrooppaaddeell eessttee

ÁÁrreeaa 77::OOcceeaannííaa TToottaall PPrroommeeddiioo

ddiiaarriioo

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 61.7

15 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–.

5588

INVENTARIOS DE ALUMINIO INFORMADOS POR LOS PRODUCTORES1166

(EN MILES DE TONELADAS MÉTRICAS)

TTiippoo ddeeiinnvveennttaa--

rriioossAA ffiinnaalleess ddee:: ÁÁrreeaa 11::

ÁÁffrriiccaa



LLaattiinnaa


ÁÁrreeaa66AA//66BB::EEuurrooppaa


BBrruuttoo

Abril 2004 18 441 115 196 703 97 11,,557700

Mayo 2004 11 466 111 198 858 95 11,,773399

Junio 2004 21 468 85 201 777 88 11,,664400

Julio 2004 18 459 102 207 780 101 11,,666677

Agosto 2004 15 460 110 211 820 94 11,,771100

Setiembre 2004 30 441 108 192 794 93 11,,665588

Octubre 2004 20 442 129 225 789 96 11,,770011

Noviembre 2004 30 455 121 203 774 94 11,,667777

Diciembre 2004 48 466 109 196 863 106 11,,778888

Enero 2005 31 498 117 218 866 124 11,,885544

Febrero 2005 35 466 108 212 828 122 11,,777711

Marzo 2005 25 476 121 217 874 116 11,,882299

Abril 2005 39 484 113 176 806 120 11,,773388

TToottaall

Abril 2004 37 900 194 303 1.357 125 22..991166

Mayo 2004 30 923 194 303 1.520 122 33..009922

Junio 2004 39 919 163 303 1.438 114 22..997766

Julio 2004 37 896 173 314 1.456 128 33..000044

Agosto 2004 36 893 186 326 1.520 122 33..008833

Setiembre 2004 52 863 182 304 1.478 120 22..999999

Octubre 2004 40 869 208 344 1.473 124 33..005588

Noviembre 2004 52 876 201 324 1.464 122 33..003399

Diciembre 2004 69 899 192 320 1.567 135 33..118822

Enero 2005 54 915 198 339 1.569 149 33..222244

Febrero 2005 58 907 190 337 1.532 144 33..116688

Marzo 2005 47 936 208 329 1.589 141 33..225500

Abril 2005 65 944 200 289 1.520 145 33..116633

16 International Aluminium Institute New Zealand House Haymarket (2005) London.

La producción de aluminioprimario en la ArgentinaLa producción de aluminio primario en laArgentina se inició a comienzos de la décadadel '70, dentro de un programa público-pri-vado de desarrollo de la industria del alumi-nio. A tal fin se crea la empresa Aluar SA.

La localidad seleccionada para la instalaciónde la planta de aluminio primario fue la ciu-dad de Puerto Madryn, en la provincia delChubut, 1.400 km al sur de la CiudadAutónoma de Buenos Aires. La capacidadproductiva inicial de la planta se establecióen 140.000 toneladas anuales.

En forma simultánea a la construcción de laplanta de aluminio primario se llevaron acabo:

• un puerto de aguas profundas en PuertoMadryn; su objetivo inicial fue facilitar laimportación de materias primas para laproducción, así como la exportación demetal producido;

• la central hidroeléctrica Futaleufú, enTrevelin –a 500 km al oeste de PuertoMadryn, sobre la Cordillera de los Andes–,para abastecer de energía eléctrica a laplanta de aluminio.

Este conjunto de emprendimientos constitu-yó un importante polo de desarrollo regionalen la provincia del Chubut. En efecto, la ciu-dad de Puerto Madryn, con sólo 4.000 habi-tantes a comienzos de los '70, supera en laactualidad los 65.000 habitantes.

A meses de la puesta en marcha de la fábricade aluminio primario, ocurrida en 1974,Aluar comenzó a abastecer totalmente lademanda doméstica de aluminio primario.

Desde el inicio de sus operaciones y con elobjetivo de mejorar su posición competitiva,Aluar procuró y alcanzó mejoras productivasde forma permanente y gradual.

En lo que refiere al mercado local de produc-tos elaborados de aluminio, el mismo estuvoliderado durante muchos años por Kicsa, delGrupo Aluar, y por Camea, una empresa dela multinacional canadiense Alcan. En 1993ambos líderes se fusionaron para formarC&K Aluminio S.A., participando en partesiguales en la nueva sociedad. En 1996 Aluaradquirió la totalidad de las acciones de C&K,constituyendo así la "División Elaborados" dela empresa.

Hacia 1998, las instalaciones para solidifica-ción del aluminio líquido en Puerto Madrynfueron ampliadas mediante la compra y pos-terior fusión por absorción de la empresaRefinería Metales Uboldi, próxima a la plan-ta de aluminio primario. Adicionalmente, serealizaron inversiones de actualización tec-nológica y de ampliación productiva en laempresa así adquirida.

En 1999, con la puesta en marcha de nuevasinstalaciones, se verificó un salto en sus eco-nomías de escala, ampliando un 40 % sucapacidad productiva de aluminio primario.Las obras requirieron una inversión superiora los 340 millones de dólares. Esta amplia-ción respondió a una estrategia de reduccióndel costo de producción y continua actuali-zación tecnológica. En la actualidad la pro-ducción de la planta de aluminio en PuertoMadryn supera las 275.000 toneladas anua-les, destinándose a mercados externos cercadel 75 % de ésta.

Hoy, la planta productora de aluminio pri-mario consta de 6 salas que albergan, entotal, 544 cubas electrolíticas. El consumo de

5599

energía eléctrica es de, aproximadamente,3.980.000 MWh anuales, equivalente al con-sumo medio anual de una ciudad de unmillón de habitantes. La energía es provistapor la central hidroeléctrica Futaleufú –conuna capacidad instalada de 472 MW y unageneración media anual de 2.600.000 MWh–y por una central térmica de ciclo combina-do de 120 MW de potencia y seis turbinas degas, con una potencia total de 164 MW.

Además de aluminio primario, Aluar produ-ce unas 35.000 toneladas de aluminio elabo-rado –perfiles, barras, tubos, laminados grue-sos y foil– en su planta de Abasto (Provinciade Buenos Aires).

Reciclaje del aluminio

El alto costo de producir aluminio a partirdel mineral hace muy atractivo el reciclaje.La energía necesaria para reciclar –por ejem-plo, latas de bebidas– es sólo de alrededordel 5 % de la requerida para producir unacantidad equivalente de metal a partir delmineral. La energía ahorrada al reciclar unatonelada de alumi-nio es, entonces,suficiente paraproveer energía auna casa de tama-ño promedio du-rante 10 años.

La industria del reciclado del aluminiocomenzó a desarrollarse al finalizar laSegunda Guerra Mundial. La expansión de laindustria automotriz generaba chatarra dehierro y aluminio a partir de los automóvilesfuera de uso, lo que contribuyó al mejora-miento de la tecnología del reciclado. Laobtención del aluminio secundario experi-mentó una formidable expansión a partir dela década de 1970 en que comenzaron a reci-clarse las latas de bebidas. A partir de enton-ces y alentada por las políticas gubernamen-tales, la producción de aluminio secundarioha crecido constantemente. Así, en el 2002,se reciclaron alrededor de 53 millones delatas de bebidas sólo en los Estados Unidos.

Los deshechos de aluminio a reciclar recibenel nombre de scrap –trozo– y se clasificansegún sean recortes o residuos de la fabrica-ción de piezas nuevas de aluminio, del des-guace de automóviles u otros objetos viejos,o de las latas de bebidas.

Las tecnologías modernas tienden a reciclarmaterial según su origen; así, las fundicio-nes de las plantas de extrusión recuperanscrap proveniente de aluminio extruído. Losproductores de latas de bebidas usan scrapUBC –used beverage cans; latas de bebidausadas–, etc.

En el reciclado de las latas, las principalesetapas del proceso son:

• deballer, operación mecánica para desem-balar las latas de aluminio prensadas;

• shreding, operación mecánica de picar latas,reduciéndolas a pequeñas dimensiones (10x 40-70 mm);

• decoating, pasado de los fragmentos de laslatas por un horno continuo, para quemar

6600

Una información detallada de las actividadesindustriales y comerciales de Aluar SACIpuede obtenerse de su página web:wwwwww..aalluuaarr..ccoomm..aarr.

El aluminio producidoa partir de chatarra,se denomina aalluummiinniioosseeccuunnddaarriioo.

6611

la capa de barniz y tinta; los compuestosvolátiles son incinerados;

• refundición, fundición de los trozos del alu-minio en hornos rotativos o en hornos deinducción.

El rendimiento del proceso es del 88-90 %; osea, por cada tonelada de latas se obtienen880 kg de lingote de aluminio.

ALUMINIO RECUPERADO A PARTIR DE

CHATARRA DURANTE 200317

AAlluummiinniioo rreeccuuppeerraaddooccoommoo TToonneellaaddaass mmééttrriiccaass

FFuunnddiicciióónn ddee aalleeaa--cciioonneess 415.717

AAlleeaacciioonneess eenn bbrruuttoo 2.159.626

TToottaall 2.575.343

17 International Aluminium Institute New Zealand House Haymarket (2004) London.

Los principales usos del aluminio laminadoen caliente se encuentran en la industria aero-náutica y en la fabricación de utensiliosdomésticos. Los laminados finos se usan en elenvasado de diversos productos, en la indus-tria de la construcción –ya sea como mem-branas o como revestimientos– etc. El alumi-nio extruído se emplea en la construcción, en

marcos de puertas y ventanas. El aluminiomoldeado, en la industria automotriz.

Otra aplicación importante del aluminio es lafabricación de cables de alta tensión; porque,el aluminio combina una buena conductivi-dad eléctrica con una densidad que es unatercera parte de la densidad del cobre.

Usos y aplicaciones del aluminio

Actividad 1.5. Aluminotermia

Una de las maneras de comprobar el carácterfuertemente reductor del aluminio es median-te el llamado proceso Goldschmidt de alumi-notermia, consistente en reducir óxidos demetales de transición por aluminio en polvo.

Así como en la reducción de la alúmina se con-sume una cantidad considerable de energía, laoxidación del aluminio libera una cantidad

muy grande de energía. Esto se aprovecha, enla práctica, para producir temperaturas eleva-das en zonas relativamente pequeñas. El pro-ceso Goldschmidt se emplea para producirindustrialmente varios metales, como el man-ganeso y el cromo, en estados de elevadísimapureza, para reparar maquinaria pesada, comocarriles y cigüeñales, y para soldar rielesferroviarios (proceso de la termita). En estosdos últimos casos, empleando magnesio comoiniciador, se hace reaccionar en un crisol

6622

aluminio en polvo con óxido de hierro(III) (termita). La reacción 2 Al + Fe2O3

2 Fe + Al2O3 libera unos 840 kJ por mol dealúmina formada.

La reacción ocurre rápidamente, elevando latemperatura a unos 3000 ºC. El hierro fundidose recoge en el fondo del crisol. De la partesuperior del crisol se retira la alúmina líquiday el hierro fundido se vierte en un molde dearena en el que se encuentra el material a sol-dar o reparar.

En esta actividad se obtiene cromo, según lareacción:

Cr2O3 + 2 Al 3000°C Al2O3 + 2 Cr

La técnica a desarrollar por sus alumnos es:

• En un crisol de tierra refractaria de unos 10 cmde alto, introducen 10 gramos de fluoruro decalcio en polvo.

• Sobre el fluoruro de calcio, agregan unamezcla formada por 17,5 g de óxido decromo (III), 12,5 g de dicromato de potasio y20 g de aluminio en polvo (finísimo).

• Cubren la mezcla con una delgada capa dematerial inflamable formada por 5 g de alu-minio en polvo y 15 g de peróxido de sodio.

• En la mezcla, insertan una cinta de magnesioo una tira de papel nitratado seco (prepara-do mediante la impregnación de papel de fil-tro con solución de KNO3 al 10 %).

• Colocan el crisol en un baño de arena y dis-ponen el conjunto de modo que las chispasque eventualmente se desprendan no cau-sen daño en un radio de 1 m.

• Retiran de los alrededores todo materialinflamable, se resguardan los ojos con gafasy, mediante una cerilla, encienden la cintade magnesio (o la tira de papel nitratado).

Según la forma y las dimensiones del crisol,podría ocurrir que sólo arda la mezcla infla-mable sin que se inicie la combustión en elresto de la masa. En este caso, se repite laoperación agregando el doble de mezcla infla-mable.

La reducción del óxido de cromo por el alumi-nio es fuertemente exotérmica, al punto quela temperatura en el crisol puede alcanzar los3000 ºC.

Una vez completada la reacción, se deja enfriarel crisol y se lo rompe para separar el régulo decromo de la ganga. Luego, se pesa el régulo decromo y se calcula el rendimiento.

6633

La fabricación de aluminio produce variosefectos ambientales no deseados. Los másimportantes son la emisión de CO2 y la for-mación de perfluorocarbonos; por la natura-leza misma del proceso, cada mol de alumi-nio producido por electrólisis genera, teóri-camente, ¾ de mol de CO2. A estas cantida-des hay que sumarle las emisiones de conta-minantes que se producen en el proceso defabricación de los ánodos y en los tratamien-tos posteriores a la electrólisis. Además,como casi el 50 % de la fabricación del alu-minio usa electricidad generada por centralestérmicas debe computarse también el CO2producido en la generación eléctrica.

En cuanto a las emisiones de perfluorocarbo-nos, el IAI calculó 0,30 kg de tetrafluorome-tano y 0,03 kg de hexafluoroetano por tone-lada métrica de aluminio. Aplicando los valo-res de la Tabla de factores potenciales de calen-tamiento global recomendada por la ComisiónIntergubernamental sobre el CambioClimático de las Naciones Unidas (1 kg CF4 ≡≡ 6500 kg CO2; 1 kg C2F6 ≡ 9200 kg CO2),las emisiones de PFC generan un equivalen-te de 2,23 toneladas de CO2 por tonelada dealuminio primario.

Aún con estos cál-culos conservado-res, estimando laproducción mun-dial por electrólisisen 25 millones detoneladas/año yconsiderando queel 47 % de la elec-tricidad es sumi-nistrada por cen-trales térmicas, lacontaminación ambiental generada por los

Para identificar el cromo, se disuelve elrégulo en ácido clorhídrico y se efectú-

an las reacciones:

• con solución de NaOH,• con solución de NaOH y unos gramos de

peróxido de sodio.

A la solución amarilla que se obtiene se leagregan unas gotas de solución de cloruro debario.

Aspectos ambientales derivados de la producción de aluminio

La organización que agrupa al 89 % de losproductores, el International AluminiumInstitute, ha estimado, cautelosamente, queen la electrólisis, con un consumo de 15,95 kWhpor tonelada de aluminio líquido, se producen1,6 toneladas de CO2 por tonelada de aluminioy 5,8 toneladas métricas de CO2 por toneladade aluminio debido al combustible empleadoen las centrales térmicas.

Por su parte, las orga-nizaciones ecologistassostienen que la polu-ción generada porestos procesos rondalas 8 toneladas deCO2/tonelada de alumi-nio, lo que elevaría lacifra a unos 200 millo-nes de toneladas deCO2/año.

procesos Hall-Héroult es equivalente a casi164 millones de toneladas de CO2 por año.

Conservadores o exagerados, los distintoscálculos han puesto en evidencia no sólo elproblema sino la necesidad de resolverlo o, almenos, de paliarlo; y esto ha sido tratado endiversos ámbitos internacionales. En 1992,se firmó el Convenio Marco de las NacionesUnidas sobre Cambio Climático y, en 1997,los representantes de más de 150 países sus-cribieron el Protocolo de Kyoto, proponien-do disminuciones obligatorias en las emisio-nes de gases de invernadero por parte de los39 países más industrializados.

La Iniciativa mundial de desarrollo sostenible delaluminio, publicada por el IAI aborda losasuntos de sustentabilidad de la industria delaluminio en una escala internacional. Elinforme destaca los objetivos comunes que laindustria del aluminio aspira alcanzar:

• Reducción del 80 % de las emisiones degases de efecto invernadero de los com-puestos perfluorcarbonados para la indus-tria en su conjunto, para 2010 en relacióncon 1990.

• Reducción de las emisiones de fluorurospor tonelada de aluminio producido en unmínimo del 33 % para la industria en suconjunto para 2010, en comparación conlas cifras de 1990. La meta a cumplir serevisará en 2006.

• Reducción del 10 % del consumo de laenergía de fundición de la industria para2010 en relación con 1990.

• Para 2010, el 95 % de todas las fábricasmiembros del International AluminiumInstitute (IAI) implementarán Sistemas deGestión para el Medio Ambiente (incluyen-

do normas ISO 14000 o certificacionesequivalentes), y para la Salud y la Seguridad.

• Control del rendimiento global del recicla-do y uso de los datos para establecer obje-tivos voluntarios. Se desarrollará un pro-grama de acción global para alentar unincremento en el volumen de metal de alu-minio recuperado de la chatarra.

• Supervisión anual de los cargamentos de alu-minio destinados al sector transporte, pararastrear la contribución del aluminio (debidoa su baja densidad) en la reducción de lasemisiones de gases de efecto invernadero deltransporte carretero, ferroviario y marítimo.

Los temas ambientales asociados con la pro-ducción de aluminio entran en dos categorí-as principales:

• Necesidad de abordar los requisitos de altaenergía del proceso Hall (y del proceso Bayer,que calcina los minerales de aluminio paraproducir la alúmina de alta pureza requeridapor el proceso Hall). Hoy en día, el porcen-taje mayor de la energía eléctrica consumidaen la producción electrolítica del aluminioproviene de centrales hidroeléctricas, demanera que los costos y las emisiones sonrelativamente bajos; sin embargo, hay unapresión continua para reducir los costos ymejorar la eficiencia de la producción,esfuerzos que contribuirán a reducir elimpacto ambiental de la producción.

• Control de la emisión de gases de efectoinvernadero. En el proceso Hall, el oxígenoproducido por la reducción de la alúminaoxida y consume el ánodo de carbono; elmejoramiento de la eficiencia de la produc-ción de aluminio puede reducir sustancial-mente la emisión de CO2.

6644

Desde el año 2003, la Asociación delAluminio y el Departamento de Energía delos EE.UU. vienen desarrollado un plan detrabajo tecnológico para la industria del alu-minio. Entre los objetivos principales seencuentran los siguientes:

• Superar la tasa de reciclado de cualquier otromaterial reciclable, de modo de convertir a laindustria del aluminio en líder de la susten-tabilidad. El objetivo de máxima incluyealcanzar un 100 % de reciclado de aluminiopara 2020 y cerrar la brecha de valor entrelos materiales vírgenes y reciclados.

• Producir un impacto positivo neto sobre elmedio ambiente a lo largo del ciclo de vidade los productos de aluminio que sustitu-yen al acero. Así, se ha estudiado que, enun automóvil, la sustitución del acero porel aluminio –menos denso– reduce la emi-sión de CO2 debido al mejor aprovecha-miento del combustible. Los cálculos indi-can que, a lo largo del ciclo de vida de unautomóvil, cada kilogramo de aluminiosustituyente reduce la emisión de CO2 en20 kilogramos.

• Reducir significativamente las emisiones degases de efecto invernadero.

• Cumplir o superar un objetivo de consumoenergético máximo de 11 kWh/kg de alu-minio, así como lograr otros objetivos deeficiencia energética establecidos por laindustria. Este objetivo incluye la definiciónde una generación de procesos (no Bayer yno Hall-Heroult) de eficiencia energética.

• Reducir el costo de la producción y pro-ductos de metal en un 25 % para 2020,reducir el uso de la energía en la fundiciónen un 25 % para 2020 y reducir el consu-mo de carbono a 0,4 kg por kg de aluminio.

El plan de trabajo también incluye un resu-men de las necesidades prioritarias de desa-rrollo tecnológico:

• Sustituir los electrodos de carbono consu-mibles por ánodos inertes o refractarios.Reducir los costos, mejorar la productivi-dad, reducir el uso de energía y eliminarlos gases de efecto invernadero (tanto elCO2 como los compuestos perfluorcarbo-nados). El plan de trabajo define un con-junto de características de rendimiento quedebe tener un ánodo inerte, incluyendo elcomportamiento electroquímico, la con-ductividad eléctrica, la tasa de erosión, laspropiedades mecánicas, la resistencia a laoxidación y los beneficios económicos.Actualmente, no hay materiales que satisfa-gan todos o, al menos, la mayoría de estosrequisitos. Sin embargo, el plan de trabajodefine los pasos críticos en el proceso dedesarrollo tecnológico, desde la definiciónde los apuntalamientos químico y termodi-námico de un proceso exitoso, estudiosteóricos de tecnologías candidatas, hastademostraciones piloto y totales.

6655

Recordemos que cada tonelada de aluminioque se obtiene electrolíticamente produce unmínimo teórico de 1,23 toneladas de CO2 poroxidación anódica. Pero, el promedio real esdel orden de 1,7 toneladas de CO2 por toneladade aluminio. A esto hay que sumarle la emisiónde CO2 producida por la combustión de mate-riales fósiles en las centrales térmicas y la for-mación de compuestos perfluorocarbonados.Todo esto hace que la contribución a la polu-ción ambiental de la industria del aluminio porel proceso Hall-Héroult ronde las 164 millonesde toneladas anuales de CO2 o su equivalente.

• Las brechas de conocimiento en el procesa-miento de aluminio van desde la necesidadde información fundamental sobre solidifi-cación, hasta predicciones sobre las relacio-nes entre la calidad del metal y la economía,optimización de los procesos de fabricaciónde aleaciones, etc. Los temas a investigarincluyen el desarrollo de modelos con capa-cidad de predicción para todos los aspectosdel procesamiento del aluminio, incluyen-do fundición, solidificación y reciclado. Unsegundo tema prioritario de investigaciónes el desarrollo de tecnologías de colada decintas y planchones para producir un pro-ducto más uniforme con un mejor acabadode la superficie y una reducida segregación.Otro tema de investigación es la integraciónde una variedad de conceptos que permitanla optimización de la planta de colada yfundición del futuro.

Otros aspectos importantes a investigar sonel uso de modelos computarizados, comoherramientas para evaluar las nuevas tecno-logías, y la necesidad de desarrollar mejoressensores para mejorar el control y la verifica-ción de los procesos de producción y fabrica-ción de aluminio.

El Plan de Trabajo de Tecnología para laIndustria del Aluminio del IAI, iniciado en2003 se centra, principalmente, en tres áreas:

• Productos y mercados.• Desarrollo sustentable y energía.• Recursos.

El Plan de Trabajo define los objetivos de ren-dimiento en la totalidad de la industria pararastrear los avances y lograr los objetivos estra-tégicos que involucran las soluciones técnicasen estas áreas. El plan presenta objetivos deta-llados específicos de cada sector, barreras tec-nológicas, y prioridades de I+D. También pro-

vee líneas de tiempo y clasifica las necesidadesde I+D, basándose sobre diferentes procesos:

• Producción primaria.• Fundición, solidificación y reciclado.• Fabricación.• Desarrollo de aleaciones y productos termi-

nados.

Los objetivos estratégicos se alinean con losobjetivos de rendimiento de la totalidad de laindustria, para asegurar el oportuno cumpli-miento de los objetivos. Los objetivos estraté-gicos se prevén a fin de establecer a la indus-tria del aluminio como líder en la economíamundial. El objetivo de desarrollo sustentablees superar la tasa de reciclado de todos losotros materiales y establecerse como líder ensustentabilidad. La industria del aluminioapunta a generar un impacto positivo sobre elmedio ambiente a lo largo del ciclo de vida delos productos y, también, desea producir ceroemisiones de gases de efecto invernaderosobre una base del ciclo de vida.

Para alcanzar los objetivos de sustentabili-dad, la industria ha definido ciertos objetivosde rendimiento:

• Reciclado del 100 % del aluminio para 2020.• Cierre de la brecha de valor entre los mate-

riales nuevos y los reciclados, a fin de opti-mizar el valor de los productos reciclados.

• Uso del sistema establecido de registro deresultados en el ciclo de vida en todas lasindustrias, para evaluar los avances

• Producción de cero emisiones peligrosaspara 2020.

Sin embargo, el proyecto tiene sus detractores.Grupos ambientalistas y otros grupos han cri-ticado el proyecto por razones económicas,ambientales y de sustentabilidad a largo plazo.Entre las preocupaciones se encuentran:

6666

6677

• Emisiones de gases de efecto invernadero,debido a que sólo la combustión de losánodos genera más de 50 millones de tone-ladas/año de CO2.

• Emisiones de SO2, subproducto de los pro-cesos de fundición de aluminio.

• Asuntos ambientales locales, tales como laturbidez del agua en el depósito, y los ríosy lagos afectados.

• Soplado de polvo del barro rojo que quedaal descubierto cuando el depósito está bajo.

EEll PPrroottooccoolloo ddee KKyyoottoo yy llaa rreedduucccciióónn ddee eemmiissiióónn ddeeccoonnttaammiinnaanntteess

Con el objetivo de reducir el "efecto invernadero" ypromover el desarrollo sustentable, los paísesmiembros de las Naciones Unidas sancionaron laConvención de Cambio Climático. Bajo el paraguasde dicha Convención, en 1997 sancionaron elProtocolo de Kyoto donde los países industrializa-dos (definidos en su Anexo 1) se comprometieron areducir sus emisiones de gases de efecto inverna-dero en un promedio de 5,2 % respecto del año1990, en un período de compromiso que abarca losaños 2008 a 2012. Los gases de efecto invernaderodefinidos en dicho Protocolo son: dióxido de carbo-no (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O), CFC-HFC-PFC, y el hexafluoruro de azufre (SF6).

MMeeccaanniissmmooss ddee mmeerrccaaddoo ddeell PPrroottooccoolloo ddee KKyyoottoo

Debido a que los gases de efecto invernadero semezclan en la atmósfera, la solución más económi-ca es reducirlos donde el costo marginal de reduc-ción sea más bajo. A tal efecto, el Protocolo deKyoto introduce tres mecanismos de mercado flexi-bilizadores:- IImmpplleemmeennttaacciióónn ccoonnjjuunnttaa ((AArrtt.. 66)):: Sólo pueden

hacerla los países incluidos en el Anexo 1 (los másindustrializados). Un país desarrollado puede hacerinversiones para reducir la emisión, tanto en otropaís desarrollado como en un país en vías de desa-rrollo, donde los costos de reducción sean meno-res, y computar dicha reducción como crédito paracumplir su meta interna de reducción.

- VVeennttaa ddee ppeerrmmiissooss ddee eemmiissiioonneess ((AArrtt.. 1177)):: Sólopueden hacerla los países incluidos en el Anexo 1;posibilita la venta de cupos de emisión. Los paísesque excedan sus metas de reducción podrán ven-der sus excedentes a los países deficitarios.

- MMeeccaanniissmmoo ddee ddeessaarrrroolllloo lliimmppiioo ((AArrtt.. 1122)):: A dife-rencia de los anteriores, no está limitado a los paí-ses del Anexo 1. Según este mecanismo, un paísmás desarrollado puede efectuar inversiones enpaíses menos desarrollados y usar la reducción de

emisiones como crédito para cumplir su metadoméstica. El Mecanismo de Desarrollo Limpio y laImplementación Conjunta funcionan sobre la basede proyectos específicos, mientras que elComercio de Emisiones opera contra la meta gene-ral que debe cumplir un país o una empresa.

El Protocolo de Kyoto entró en vigencia el 16 defebrero de 2005.

Los países que no están incluidos entre los másindustrializados, es decir, los países en vías de de-sarrollo, no están obligados a cumplir metas dereducción de emisiones, en virtud del principio deresponsabilidades comunes pero diferenciadas;pero, pueden aprovechar sus ventajas comparati-vas de costos a través del Mecanismo deDesarrollo Limpio. El objetivo es que los países másindustrializados hagan sus reducciones de emisio-nes donde el costo marginal sea más bajo.Los proyectos de Mecanismo de Desarrollo Limpiootorgan créditos computables contra las cuotas deemisión asignadas a los países más industrializa-dos. Estos créditos se denominan unidades dereducción de emisión certificadas. Estos certifica-dos también son llamados bonos de carbono.Toda reducción de emisiones debe ser verificada poruna "Entidad Operacional". Para que un proyectocalifique para obtener los bonos de carbono, debedemostrar: a) una reducción real, medible y a largoplazo de las emisiones, b) que la reducción es adi-cional a la que se produciría en ausencia del proyec-to. Para demostrar la adicionalidad se requiere cons-truir una línea de base, que representa la situaciónde desarrollo más probable en ausencia del proyec-to. Estas disposiciones han dado lugar a la creaciónde un incipiente mercado de bonos de carbono. ElBanco Mundial ha sido uno de los impulsores de estemercado al constituir, en el 2000, un fideicomisodenominado "Fondo Prototipo Carbono" destinado ainvertir en proyectos de Implementación Conjunta yde Mecanismo de Desarrollo Limpio.

A los efectos de reducir el impacto ambientalque genera la producción electrolítica de alu-minio, se han propuesto diversos paliativos.El de mayor viabilidad en el corto plazo esincentivar el reciclado; esto produce undoble efecto: por un lado, reduce el consumode electricidad en un 95 % y, por otro, nogenera CO2. Otra de las herramientas viablesen el corto plazo es mejorar los métodos decontrolar la concentración óptima de la alú-mina en el baño electrolítico, para minimizarla producción de PFC cuando esa concentra-ción cae por debajo del umbral del "efectoanódico".

Para el corto y mediano plazo, quizás esténdisponibles a escala industrial los llamados"cátodos humectables". En el baño electro-lítico, el aluminio líquido que se depositaen el fondo de la celda no "moja" al cátodode carbón. Se están experimentando mate-riales que permiten un mejor contacto;entre ellos, el TiB. Este material tiene exce-lente conductividad eléctrica, es "mojable"por el aluminio líquido y, cuando funcionacomo cátodo, es muy resistente a la corro-sión, tanto por el aluminio como por losdemás componentes del baño electrolítico.Cubriendo el fondo ligeramente inclinadodel carbón de la celda con una capa deboruro de titanio y proveyendo de un sumi-dero apropiado para colectar el aluminiolíquido, se reduce sensiblemente la distan-cia ánodo-cátodo (ACD) que es la principalcausa del sobrevoltaje que se produce en lacelda. La ACD de las celdas más modernases de unos 5 cm; pero, mediante los cáto-dos humectables podría reducirse esa dis-tancia a menos de 4 cm, con lo que el vol-taje requerido para la electrólisis podríabajar de 4,1-5,2 V a menos de 3,5 V.

Otra manera de reducir la contaminaciónsería emplear ánodos inertes. Se han ensaya-

do diversos materiales para que funcionencomo ánodos inertes –entre ellos, la hemati-ta, el óxido de estaño (IV), aleaciones deferrita de níquel y cobre, etc.–.

Tanto los cátodos humectables como los áno-dos inertes están en etapa de experimenta-ción y aún no se aplican industrialmente.

Se han propuesto algunos métodos alterna-tivos al proceso Hall-Héroult. Algunos hastase han aplicado a escala industrial. Así, en ladécada de 1960, Alcan desarrolló el procesocatotérmico subhaluro o proceso de monocloru-ro de aluminio, mediante el cual se reducía labauxita con carbón, y el aluminio así obte-nido se purificaba mediante un método enel que se empleaba monocloruro de alumi-nio. Pero, se encontró que el consumo deenergía era mayor que el proceso Hall-Héroult y que, además, presentaba muchosproblemas debido a la corrosión, por lo quefue abandonado.

Para la misma época en que Alcan ponía enfuncionamiento su proceso, la TothCompany puso en funcionamiento unaplanta en la que se trataba, a alta tempera-tura, arcilla con carbón y cloro para obtenercloruro de aluminio. Esta sal era tratadacon manganeso con lo que se formaba clo-ruro de manganeso y aluminio. Mediante laacción del aire sobre el cloruro de manga-neso se regeneraba el cloro y el óxido demanganeso formado era, luego, reducido amanganeso por calentamiento con carbón.Alcoa –Aluminum Company of América–intentó, también, un método alternativomediante el cual se calentaba alúmina concarbón y cloro para producir cloruro dealuminio anhidro. Del cloruro de aluminiose obtenía el aluminio por electrólisis enceldas con electrodos de grafito. Los pro-blemas técnicos que presentaba el proceso

6688

hicieron que la empresa discontinuase estamanera de producir aluminio.

6699

La Office of Energy Efficiency and RenewableEnergy es una dependencia del Departamentode Energía de los EE.UU. De su página web:

wwwwww..eeeerree..eenneerrggyy..ggoovv//iinndduussttrryy//aalluummiinnuumm//ccoommpplleetteedd__rrdd..hhttmmll

pueden bajarse diversos archivos en formatopdf sobre los diversos aspectos de los proce-sos de elaboración del aluminio que puedenreducir el consumo de energía y la emisión decontaminantes.

7700

El hierro constituye cerca del 1,51 % en pesode la corteza terrestre. Es uno de los sietemetales conocidos desde la antigüedad.Aunque muy raramente se encuentra libre enla naturaleza, la facilidad con que sus óxidosson reducidos por el carbón y la abundanciade éstos en la superficie terrestre, hicieronposible su descubrimiento y aplicación a lafabricación de utensilios y armas.

El hierro se encuentra en numerosos mineralesy mineraloides: magnetita (Fe3O4), hematitesFe2O3), limonita (Fe2O3 . nH2O), siderita(FeCO3), pirita (FeS2), etc. Si bien hay unadiversidad de minerales de hierro distribuidossobre la corteza terrestre (óxidos, carbonatos,sulfuros, sulfatos, silicatos, etc.), son pocos losminerales usados comercialmente como fuentede hierro. La razón estriba en el porcentaje demetal –o ley– que el mineral contenga. Para serutilizados en la industria siderúrgica, estosmateriales debencontener un míni-mo de 40 % dehierro; las impure-zas (ganga) quesiempre acompa-ñan a los minera-les, disminuyeneste porcentaje dehierro.

Otro factor quepuede condicionar el uso de un mineral de hie-rro como materia prima para la obtención de

acero es la presencia de ciertos elementos quepuedan dificultar el proceso o que le comuni-quen al producto características indeseadas.

En la Argentina hay yacimientos de minera-les de hierro en la región Noroeste (Jujuy,Salta, Catamarca y La Rioja), en la regióncuyana (Mendoza, San Juan y San Luis) y enciertas zonas de la Patagonia. Sin embargo,hoy en día, no se cuenta con ningún yaci-miento ferrífero en funcionamiento en escalade explotación industrial. De hecho, laindustria siderúrgica se provee íntegramentede mineral de hierro importado –especial-mente, desde Brasil–.

Hasta mediados de la década de los '90 fun-cionó el yacimiento de Sierra Grande, en laprovincia de Río Negro, explotado porHIPARSA, Hierro Patagónico Rionegrino SA,que proveía de mineral a los establecimientossiderúrgicos más importantes, ubicados sobrela ribera del Paraná. El yacimiento se encuen-tra en la cuenca ferrífera de Sierra Grande, enlas proximidades de la localidad del mismonombre, a 130 kilómetros de la localidad deSan Antonio Oeste. La estructura dominantede este yacimiento es un anticlinal, cuyonúcleo ha sufrido un proceso intrusivo quetransformó la hematita original (Fe2O3) enmagnetita (Fe3O4). Tiene la forma de unmanto de dirección general N-S y aflora a lolargo de más de 3 km. El espesor medio es de10 m, en tanto la profundidad alcanzadahasta el presente con conocimiento de las

2. LOS MINERALES DE HIERRO COMOMATERIA PRIMA

El hierro

La magnetíta contiene,teóricamente 72,3 %de hierro, la hematita69,9 %. En cambio, elcontenido teórico dehierro en la pirita es deapenas 46,6 %. Losporcentajes reales dis-minuyen debido a laganga.

características del mineral, es de 800 m. Lamineralización se compone, principalmente,de magnetita, con turingitas y hematitascomo minerales secundarios.

Las reservas comprobadas del yacimiento soncercanas a los 90 millones de toneladas,mientras que las probables alcanzarían los200 millones de toneladas.

El complejo minero industrial de Hiparsaestá integrado por la mina subterránea pro-piamente dicha, plantas de beneficio –mag-nética y por flotación–, transporte del con-centrado, pelletización, playa de productosterminados y embarcadero. Se ha llamado alicitación internacional, lo que ha concita-do el interés de algunos empresarios, entreellos inversores chinos.

El mayor productor mundial de mineral dehierro es Brasil, seguido de Australia. En latabla se dan los tonelajes brutos de la pro-ducción de los principales países producto-res. Si se considera el contenido en hierrometal, en 2001, Brasil alcanzó los 125 millo-nes de toneladas, Australia 113 millones yChina –que, en mineral, supera a ambos paí-ses–, dado el bajo contenido en hierro de susmenas, produjo unos 73 millones.

Según información suministrada por FIME-SA19, la producción de mineral de hierro lati-noamericana, en 2004, se desarrolla en nivelessimilares a 2003. Los incrementos no resultansignificativos en términos comparativos. Sinembargo, la CVRD (la principal empresaminera brasileña) tiene previstas fuertes inver-siones a corto plazo. Por una parte, construiráun nuevo muelle en el puerto de Ponta deMadeira, a fin de elevar su capacidad hasta los56 millones de toneladas anuales, permitiendola entrada a barcos de hasta 2.000.000 tonela-das de porte bruto. También pretende ampliarsus instalaciones, tanto de minería como debeneficio en Carajás, tras el desarrollo de unnuevo depósito que elevará la producción deCarajás en un 30 %. Estas expansiones sonnecesarias para suministrar mineral a la plan-ta de pelletización, con capacidad para 6millones de toneladas por año, que se terminóde construir en 2002. Por otra parte, CVRDfirmó un acuerdo con el mayor fabricante deacero de China, Shanghai Baosteel Group Corp.,para crear una joint-venture20 al 50 %, BaovaleMineraçao SA, a fin de explotar una mina enAgua Limpia (Minas Gerais, Brasil) para pro-ducir 8 millones de toneladas de mineral dehierro por año.

MBR, otra empresa brasileña, está ampliandosu capacidad de producción en las minas de

7711

Un grupo inversor chino arribará hoy a SierraGrande para efectuar un estudio técnico delcomplejo de Hiparsa. La comitiva es especial-mente técnica y la integran una docena de pro-fesionales, la mayoría con especialidades enlos procesos y áreas mineras instaladas en lalocalidad rionegrina. El gobierno provincialtiene marcadas expectativas pero, pública-mente, aparece como moderado en sus actitu-des. Los responsables de la comitiva china sereunirán esta semana -seguramente, el mar-tes- con el ministro Juan Accatino. Pero, elgobernador Miguel Saiz recién tendrá contac-tos cuando concurran a Río Negro con "el pro-yecto de iniciativa privada", comentó una fuen-te gubernamental, expresando así que la admi-nistración no quiere alentar mayores expecta-tivas públicas en los primeros contactos. Entotal reserva, una delegación mínima visitóSierra Grande hace algunos días. Ahora, elgrupo lo componen técnicos para profundizarasí cualquier alternativa productiva18.

18 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.

7722

PRODUCCIÓN DE MINERAL DE HIERRO EN BRUTO21 –EN MILES DE TONELADAS–

21 British Geological Survey. Index Mundi y United States Geological Survey Mineral Resources Program y World Mineral Statistics 1997-2001.

PPaaíísseess 11999999 22000000 22000011 22000022 22000033ee

Argelia 1.336 1.645 1.291r 1.202r 1.3783

Australia 154.268 167.935 181.553 182.704 187.219Austriae 1.7525 1.800 1.800 1.900 1.800Azerbaijane -- NA NA NA NABosnia & Herzegovinae 150 150 150 150 150Brasil 194.000 212.576r 210.000 212.000r 212.000Bulgaria 699 559 464r 373r 375Canadá4 33.900 35.427r 26.981r 30.969 31.000Chile 8.345 8.729 8.834 7.269r 7.300Chinae, 5 237.000 223.000 220.000 231.000 261.000Colombia 576 660 637 688r 625p

Egipto 2.700e 1.900 2.600 2.300 2.900Franciae 250 -- -- -- --Alemania 100 -- -- -- --Grecia e, 6 1.600 1.500 1.500 1.500 1.500Guatemala 11 16 15 15e 15India 70.220 75.950 79.200 94.300r. e 105.500Indonesia 584 489r 469r 379r 2455

Irán 10.776 12.370 10.300 11.300 16.000Japón 1 1 1 1 1Kazakhstan2 9.091 16.160 14.140 15.423 17.3115

Kenya NA 1 1 1 1Corea del Nortee 3.800 3.800 4.200 4.100r 4.300República de Corea 410 336 195 157r 150Macedoniae 15 15 15 15 15Malasia 337 259 376 404 5975

Mauritania 10.400 11.345r 10.302r 9.600e 10.100México 11.475 11.325 8.783 9.900r 11.200Marruecos 7 6r 8 9r 45

Nueva Zelanda7 2.303 2.692 1.636 1.700r. e 1.900Nigeria -- 25 25 25 --

7733

Noruega 520 543e 500 515 515Perú 3.949r 4.144r 4.564 5.494 5.2295

Portugal8 16 15e 15 15e 15Rumaniae 131 116r 292r 341r 315Rusia 81.311 86.630 82.500 84.236 91.7605

Serbia & Montenegroe 50 50 -- -- --Eslovaquia 479 477 435r 326r 325Sudáfrica8 29.508 33.707 34.757 36.484 38.0865

Suecia 18.558 20.557 19.486 20.300r. e 21.500Tailandia 123 (10) (10) 570 105

Túnez 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 599 451 361 272 367

TToottaall 11..001166..228899rr 11..007788..225511rr 11..005500..556688rr 11..110000..008899rr 11..116633..777700

ee estimado; p: preliminar; r: revisado; NA: no disponible, cero.11 La tabla incluye datos disponibles hasta el 16 de julio de 2004.22 Los datos de Azerbaijan, Kazakhstan, Corea del Norte, y Ucrania fueron informados por el U. S.Geological Survey 33 Informado.44 Incluye algunos subproductos.55 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.66 Mineral de níquel-hierro. 77 El cálculo de mineral en bruto parte de una estimación del 60 % de hierro en él.88 Concentrados de arenas con magnetita y mineral de titanio.99 Incluye minerales de hierro y manganeso.

7744

PROPIEDADES FÍSICAS DEL HIERRO2222

Tamanduá y Capitao de Mato, que reempla-zarán a las de Aguas Claras y Matuca. Unaprimera línea de su planta de beneficio enCapitao de Mato se amplió en 2001; lasegunda línea se completó en 2003. Cadalínea tiene una capacidad de producción de 8millones de toneladas de mineral por año.

China, primer productor mundial de acero,seguirá incrementando su producción en lospróximos años. Aunque cuenta con grandesrecursos propios de mineral de hierro, sucontenido en Fe es bajo (aproximadamente,

32 %), por lo cual el país está invirtiendo enminas en otros países, a través de joint-ventu-res, como la ya citada en Brasil y también enAustralia. Así, Shanghai Baosteel GroupCorp. firmó un acuerdo con Hamersley IronOre Pty Ltd. (100 % de Río Tinto), para for-mar una joint-venture y explotar mineral dehierro en el oeste de Australia La nueva minase sitúa 10 km al este de la mina Paraburdoo,en la región de Pilbara. Hamersley suminis-trará a Baosteel 200 Mt/año durante los 20años de duración del joint-venture.

Símbolo FeNúmero de registro CAS 7439-89-6Masa atómica promedio (u.m.a.) 55,847 Masas isotópicas (u.m.a.) y abundancia relativa :

54Fe56Fe57Fe58Fe

53,939612 . (5,82 %)55,934939 . (91,18 %)56,935396 . (2,1 %)57,933277 . (0,28 %)

Densidad a 20 ºC (g. cm-3) 7,869Punto de fusión (K) 1809 Punto de ebullición (K) 3273 Calor específico 0 - 100 ºC (cal g-1 ºC-1) 0,111Capacidad calorífica molar a presión constanteentre 298 y 1809 K en J. K-1 mol-1

23,97449 + 8,67750t + 0,000277t2 - 0,000086 t3 - - 0,000005/t2 (t =K/1000)

Capacidad calorífica molar del líquido a presiónconstante entre 1809 y 3133 K en J. K-1 mol-1

46,02400 -1.884667×10-8t + 6.094750 × 10-9 t2 -- 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) 0,16Coeficiente de dilatación lineal (ºC-1) 1,3 x 10-5

Módulo de elasticidad longitudinal (kg. mm-2) 21.070Resistencia a la tracción (kg. mm-2) 22,0Alargamiento a rotura (L = 5D) 50,0 %Dureza Brinell (Hd) 60

22 National Institute of Standards and Technology.

El hierro cristaliza en el sistema cúbico.

• Por debajo de los 910 ºC, la celdilla ele-mental es cúbica intracentrada.

• Hasta los 768 ºC tiene propiedades magné-ticas (hierro α); a esta temperatura, desapa-recen las propiedades magnéticas (hierro β)y la arista de la celdilla elemental aumentaligeramente de 2,86 a 2,90 ångstrom.

• A los 910 °C se produce la transformacióna hierro γ, en el cual la celdilla es cúbica decaras centradas.

• A partir de los 1401°C es cúbica intracen-trada (hierro δ) estructura que se mantienehasta los 1530 ºC –temperatura a la cual elhierro funde–.

Por lo tanto –en sentido estricto–, el hierrotiene sólo dos formas alotrópicas:

• la α, estable hasta 910 °C y desde 1401hasta 1530 ºC, y

• la γ que sólo es estable entre 910 y 1401 °C.

Sin embargo, los cambios de estado sonrelativamente lentos; especialmente, amedida que disminuye la temperatura delmetal. Así, es bastante frecuente encontrarambas formas fuera de sus límites de tem-peratura.

Se puede obtener hierro de elevada purezaelectrolizando soluciones de sus sales (cloru-ros, sulfatos, etc.). En este proceso se utilizachatarra de hierro como ánodo. El hierropuro así obtenido es muy frágil; sin embargo,al ser sometido al proceso de recocido, sevuelve dúctil, adquiriendo buenas propieda-des eléctricas y magnéticas. Pero, en la indus-tria no se utiliza el hierro puro sino aleadocon otros e1ementos entre los cuales el másimportante es el carbono.

El sistema hierro-carbono

El valor de la temperatura de transición de laforma α a la forma β del hierro se modificapor la presencia de otros elementos. Al agre-gar otros elementos al hierro, se produce uncambio en el intervalo de temperaturas den-tro del cual la forma γ es estable. Además,como efecto secundario, se produce unavariación de la velocidad del cambio de fase.

Entre los elementos que se agregan al hierro,el carbono es el que más influye en sus pro-piedades, pudiendo formar con aquel tantomezclas como compuestos definidos. Losdistintos cambios que provoca la presenciade carbono en el hierro, se suelen representaren un diagrama llamado diagrama hierro-car-bono. En este diagrama se consideran todaslas variantes de composición y sus respecti-vas temperaturas de equilibrio para mezclasde hierro con hasta un 6,67 % de carbono. Sehan estudiado aleaciones con contenidos dehasta 12 % de carbono; pero, como carecende valor industrial, la parte correspondientedel diagrama suele despreciarse.

El diagrama es de solubilidad parcial en elestado sólido y puede presentarse en dostipos:

• estable, cuando considera las mezclas dehierro con carbono grafítico;

• metaestable, cuando considera al carbonoformando parte de la cementita.

Las temperaturas a las cuales tienen lugar lastransiciones se suelen indicar con la letra Aseguidas de una c –del francés chauffage– si severifican al calentar, y con la letra A seguida deuna r –del francés, refroidissement– si se regis-tran al enfriar. Para una transformación dadaAc y Ar pueden diferir en varios grados debi-

7755

7766

Diagrama hierro-carbono. Se representan las temperaturas en ordenadas y los porcentajes decarbono 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 fórmulaFe3C. Es estable a altas temperaturas pero al enfriarse tiende a descomponerse con separaciónde grafito. Para las aplicaciones industriales es más importante el diagrama, metaestable yaque a las velocidades a las que se enfrían en el proceso las aleaciones forman cementita.

do a fenómenos de histérisis térmica. Así parael equilibrio Fe (α) Fe (γ) , Ac es 910 °C yAr es 899 °C.

Todas las mezclas líquidas que contenganentre 4,3 y 6,67 % de carbono depositancementita sólida al ser enfriadas. Por lotanto, al disminuir la temperatura, la com-posición de la fase líquida se empobrece encarbono aproximándose a la señalada por elpunto E1.

Al enfriar mezclas líquidas que contenganentre 0,5 y 4,3% de carbono, estas depositanaustenita –una solución sólida de carbono enhierro– y, a medida que disminuye la tempe-ratura, la composición del líquido se aproxi-ma a la indicada por el punto E1.

El punto E1 corresponde a una mezclaeutéctica en la cual el sólido tiene 52 % decementita y 48 % de austenita. Esta mezclaeutéctica se conoce como ledeburita y fundea 1145 ºC.

Las mezclas líquidas que tienen menos de0,5 % de carbono depositan, por enfriamien-to, una fase transitoria de hierro α.

Si se tiene, por ejemplo, un líquido con 1,5 %de carbono –P1 en el diagrama– y se loenfría hasta 1420 ºC, comenzará a separar-se un sólido austenítico cuya composiciónestará dada por P2. Como este sólido sólocontiene 0,5 % de carbono, el líquido seenriquece en carbono y su composición semueve a lo largo de la curva AB. A tempera-turas elevadas, los fenómenos de difusiónson rápidos, de modo que, a medida que seproduce el enfriamiento, la composición dela austenita varía según la línea P2D.Cuando el líquido alcanza la composicióndada por el punto P3, la austenita deposita-da tiene el 1,5 % de carbono.

Si el líquido contiene más de 1,7 % de car-bono –por ejemplo, un líquido cuya com-posición y temperatura estén dadas por elpunto P4 del diagrama– irá depositandoaustenita a medida que se enfría y, al alcan-zar la composición del eutéctico, solidifica-rá sin cambios posteriores, con lo cual elsólido estará formado por ledeburita y aus-tenita primaria.

7777

En el gráfico anterior, la región I correspondea composiciones y temperaturas a las cualesla austenita es estable en solución. En laregión II, la austenita es estable como fasesólida homogénea. Como se puede apreciaren el diagrama, el contenido máximo de car-bono en esta región es 1,7 %.

La austenita sólida que se encuentre a tempe-raturas superiores a los 723 ºC y que conten-ga entre 0,89 y 1,7 % de carbono, al alcanzarpor enfriamiento la curva DE, sufre un proce-so de disyunción, en el cual se separa cemen-tita. Mediante este proceso, la austenita seempobrece en carbono hasta que, al alcanzarel punto E con un 0,89 % de carbono, setransforma en una mezcla eutectoidea espe-cial. Esta mezcla eutectoidea tiene una estruc-tura cristalina característica llamada ppeerrlliittaa.La perlita está formada por ferrita –hierro αcon trazas de carbono– y cementita.

Las aleaciones austeníticas que contenganmenos de 0,89 % de carbono, liberarán ferri-ta a lo largo de la curva FE, hasta alcanzar lacomposición eutectoidea.

A los aceros que contienen menos de 0,89 %de carbono se los suele llamar hhiippooeeuutteeccttooii--ddeeooss y a los que tienen entre 0,89 y 1,7 % decarbono, hhiippeerreeuutteeccttooiiddeeooss.

Análogamente, las aleaciones que contienenentre 1,7 y 4,3 % se dicen hhiippooeeuuttééccttiiccaass y

las que contienen más de 4,3 % se dicenhhiippeerreeuuttééccttiiccaass.

Asimismo, las fases sólidas que se formanantes de alcanzar la composición eutéctica oeutectoidea se denominan, respectivamente,proeutéctica y proeutectoidea. Un acero quecontenga 0,5 % de carbono formará ferritaproeutectoidea y perlita, mientras que unamezcla que contenga 3 % de carbono separa-rá inicialmente austenita proeutéctica y lede-burita.

La solubilidad del carbono en la austenitadisminuye de un 1,7 % a 1135 ºC hasta el0,89 % a 723. Por ese motivo, a medida quedisminuye la temperatura, la austenita liberacarbono como cementita. Cuando el enfria-miento alcanza los 723 ºC, la austenita sevuelve inestable y se transforma en perlita.

La cementita es inestable a bajas temperatu-ras y se descompone en carbono y ferrita. Lagrafitación de aceros y fundiciones puede seracelerada por otros elementos. Todas las fun-diciones comerciales tienen grafito libre, yasea como copos gruesos, como partículasfinas o como nódulos.

Fundiciones; clasificacióny propiedades

Las fundiciones tienen innumerables usos;sus ventajas más importantes:

• Son más fáciles de maquinar que los aceros.• Se pueden fabricar piezas de diferente

tamaño y complejidad.• En su fabricación no se necesitan equipos

ni hornos muy costosos.

7788

El porcentaje de carbono en la aleación permi-te definir:

• como aceros, todas las aleaciones de hierroque contienen menos de 1,7 % de carbono,

• como fundiciones a todas aquellas aleacio-nes que contienen más de 1,7 % de carbono.

• Absorben las vibraciones mecánicas y actú-an como autolubricantes.

• Son resistentes al choque térmico, a la corro-sión y tienen buena resistencia al desgaste.

El carbono presente en las fundiciones,puede encontrarse como grafito, comocementita y en solución sólida, asociadotanto a la forma α como a la forma γ. El sili-cio, producido por reducción parcial de laescoria, promueve la formación de grafito.Por el contrario, un enfriamiento rápido de laaleación fundida puede mantener al carbonocombinado en el sólido. De allí que las canti-dades relativas de carbono libre y combinadoestán determinadas por la historia térmicaprevia, por el contenido de silicio y –enmenor medida– por otros elementos.

La llamada ffuunnddiicciióónn bbllaannccaa presenta formasestructurales inestables a temperatura ambien-te, ya que consiste, fundamentalmente, enperlita y cementita. La llamada ffuunnddiicciióónn ggrriisspresenta formas estructurales con equilibrioestable a temperatura ambiente, conteniendo,principalmente, ferrita y grafito.

Se suele distinguir otra variedad de fundición,la llamada aattrruucchhaaddaa. Su característica es quepresenta puntos claros sobre fondo oscuro, oviceversa, debido a que tiene una matriz defundición blanca combinada parcialmente confundición gris. El carbono se encuentra libre ycombinado, siendo difícilmente maquinable.

El color de la fundición no está determinadopor el porcentaje de carbono –que, general-mente, no supera el 4,3 %– sino por el esta-do en que éste se encuentre: combinado ocomo grafito. Generalmente, la fundicióngris tiene un porcentaje de carbono inferior ala blanca. La temperatura de fusión varíaentre 1100 ºC para la fundición blanca y1200 ºC para la fundición gris.

La fundición blanca, perlítica, es de unadureza muy elevada, pero es frágil. Su dure-za y fragilidad hacen que sea muy difícilmecanizarla en máquinas-herramientas nor-males. La fundición gris, ferrítica, es lo sufi-cientemente tenaz para los usos comunes ypuede mecanizarse con relativa facilidad.

La fundición gris ideal debe tener el grafitodisperso regularmente en nódulos o flóculospequeños, ya que las láminas de grafito actú-an como núcleos de corrosión.

Se puede obtener una buena fundición gris apartir de un metal fundido con 3,5 % de car-bono y 1 % de silicio. Justo antes de produ-cirse la fusión, se le agrega un 2 % de siliciocomo ferro-silicio o siliciuro de calcio, y alre-dedor de 0,1 % de cerio o magnesio. A veces,se prefiere agregar níquel en vez de silicio, yaque el níquel no afecta la estructura perlíticay descompone a la cementita, dando grafitoen copos pequeños. Las fundiciones con basede níquel tienen la ventaja de presentar unaestructura consistente, aunque varíe el tiem-po de enfriado. Si se aumenta el contenido deníquel hasta un 4-5 %, se estabiliza la formaaustenítica de hierro γ formada en la solidifi-cación inicial.

Uno de los elementos que afectan el proce-so de obtención de una fundición es el azu-fre. La presencia de azufre aumenta la visco-sidad de la fase líquida, dificultando la cola-da. Si bien estabiliza a la cementita, el azu-fre forma un sulfuro ferroso de bajo puntode fusión que torna quebradizas a las fundi-ciones y facilita el agrietamiento del mate-rial al solidificar.

Mientras que el silicio favorece la separacióndel grafito, el manganeso, en pequeños por-centajes, favorece la permanencia del carbo-no combinado como eementita.

7799

El fósforo forma un eutéctico de bajo puntode fusión que contiene Fe3P, La adición de0,1 % de fósforo da mayor fluidez a la coladapero disminuye la carga de ruptura de lafundición resultante.

Al solidificar, las fundiciones sufren una con-tracción de volumen, con la consiguiente for-mación de tensiones internas. Después desolidificar, la fundición blanca continúa sucontracción a medida que se enfría. Su con-tracción es casi igual a la del acero (16 a 18por 1000). En la fundición gris se observa unaumento de volumen, debido a la separaciónde grafito cuya densidad es considerable-mente más baja que la de la fundición o delhierro.

Por calentamiento prolongado a 300-400 ºCy, especialmente, por calentamientos repeti-dos, las fundiciones experimentan unaumento irreversible de volumen que, enalgunos casos, puede llegar hasta un 30 %.Este aumento de volumen se debe tanto a ladescomposición de la cementita como a laoxidación del hierro y del silicio. Esta carac-terística hace inadecuado el uso de la fundi-ción a temperaturas superiores a los 400 ºC.

Según el tipo de fundición, la carga de rupturavaría entre 1750 y 4400 kg/cm2; la densidadoscila entre 7,1 y 7,2 g/cm3 y la conductibili-dad térmica entre 0,11 y 0,12 cal.s-1.cm-1 °C-1.

Generalmente, a la fundición blanca no se lerealizan tratamientos térmicos, exceptocuando se emplea para obtener funciónmaleable. En cambio, la fundición gris sesomete al tratamiento de recocido para elimi-nar las tensiones internas producidas duran-te la colada, para mejorar las propiedadesmecánicas transformando la perlita laminaren globular o para descomponer la cementi-ta que pudiera hallarse presente.

El ppeessoo eessppeeccííffiiccoo varía con la composicióny, por consiguiente, con el aspecto de la fun-dición; se puede admitir, por término medio:

• Fundición gris: 7 a 7.2• Fundición atruchada: 7.3 a 7.4 • Fundición blanca: 7.4 a 7.6

La tteemmppeerraattuurraa ddee ffuussiióónn varía con la com-posición y el aspecto de la fundición. En pro-medio es:

• Fundición negra gris: 1200 °C• Fundición blanca: 1100 °C

La dduurreezzaa de las fundiciones es relativamen-te elevada. La fundición gris tiene una dure-za de 140 a 250 Brinell y se puede mecanizarfácilmente, porque la viruta se desprendemejor y por la presencia de grafito liberado,que lubrica el paso de la viruta sobre el cortede la herramienta.

La dureza de una fundición blanca puedetomar valores superiores a los 350-400 Brinell.

Las ffuunnddiicciioonneess eessppeecciiaalleess se producen paraobtener materiales con alta resistencia mecá-nica, para aumentar la resistencia a la corro-sión, para poder trabajar a altas temperaturaso para conferirles determinadas propiedadesmagnéticas, eléctricas, químicas, etc.

FFuunnddiicciióónn mmaalleeaabbllee.. Se obtiene empaquetan-do fundición blanca en recipientes cerradosfabricados de una aleación de hierro resisten-te a la temperatura y calentando esa fundi-ción en un horno hasta 900 ºC durante treso cuatro días. Durante el calentamiento, lacementita se descompone gradualmente engrafito y ferrita, mientras que la perlita setransforma en austenita. Al enfriar lentamen-te, se deposita más grafito que cementita, demodo que el material frío contiene, princi-

8800

palmente, ferrita y grafito; este último, biendisperso como flóculos o nódulos pequeños.

Debido a la manera de enfriarse, el interiorde la fundición tiene mayor porcentaje decarbón libre, de allí que se la llame fundiciónmaleable de núcleo negro. Se puede obteneruna fundición maleable de núcleo blancorecubriendo la fundición primaria con Fe2O3y Fe3O4 molidos antes de recocer. De estamanera se oxida el carbono, obteniéndoseuna ferrita residual casi completamente librede grafito o cementita muy parecida al hierrobatido pero sin las inclusiones laminares deescoria que presenta este último. Una formamenos común de fundición maleable seobtiene aumentando la velocidad de enfria-miento después que se ha estabilizado laforma 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,en las juntas de cañerías y en el asiento deválvulas.

FFuunnddiicciioonneess rreessiisstteenntteess aa llaa tteemmppeerraattuurraa..Generalmente, contienen de 5 a 10 % de sili-cio. Estas fundiciones pueden ser utilizadassin peligro hasta 850 °C, sin que sean ataca-das seriamente por el aire. Poseen una matrizde ferrita-silicio y grafito finamente dividido.Pueden ser maquinadas; pero, la presenciade silicio hace algo más quebradiza a la baseferrítica.

FFuunnddiicciióónn aacciiccuullaarr.. Es una fundición que con-tiene 4 % de níquel, 1 % de manganeso y 1 %de molibdeno. Tiene una estructura interme-dia entre la perlita y la martensita –soluciónsólida de carbono en hierro que cristaliza en

agujas– y una resistencia a la tracción de 4000a 5000 kg/cm2, una elevada resistencia alimpacto y una dureza Brinell de 300 a 350, loque permite que sea maquinada.

FFuunnddiicciióónn eessppeeccuullaarr.. Es una aleación de hie-rro con hasta un 20 % de manganeso que seutiliza para fabricar aceros especiales.

Obtención del hierro a par-tir de los minerales

La historia del hierro es la historia del hom-bre. Desde su descubrimiento, en tiemposprimitivos, el hombre con su inventiva halogrado convertirlo en acero y adecuarlo a losmúltiples usos que hoy tiene. Desde unaaguja hasta un buque, desde un delicado ins-trumento hasta la Torre Eiffel.

Si bien el hierro es conocido por el hombredesde hace más de 6000 años, se tienen muypocos datos sobre su modo de obtención enla antigüedad. En los Pirineos tuvo origen unprocedimiento de obtención denominadoffoorrjjaa ccaattaallaannaa, el cual se utilizó hasta el sigloXIV. Las forjas catalanas consistían en peque-

8811

A través de la página web wwwwww..aacceerroossaarree--qquuiippaa..ccoomm, Corporación Aceros Arequipa SApone a disposición, en formato digital (archi-vos PDF), el libro "El acero. Lo que hay quesaber" que abarca los interesantes y didácti-cos temas de la historia del acero, la caracte-rización de su microestructura, su proceso defabricación y de laminación, que se puedenbajar a la computadora.

8822

ños pozos o en crisoles, con las paredesrevestidas de arcilla, dentro de los cuales seintroducía el mineral junto con una gran can-tidad de carbón vegetal. El fuego era atizadocon fuelles manuales o accionados a pedal.En estos hornos no se alcanzaba la tempera-tura de fusión del hierro, sino que se obteníauna masa metálica esponjosa impregnada enescorias, las cuales se separaban mediante unbatido enérgico. Operando de esta manera,apenas si se obtenía un tercio del hierro, elresto se perdía con la escoria.

A partir del siglo XIV comenzó a utilizarse unhorno llamado aallttoo ffuueeggoo, precursor de losactuales hornos de cuba. En estos hornos sealcanzaba una temperatura más elevada, lo que

provocaba una fusión parcial del hierro. Segúnlas técnicas de trabajo, se podía obtener hierrodulce, hierro duro y un material duro pero frá-gil llamado arrabio. Todos los procedimientoscitados eran directos, es decir, se obtenía el hie-rro a partir del mineral. Posteriormente fueronsustituidos por elproceso indirecto,mediante el cual, apartir del mineral,se obtiene primeroel arrabio y de este,por un tratamientoposterior, la alea-ción de hierro conel contenido decarbono deseado.

El arrabio se conside-raba un productodesechable debido asu fragilidad; mástarde comenzó a seraprovechado, fundién-dolo y colándolo enmoldes.

Los primeros hornos alto fuego accionados por fuelles manuales -siglos XIV o XV-, ilustradospor J.P. Guichard d'Arenc

8833

El mineral de hierro se calcina –para eliminarel agua, descomponer los carbonatos, y oxi-dar los sulfuros y la materia orgánica quepudiera contener– y, luego debe, someterse aun proceso de reducción de tamaño, paraque la reacción química ocurra eficientemen-te. Para eso se puede triturar el material opelletizarlo. Mediante la trituración se obtie-nen granzas, que es la forma más común dehierro comercializable. Generalmente, se losomete a un proceso de beneficio, para sepa-rarlo de la ganga, con lo que aumenta su leyde hierro al 60-63 %. Sus dimensiones sonde 10 a 30 mm.

Un porcentaje cada vez más importante delmineral de hierro que se emplea para la obten-ción del acero viene en forma de pellets.

Los pellets son preconcentrados de hierroaglomerado en forma de nódulos. Se manu-facturan con un aditivo especial alcalino,como caliza o dolomita, en plantas de pelle-tización. Sus dimensiones son de 9 a 16 mm.

Las materias primas que se emplean en elproceso de obtención de aceros y fundicionesson, además del mineral de hierro, el carbón-ya sea coque o carbón vegetal- y fundentes.

Granzas de mineral de hierro

Pellets de mineral de hierro

Planta de arrabio en Hattinge, cuadro pin-tado en 1954 por Josef Steib (1883-1957)

Obtención de arrabio en el alto horno

8844

Esquema del proceso de pelletización del mineral de hierro

Cuando el coque –o el carbón vegetal– es detamaño grueso, se lo tritura hasta un tamañoadecuado, y las partículas pequeñas y elpolvo se separan por cribado.

En el interior del horno alto, los distintoscomponentes del mineral de hierro deben sertransformados en productos fusibles, suscep-tibles de ser separados. Para ello se utilizandistintos fundentes; si el mineral contienegangas calcáreas, se usa un fundente ácido,tal como arena o arcilla, cuya combinacióncon el material alcalino forma una escoriafusible; en cambio, si las gangas son silíceas,se utiliza caliza o dolomita como fundentes.Para minerales con gangas silíceas y calcáre-as, se emplea bauxita.

Los materiales de partida, previamente pesa-dos en carros-balanza, se vuelcan en vagone-tas que llevan esta carga hasta la boca delhorno.

El alto horno está constituido por dos tron-cos de cono de distintas longitudes, unidospor sus bases más anchas. El superior recibeel nombre de cuba y el inferior se denominaetalage. La parte superior de la cuba, llamadatragante, lleva un doble cierre para impedirque escapen los gases. La parte más ancha delhorno se llama vientre. Debajo del etalage sehalla el crisol, en el cual se recogen el hierrofundido y la escoria. Cerca del fondo hayvarios tubos de bronce llamados toberas, através de los cuales se introduce aire calientea presión. La escoria y el hierro se extraenpor diferencia de densidad a través de dosorificios llamados escoriero –o "bigotera"– ypiquera, respectivamente.

El alto horno se construye en acero revestidointeriormente de ladrillos refractarios arcillo-sos o sílico-aluminosos, los cuales deben resis-tir, además del calor, la erosión producida porel descenso de las cargas y por las reaccionesquímicas que se producen en su interior.

La obtención del arrabio –hierro de primerafusión– en el horno alto insume grandes can-tidades de aire (de 4 a 5 m3 por kilogramo decarbón); 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 delhorno alto, que ha sido convenientementedepurado. El aire caliente es inyectado alhorno a través de las toberas, las cuales sonrefrigeradas exteriormente con agua.

En la zona de introducción de la carga, latemperatura es de unos 150 ºC y, a medidaque la carga desciende por la cuba, encuen-tra temperaturas cada vez mayores.

8855

Esquema de un alto horno

Cuando se alcanzan los 400 ºC se produce ladesecación de los materiales y los óxidoshidratados se transforman en anhidros.

Alrededor de los 450 ºC se produce unareducción parcial del dióxido de carbonoproveniente de la combustión del coque enlas capas inferiores y se forma carbón, quefavorece la carburación del hierro.

Cuando la temperatura alcanza los 700 ºC, seproduce la reducción de los óxidos de hierropor acción del monóxido de carbono.

Entre los 700 y los 1350 °C aumenta lareducción del óxido de hierro por reaccióndirecta con el carbón y tiene lugar la disocia-ción de los carbonatos de calcio y de magne-sio. En esta zona, también se produce unareducción parcial de los óxidos de mangane-so, lo que, posteriormente, producirá sulfuroy silicatos de manganeso.

A los 700 ºC comienzan a formarse las esco-rias primarias. Inicialmente, se forma silicatoferroso que, al reaccionar con la cal produci-da por la descomposición de los carbonatos,libera óxido ferroso.

En el etalage, la temperatura varía entre 1350 y1550 ºC. En esta zona se produce la carbura-ción del hierro, que pasa del estado esponjosoal líquido. El óxido de manganeso se reducepor acción del carbón y el silicato de manga-neso se descompone por acción de la cal.

El manganeso liberado se diluye en el arra-bio. La escoria sufre, además, ciertas trans-formaciones no muy bien estudiadas.

Las toberas insuflan aire a presión que quemarápidamente el coque, produciendo dióxidode carbono y liberando gran cantidad decalor. De allí que en la zona de combustión se

alcancen temperaturas del orden de los1800-2000 ºC. Es en la zona de combustióndonde se completan las reacciones de forma-ción de escoria y la desulfuración del arrabio.

Debido a la refrigeración exterior, la tempe-ratura en el crisol es de 1500-1600 ºC. En é1se separa el arrabio de la escoria, la cual –porser menos densa– forma la capa superior,protegiendo al metal de la oxidación.

Al término de la operación, para extraer laescoria se perfora el tapón de arcilla cocidaque cierra la bigotera. Esta operación seconoce como "sangrado de la escoria".Luego, se sangra el crisol por la piquera pordonde se extrae el arrabio.

Por la chimenea sale una mezcla gaseosa quecontiene, aproximadamente, 24 % de CO,12 % de CO2, 2 % de H2, 2 % de CH4 y un60 % de N2 (todos los porcentajes, en volu-men). Esta mezcla se destina, previa purifica-ción, para calefacción del aire o como com-bustible en la central termoeléctrica.

El proceso el alto horno se realiza de talmanera que los materiales se van cargando amedida que los productos fundidos –el arra-bio y la escoria– son sangrados del crisol. Elhorno alto se mantiene, así, siempre cargadoy en sus distintas zonas se producen siemprelas mismas reacciones.

En la plataforma del horno alto hay dos cana-les: el canal de escoria, por donde la escoriafluye desde la bigotera hacia las vagonetasque la recogen, y el canal de arrabio, pordonde el arrabio líquido fluye hacia vagones-termos (colada). Los vagones-termos trans-portan parte del arrabio líquido hacia la ace-ría y otra parte es conducida a una lingoteraa cangilones que lo transforman en lingotesfríos. Estos lingotes pueden ser utilizados

8866

8877

ESQUEMA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

QUE TIENEN LUGAR EN EL INTERIOR DE UN HORNO ALTO

como carga fría en los hornos Siemens-Martin o destinados a talleres de fundición.

El arrabio suele contener:

• 91,0-94,0 % de hierro,

• 3,5-4,5 % de carbono, • 0,5-2,5 % de manganeso, • 0,0017-0,1 % de azufre, • 0,03-0,1 % de fósforo y • 0,03-0,l % de silicio.

FFeennóómmeennooss RReeaacccciioonneess ddee lloossmmiinneerraalleess

RReeaacccciioonneess ddeellooss mmiinneerraalleessccoonn llooss ggaasseess

RReeaacccciioonneess ddeellaass ccoorrrriieenntteessggaasseeoossaass

Eliminación de aguahigroscópica, dehidratación, etc.

Reducción indirectadel mineral.Depósito de C a partirde CO.Descomposición deCaCO3 y MgCO3.

Fe2O3 + 3 CO 2 Fe + 3 CO2

2 CO CO2 + C

CO2 + C 2 CO

Reducción directa delmineral.Formación de lasprimeras escorias.Reducción de los óxi-dos de Mn. Fusiónincipiente.

Fe2O3 + 3 C Fe + 3 CO

CaCO3 CaO + CO2

FeO + SiO2 FeSiO3

FeO.SiO2 + 2 CaO CaO.SiO2 + FeO

Fusión completa.Reducción de MnO,SiO2 y P2O5.Carburación y sulfu-ración.

MnO + C Mn + CO

SiO2 + 2 C Si + 2 CO

P2O5 + 5 C 2 P + 5 CO

Combustión de coque.Desulfuración y for-mación completa deescorias.

CaO + FeS CaS + FeO

Mn + FeS MnS + Fe

C + O2 CO2

CO2 + C 2 CO

Separación del arra-bio de la escoria.

8888

La transformación del arrabio en acero sellama aaffiinnoo. El afino se puede realizar en dis-tintas aparatos. Entre los tipos de aparatosque se emplean están los llamados "converti-dores".

Un ccoonnvveerrttiiddoorr es un gran recipiente enforma de pera, revestido interiormente dematerial refractario, cuyo fondo está perfora-do. Mientras se vierte la colada líquida, elconvertidor se mantiene en posición hori-zontal, para evitar que el líquido alcance losorificios del fondo. Una vez que se ha com-pletado la carga, el convertidor se endereza,al mismo tiempo que comienza el soplado deaire a 2-3 atm de presión a través de los ori-ficios del fondo. El oxígeno del aire oxida alhierro formando FeO. Éste se disuelve, yoxida el silicio y al manganeso. Los óxidosformados reaccionan con el SiO2 y con elrevestimiento, formando una escoria queflota sobre el material fundido. Luego,comienza la oxidación del carbono. Cuandoel CO llega a la atmósfera se observan llama-radas de 7 a 9 metros en la boca del conver-tidor, alcanzándose en el interior una tempe-ratura de 1600 ºC. Una rápida disminución

en el largo de la llama revela que la decarbu-ración ha terminado. El proceso en el con-vertidor dura unos 20 minutos durante loscuales se pueden afinar de 10 a 25 toneladasde arrabio. Esta rapidez no permite un con-trol muy exacto del proceso y. por lo tanto,de la composición final del acero.

Convertidores BessemerSi la colada está exenta de fósforo, se usan losconvertidores Bessemer revestidos de refrac-tario ácido, cuarzo o arena amasada con arci-lla. Con el aire insuflado se eliminan el sili-cio, el carbono y el manganeso del arrabio.

El proceso de pudeladoEl hierro dulce es un metal que contienemenos del 0,01 % de carbono y no más de0,003 % de escoria. Para su obtención, se

Obtención de acero a partir del arrabio

Esquema del convertidor Bessemer(Routledge, R. Discoveries & Inventions ofthe Nineteenth Century. 1900).

Funcionamiento del converidor Bessemer

requiere del proceso conocido como pude-lado. Antiguamente, el pudelado se hacíafundiendo arrabio y chatarra en un hornode reverbero de 230 kg; este horno eracalentado con carbón, fuel oil o gas. Latemperatura se elevaba lo suficiente comopara que se produjera la oxidación el car-bón, el silicio y el azufre. Para eliminartodos los elementos diferentes al hierro, elhorno de pudelado debía estar recubiertocon refractarios básicos (ladrillos refracta-rios con magnesita y aluminio). El materialse retiraba del horno en grandes bolas enestado pastoso. En la actualidad existenotros procedimientos, como el llamadoproceso Aston, en el cual en lugar delhorno de reverbero se usa un convertidorBessemer, con el que se obtiene mayor can-tidad de material. El producto se utilizapara la fabricación de aleaciones especialesde metales.

Convertidores ThomasComo los convertidores Bessemer estánrevestidos interiormente de materiales ricosen sílice, el silicio, el manganeso se separandel acero pero todo el fósforo queda en elhierro; por esta razón, el procedimientoBessemer no es aplicable a materiales ricos enfósforo.

En 1875, Sydney Thomas empleó comorevestimiento del convertidor, un aglomera-do básico de óxido de magnesio y dolomitacalcinada y termofraguada, para que en elproceso se puediera separar el fósforo.

Posteriormente, el proceso de perfeccionó,adicionándole CaO al hierro para que seforme fosfato cálcico, el que queda en las

8899

Sir Henry Bessemer,nació en Charlton,Hertfordshire. Fue, engran medida un auto-didacta. Inventor pro-lífico, se lo conocesobre todo por susinnovaciones en lasiderurgia, que eleva-ron enormemente laproducción anual deacero en Inglaterra,consiguiendo unacero de gran calidad,disponible a un costomuy reducido.

En 1856, Bessemer desarrolló un horno espe-cial llamado ccoonnvveerrttiiddoorr, que podía producircantidades mayores de acero refinado que losprocesos hasta entonces conocidos. El siste-ma consistía en insuflar aire en el fondo delhorno para que burbujeara a través del hierrofundido; así, el calor generado por la oxidacióndel carbono no sólo fundía el metal sino que lorefinaba.

En 1860 patentó el convertidor inclinado queprodujo acero más eficazmente que el horno fijoanterior. Mediante este horno se logró reducir elcosto del acero de 40 libras a 20 libras por tone-lada. Mediante el proceso Bessemer, GranBretaña aumentó la producción de acero de50.000 toneladas/año en la década de 1850hasta 1.300.000 to-neladas/año en ladécada de 1880.

Por su contribuciónal desarrollo de latecnología del ace-ro, Bessemer fuenombrado caballe-ro, en 1879. Esemismo año, fueelecto miembro dela Royal Society.

Sir Henry Bessemer (1813-1898)

Primer convertidorBessemer (ScienceMuseum. Londres)

9900

escorias. De estamanera, las escoriasThomas se empleancomo fertilizantes,suministrando fós-foro al suelo.

El calor liberado enla oxidación del fós-foro para formarP4O10 es muy eleva-do, alrededor de3000 kJ/mol, lo quecontribuye a facili-tar el proceso deobtención del acero.

El convertidor Thomas es de hierro forjado

fuerte y suele tener alturas superiores a los6 metros. Se carga de manera tal de ocupar1/8 de su volumen. Si la materia prima espobre en fósforo, se añaden escorias ricascon 12-25 % de P4O10. El hierro queda casicompletamente descarburado. Para corregirel porcentaje de carbono hasta los porcen-tajes deseados, posteriormente, se añadefundición especular para carburarlo ade-cuadamente.

El acero bruto producido por el convertidorThomas se vierte a calderos de colada; y deéstos se pasa a lingoteras de sección pris-mática donde se solidifica en los llamados"tochos de acero". Estos son, luego, mani-pulados en caliente por el laminador, paraobtener los productos comerciales.

Esquema del funcionamiento de un convertidor Thomas

Sidney GilchristThomas (1850-1885)

Hornos Siemens-MartinEste tipo de hornos fue desarrollado porFriedrich Siemens, en Alemania, en 1868.Ese mismo año, Pierre Martin, en Francia,mejoró el diseño.

Es un horno de reverbero revestido interior-mente de material refractario ácido o básico,según la naturaleza del material de afino.Tiene forma rectangular y utiliza como com-bustible fuel oil o gas de coque. El hornolleva adosadas cuatro cámaras recuperadorasde calor que permiten alcanzar altas tempe-raturas y economizar combustible. Los gasesproducidos por la combustión entran en lascámaras recuperadoras, donde calientan a losladrillos refractarios en ellas apilados. Alcabo de unos minutos, los ladrillos alcanzanlos 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.

Al arrabio se le puede agregar chatarra, mine-ral de hierro o ambos –en los dos últimoscasos, se agregan fundentes–. El porcentajede carbono disminuye, en parte, por oxida-ción y, en parte, por dilución. Si el arrabiotiene elevados porcentajes de fósforo o azu-

9911

Hornos Siemens-Martin

Hornos eléctricos

De resistencia

Por arco

De calentamientomixto

A inducción a baja frecuencia

A inducción a alta frecuencia

Hornos de crisol

Convertidores a oxígeno

Hornos básicos deoxígeno (BOF)

HORNOS

Hornos de crisol abierto

Friedrich Siemens(1826-1904)

Pierre Martin(1824-1915)

fre, se agregan fundentes básicos (caliza odolomita). Si se desea reducir el porcentajede manganeso, se agregan fundentes ácidos(cuarzo o arena).

La forma en que se realiza la combustióntiene mucha importancia, pues las llamas nosólo ejercen una acción calefactora sino tam-bién química: variando las proporciones decombustible y aire se obtiene una atmósferaoxidante, reductora o neutra. La posibilidadde regular la influencia de la llama permitereducir notablemente la acción erosiva sobrelas paredes y el techo.

El ciclo de fabricación del acero se iniciadejando caer mineral de hierro y fundentey/o chatarra en los hornos. Al comenzar lafusión, se agrega arrabio, líquido o en lingo-tes. Cuando funde toda la carga, se realizansucesivos controles químicos y de temperatu-ra, a fin de efectuar los ajustes necesarios queden al acero las especificaciones previstas. Alcabo de varias horas se destapa el orificio de

colada y el acero fluye –por gravitación– através de un canal, llenando un recipientellamado ccuucchhaarraa ddee ccoollaaddaa. Eventualmente, aeste recipiente se le agregan materiales dealeación, a fin de obtener aceros especiales.En la cuchara de colada, la escoria excedentesobrenada al acero; se la elimina dejándolafluir a través de un canal de desborde haciaun recipiente llamado ppoottee ddee eessccoorriiaa. Unavez enfriada, es triturada y utilizada en lacarga del horno alto.

Desde la cuchara de colada y a través de unorificio ubicado en su fondo (llamado bbuuzzaa),el acero es vaciado en lingoteras de formas ytamaños apropiados.

El piso del horno Siemens-Martin sufre laacción continua del baño y la corrosión de laescoria; las paredes y el techo están someti-dos a la acción de la llama, de las altas tem-peraturas, y a las salpicaduras de metal fun-dido y escoria. Los deterioros en la superficieinterior del horno requieren reparaciones

9922

Esquema del horno Siemens-Martin

9933

periódicas. Estas reparaciones se efectúanmediante una máquina que proyecta mate-riales refractarios granulados, reconstruyen-do las zonas afectadas.

Hornos eléctricosDebido a las cada vez mayores exigencias deaceros de calidad, un pequeño porcentaje delproducto del horno alto es refinado poste-riormente en hornos eléctricos. Las principa-les ventajas que ofrecen estos hornos son:

• Posibilidad de alcanzar temperaturas muyelevadas, del orden de los 2000-2500 ºCen los hornos grandes y hasta 3600 ºC enlos pequeños,

• temperaturas fácilmente regulables, • ausencia de impurezas en el material tratado, • posibilidad de trabajar en ausencia de aire

o en atmósfera especial,

• rendimiento térmico elevado (hasta un80 %) que compensa, en gran parte, el altocosto de la energía eléctrica.

Los hornos eléctricos son recipientes de cha-pas de acero y están revestidos interiormentede material refractario, ácido o básico, deacuerdo con las necesidades.

Estos hornos sólo se cargan con chatarra deacero de alta calidad y están recubiertos conladrillos de la línea básica.

Existen hornos de arco eléctrico que puedencontener hasta 270 toneladas de material fun-dido. Para fundir 115 toneladas se requieren,aproximadamente, tres horas y 50.000 kWhde potencia. También en estos hornos seinyecta oxígeno puro por medio de una lanza.

La mayoría de los hornos operan con tensio-nes de 40 V y con intensidad de corrienteeléctrica de 12.000 A.

Dibujo de corte de un horno eléctricocon revestimientos tipo ácido y básico

Según el modo en que la energía eléctrica setransforma en calor, los hornos eléctricos seclasifican en:

HHoorrnnooss ddee rreessiisstteenncciiaa.. En estos hornos, latransmisión de calor se efectúa tanto porradiación como por conducción o por con-vección. Cuando el material a fundir formaparte del circuito eléctrico y hace las veces deresistencia, se dice que el horno de resisten-cia es de ccaalleennttaammiieennttoo ddiirreeccttoo. En cambio, sila resistencia es independiente, el horno sellama de ccaalleennttaammiieennttoo iinnddiirreeccttoo. Las resis-tencias utilizadas en los hornos de calenta-miento indirecto son de grafito o carborun-dum, y transmiten el calor por radiación opor convección.

En los hornos de resistencia se alcanzan tem-peraturas de hasta 1800 ºC, con rendimien-tos variables según su construcción.

HHoorrnnooss ppoorr aarrccoo.. Utilizando este tipo de hor-nos, se pueden alcanzar temperaturas de hasta3600 ºC. En los llamados de aarrccoo iinnddiirreeccttoo(hornos Stassano, Rennerfieldt, Bassanese,etc.) el arco se establece entre dos o tres elec-trodos, y el calor se transmite únicamente porradiación. Los electrodos están inclinados demanera que deslizando uno respecto de otrose puede modificar la longitud del arco. En elánodo se pueden alcanzar los 3600 ºC, siendola temperatura del cátodo 2700-2800 ºC. Elmaterial a afinar se carga en recipientes de cie-rre hermético, para evitar contaminaciones.Estos recipientes son, a menudo, basculantes,con lo que se facilita la mezcla. Pueden operarcon carga fría o fundida, y el revestimientorefractario interior se elige de acuerdo con lanaturaleza del material de afino.

Algunos inconvenientes de los hornos porarco indirecto –larga duración de la fusión,

reducida capacidad y elevado consumo deenergía y electrodos– han dado lugar a sureemplazo por hornos de arco directo (hor-nos Siemens, FIAT, Héroult, Tagliaferri,Girod, etc.); en éstos, los electrodos, dispues-tos verticalmente, se hacen descender hastaunos pocos centímetros de la superficie y elarco salta entre los electrodos y la carga. Elcalentamiento se efectúa por radiación desdelos electrodos y como resultado del efectoJoule producido por la resistencia que ofrecela carga. Hay hornos de arco directo con sole-ra no conductora y con solera conductora.

En los hhoorrnnooss ddee ssoolleerraa nnoo ccoonndduuccttoorraa, elarco salta entre el electrodo y el baño metáli-co, atravesando la carga y saliendo por el otroelectrodo (en circuitos trifásicos, la corrientede cada arco se cierra en triángulo a través dela carga). Son de fácil manejo y regulación.Los hay de hasta 15-20 toneladas (Héroult,Siemens, FIAT, etc.) fijos o basculantes. Lospequeños funcionan con corriente alternamonofásica y usan dos electrodos. Los demayor capacidad tienen tres electrodos ali-mentados por una corriente trifásica. Elhecho que los arcos estén conectados en seriepermite emplear tensiones de 100-120 volt,menor intensidad de corriente y conductoresmás delgados.

Los hhoorrnnooss ddee ssoolleerraa ccoonndduuccttoorraa (tipo Girod)tienen los arcos en paralelo. La corriente atra-viesa el arco y la carga, alcanzando la soleraconductora, que es refrigerada exteriormen-te. Si bien presenta ciertas ventajas sobre loshornos de arco con solera no conductora,exige un costoso mantenimiento de la solera.

HHoorrnnooss ddee ccaalleennttaammiieennttoo mmiixxttoo.. En ellos, elcalor es producido, en parte, por la resisten-cia eléctrica y, en parte, por la circulación decorriente a través del material que se afina.

9944

HHoorrnnooss aa iinndduucccciióónn aa bbaajjaa ffrreeccuueenncciiaa.. Enestos 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 unafrecuencia de 5-25 hertz, a fin de que el fac-tor de potencia (cos ϕ) no disminuya mucho.La temperatura óptima de trabajo oscila alre-dedor de los 1350 ºC.

HHoorrnnooss aa iinndduucccciióónn aa aallttaa ffrreeccuueenncciiaa.. Estoshornos operan a 500-1000 hertz; esto permi-te llegar a los 2500 ºC en 10 minutos. Estoshornos no poseen núcleo magnético, sinoque consisten en un enrollamiento espiraladoalrededor de un crisol que contiene el mate-rial a fundir. Sus rendimientos son algo infe-riores a los de baja frecuencia y su costo deinstalación es mayor; pero, las pérdidas pormerma son inferiores al 1 %.

Hornos de crisolLos hornos de crisol fueron uno de los pri-meros hornos empleados para producir ace-ros de calidad. La carga se introduce en tro-zos pequeños dentro de un crisol que secubre con una tapa, para evitar la contami-

nación del material con los gases de combus-tión. Una vez lleno, se coloca el crisol en elhorno durante 3-4 horas. Después de produ-cida la fusión, se deja un tiempo en reposopara desoxidar el metal fundido.

El horno tiene forma cilíndrica. Dentro de él,el crisol se apoya sobre un pilar de materialrefractario de 8-10 cm de altura. Los crisolesson de pequeño tamaño y su vida útil es limi-tada, ya que se estropean tanto al ser apreta-dos por las tenazas durante su transportecomo por su exposición a cambios bruscosde temperatura.

Estos hornos usan gas o petróleo como com-bustible.

Convertidores a oxígenoDesde mediados del siglo pasado se hanlogrado notables progresos en la fabricacióndel acero; especialmente, con la introducciónde los convertidores a oxígeno, en los que seemplea un chorro de oxígeno puro lanzado

9955

Horno de crisol

sobre la superficie de la carga fundida, paraque se produzca la rápida conversión de lacolada en acero. Los distintos sistemas –LD(Linzer-Düsenverfahren), OLP, Kaldo, etc.–utilizan convertidores similares al Bessemer,pero sin perforaciones en el fondo, o bienrecipientes cilindricos de eje horizontal. Losrecipientes pueden ser fijos o rotatorios.Mediante lanzas especiales, se dirige un cho-rro de oxígeno que roza la superficie delbaño o penetra en su interior. El procesodura unos 15 minutos, obteniéndose pro-ductos de elevada pureza, exentos de nitró-geno, fósforo y azufre. Estos aceros poseenmuy buenas propiedades mecánicas y sehallan libres de escorias.

Hornos básicos de oxígeno(BOF)Es un horno muy parecido al Bessemer, con lagran diferencia que a este horno –en lugar deinyectar aire a presión– se le inyecta oxígeno apresión, con lo que se eleva mucho más la tem-peratura que en el Bessemer y en un tiempomuy reducido. El nombre del horno se debe aque tiene un recubrimiento de refractario de la

línea básica y a la inyección del oxígeno. Lacarga del horno está constituida por 75 % dearrabio procedente del alto horno; el resto eschatarra y cal. La temperatura de operación delhorno es superior a los 1650 °C y es conside-rado como el sistema más eficiente para la pro-ducción de acero de alta calidad. Este hornofue inventado por Sir Henry Bessemer a media-dos de 1850; sólo que –como, en esa época, laproducción del oxígeno era cara– se inició conla inyección de aire, con lo que surgió el con-vertidor Bessemer, el que ya hemos descrito.

Hornos de crisol abiertoLos hornos de crisol abierto funcionan a altastemperaturas, gracias al precalentado regene-rativo del combustible gaseoso y el aireempleados para la combustión.

En el precalentado regenerativo, los gases queescapan del horno se hacen pasar por cámarasllenas de ladrillos, a los que ceden la mayorparte de su calor. A continuación, se invierte elflujo a través del horno, de modo que el com-bustible y el aire pasen a través de las cámarasy sean calentados por los ladrillos. Medianteesta técnica, los hornos de crisol abierto alcan-zan temperaturas de hasta 1.650 ºC.

El horno propiamente dicho suele ser un cri-sol de ladrillo plano y rectangular de alrede-dor de 6 × 10 m, con un techo a una alturade 2,5-2,8 m. El crisol está intercomunicadocon una planta de trabajo y ambos estánsituados sobre las cámaras de regeneraciónde calor del horno.

El horno se carga con una mezcla de arrabio(fundido o frío), chatarra de acero y mineralde hierro. Como fundente se emplea caliza;se le suele agregar fluorita, para que aumen-

9966

Convertidor LD

te la fluidez de la escoria. Las proporcionesde la mezcla varían según la naturaleza de lachatarra y el tipo de producto a obtener.

Por oxidación de la mezcla, se reduce el con-tenido de carbono a los valores deseados, a lavez que impurezas –tales como silicio, fósforo,manganeso y azufre– se separan por combina-ción con la caliza, formando la escoria. Elhorno se mantiene a una temperatura com-prendida entre 1550 y 1650 ºC, lo que haceque el metal se encuentre en estado líquido.

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 suparte trasera. Un horno de las dimensionesindicadas más arriba produce unas 100 tone-ladas de acero cada 11-12 horas.

El acero fundido que sale del horno fluyepor un canal corto, hasta una gran cucharasituada a ras de suelo. Mediante esta cucha-ra, se vierte el acero en moldes de hierrocolado, para formar lingotes –generalmente,de sección cuadrada de unos 0,50 m de ladoy 1,5 m de longitud–. En los procesos decolada continua, el metal líquido que fluyedel horno es transportado a la sección de ela-boración del producto final.

Proceso de desgasifi-cación del acero fundido

Luego de producido –en cualquiera de los hor-nos presentados–, el acero líquido puede refi-narse aún más, para lograr un producto de altapureza y homogeneidad. Esto se consigue

removiendo los gases (oxígeno, hidrógeno ynitrógeno) que fueron absorbidos o formadosdurante el proceso de fabricación. Con esto seevita que, al solidificar, se produzcan defectosen el acero como inclusiones de óxidos, sopla-duras, grietas internas, que pueden aumentarla fragilidad del producto terminado.

La desgasificación del acero líquido se efectúavolcándolo en una lingotera en la cual se hacevacío; con esto se consigue que los gases oclui-dos escapen a través de la superficie del metalfundido, succionados por una bomba de vacío.

Proceso de colada continua

Cuando se requiere un material de secciónconstante y en grandes cantidades, se puedeutilizar el método de la colada continua, con-sistente en colocar un molde con la formaque se requiere debajo de un crisol, el quecon una válvula puede ir dosificando mate-rial fundido al molde. Por gravedad, el mate-rial fundido pasa por el molde, refrigeradoexternamente por un sistema de agua. Alpasar por el molde frío, el material fundidose vuelve pastoso y adquiere la forma delmolde. Posteriormente, el material es confor-mado con una serie de rodillos que, al mismotiempo, lo arrastran hacia la parte exteriordel sistema. Una vez conformado el materialcon la forma necesaria y con la longitud ade-cuada, el material se corta y almacena. Poreste medio se pueden fabricar perfiles, vari-llas y barras de diferentes secciones, y lámi-nas o placas de varios calibres y longitudes.La colada continua es un proceso muy eficazy efectivo para la fabricación de varios tiposde materiales de uso comercial.

9977

Tratamientos térmicos quese aplican al acero

Las propiedades del acero pueden modificar-se mediante cambios de temperaturas efec-tuados a determinadas velocidades. Todosaquellos procedimientos destinados a variarla estructura y las propiedades físicas delacero por calefacción y enfriamiento se lla-man tratamientos térmicos.

RReeccoocciiddoo.. Muchas piezas de acero presentantensiones internas debidas a las operacionesa las que han sido sometidas. Estas tensio-nes pueden provocar grietas y aún la ruptu-ra, de piezas aparentemente muy resisten-tes. Para evitar estos inconvenientes se recu-rre al recocido.

El recocido consiste en calentar la pieza hastadeterminada temperatura, dejándola enfriar,luego, lentamente.

El recocido tiende a eliminar las tensionesinternas, reconstituir la estructura primitiva yreducir la excesiva dureza de un acero.

Según la temperatura a la cual se calienta elacero, se distinguen:

RReeccoocciiddoo vveerrddaaddeerroo oo ccoommpplleettoo.. Consiste encalentar el acero hasta una temperatura supe-rior a la que corresponde a su transformaciónen austenita y, luego, dejar enfriar lentamente.Las velocidades de calentamiento y de enfria-miento deben controlarse rigurosamente.

• Un calentamiento prolongado puede pro-vocar la coalescencia de las fases o la for-mación de cristales de tamaño grande quele restan tenacidad al material.

9988

Recocido

Verdadero o completo

De maleabilidad

De cristalización

De distensión

Templado

Revenido

TRATAMIENTOS TÉRMICOS MÁS

IMPORTANTES

Refinado

Tratamientos químicos

Calentamiento

Cementación

Cianuración

Nitruración

Temple por inducción

Temple oxiacetilénico

• Un enfriamiento rápido aumenta la durezay la fragilidad del acero.

Durante el recocido puede producirse la des-carburación de la superficie de la pieza oreacciones indeseables con los gases delhorno. Estos inconvenientes se evitan efec-tuando el recocido en atmósfera reductora.

RReeccoocciiddoo ddee mmaalleeaabbiilliiddaadd.. Se efectúa mante-niendo los aceros al carbono a 710-720 ºCdurante algunas horas para, luego, dejarlosenfriar en el horno. Con este recocido se eli-minan las zonas quebradizas, y el material sevuelve dúctil y apto para ser maquinado.

RReeccoocciiddoo ddee ccrriissttaalliizzaacciióónn.. Es un procedi-miento similar al anterior, mediante el cuallas zonas quebradizas se eliminan por recris-talización. Se efectúa a 600-700 ºC.

RReeccoocciiddoo ddee ddiisstteennssiióónn.. Se efectúa para eli-minar las tensiones provocadas por operacio-nes de deformación en frío. Este recocido serealiza manteniendo al acero a 500-600 ºCdurante unas horas. Luego, se lo deja enfriaren el horno. Este tratamiento no provocacambios estructurales.

TTeemmppllaaddoo.. Mediante ciertos procedimientosse puede obtener una mayor dureza que laque le corresponde por su porcentaje de car-bono. Estos procedimientos se llaman deendurecimiento.

El endurecimiento de una pieza de aceropuede ser:

• total, cuando afecta a toda su masa, • parcial, cuando afecta a una parte o • superficial, cuando se produce sobre su

superficie.

9999

Algunas propiedades de los aceros recocidos

El endurecimiento total puede lograrsemediante una variación cristalográfica cono-cida como tteemmppllee.

El temple consiste en calentar al acero hastaque adquiera una estructura austenítica yenfriarlo bruscamente. En algunas celdillas, unátomo de carbono ocupa el centro del cubo. Alpasar a la forma α, el átomo central debe serreemplazado por uno de hierro. Esta sustitu-ción requiere cierto tiempo; por eso, enfriandorápidamente, el átomo de carbono queda apri-sionado en la celdilla cúbica y, cuando el acerose encuentra por debajo de los 250 ºC, la sus-titución del átomo de carbono por el de hierroes imposible. Esta temperatura se llama puntommaarrtteennssííttiiccoo. Un acero bien templado presentaal microscopio un aspecto acicular, estructuraque se llama martensita. Cuando el tamaño delas agujas es muy pequeño, la estructura acicu-lar recibe el nombre de hhaarrddeenniittaa. Enfriandocon velocidades inferiores a la crítica (que es lamenor velocidad que permite la transforma-ción directa de la austenita en martensita),pueden lograrse es-tructuras interme-dias (sorbita y tro-ostita). La marten-sita es el productomás duro derivadode la austenita y,para aceros con elevado porcentaje de carbono,tiene una dureza Rockwell entre 64 y 70.

El temple se efectúa en aceros con más de0,4 % de carbono. Un enfriamiento rápido ycontinuo hasta temperatura ambiente permi-te obtener la máxima dureza; pero, es bastan-te común que el acero se agriete. Para preve-nir este inconveniente, el enfriamiento se rea-liza en dos etapas: primero, se enfría rápida-mente hasta 200-250 ºC (usualmente, sumer-giendo la pieza en un baño de aceite) y, luego,lentamente hasta temperatura ambiente.

Cuando un acero se forja, lamina, estira, etc.por debajo de su punto crítico inferior, se diceque se trabaja en frío. Al trabajar un acero enfrío, se produce una deformación de su estruc-tura cristalográfica que trae aparejados unaumento de tenacidad, del límite elástico y dela dureza; pero, se reduce la ductibilidad. Ladeformación en frío produce el deslizamientode ciertos planos de átomos, distorsionandolos cristales en la dirección del esfuerzo.

La deformación en frío es particularmenteútil para darle mayor dureza a aquellos ace-ros que, por su reducido porcentaje de car-bono, no pueden ser templados.

El endurecimiento superficial puede efectuar-se tanto por reacción química sobre la super-ficie como por un calentamiento local intenso.Los tratamientos químicos más usuales son:

• la cementación, • la cianuración y • la nitruración.

Los métodos más comunes de endurecimien-to superficial por calentamiento son:

• el temple por inducción y • el temple oxiacetilénico.

CCeemmeennttaacciióónn.. Es un procedimiento median-te el cual se aumenta el porcentaje de carbo-no en la superficie de un acero. Se aplica aaceros con menos de 0,4 % de carbono yproduce una gran dureza superficial combi-nada con una gran tenacidad en el núcleo. Lasuperficie endurecida se puede regular avoluntad. Los materiales empleados paracementar pueden ser sólidos, líquidos ogases. La cementación se efectúa en recipien-tes cerrados a 870-930 ºC. Según el tiempode exposición, se obtienen capas cementadasde 0,125 a 0,875 mm de espesor.

110000

Como se recordará, laaustenita es una solu-ción de carbono enhierro γ.

La química de la cementación es bastantecomplicada. En todos los casos, se verificauna reacción del CO proveniente del mate-rial cementante sobre la superficie del acero:2 CO CO2 + C. Parte del carbono sedisuelve en la fase austenítica, difundiendohacia el núcleo, y parte forma cementita.

El acero cementado se enfría rápidamente yse vuelve a templar a 750-800 ºC, para darlela mayor dureza compatible con el porcenta-je de carbono.

CCiiaannuurraacciióónn.. Es un proceso en el cual seemplean como cementantes líquidos, mez-clas de cianuros o ferrocianuros alcalinoscon CaCl2 o NaCl. El baño es calentado a815-900 ºC durante 10-30 minutos, según elespesor de la capa endurecida que se desee. Aaltas temperaturas, los cianuros o ferrocianurosse descomponen liberando carbono, obtenién-dose capas de extraordinaria dureza pero de0,1-0,25 mm de espesor. Las piezas cianuradasse enfrían directamente en agua o en aceite.

NNiittrruurraacciióónn.. Es un proceso de endurecimientosuperficial consistente en inyectar amoníacoanhidro a 480-650 ºC sobre la superficie deciertos aceros especiales. El amoníaco se des-compone, liberando nitrógeno. El nitrógenoforma con el hierro una solución sólida y nitru-ros complejos (Fe4N) de gran dureza. El tiem-po requerido puede llegar hasta las 90horas, alcanzándose capas nitruradas dehasta 0,8 mm de espesor con una dureza de900 Brinell.

TTeemmppllee ppoorr iinndduucccciióónn.. Es un calentamientosuperficial producido por corrientes induci-das de altas frecuencias (900-1100 Hz). Unafrecuencia tan alta permite alcanzar tempera-turas de hasta 840 ºC en menos de un segun-do. Cuando el acero alcanza la temperaturadeseada, se corta la corriente y se rocía la

superficie con un chorro de agua, a tempera-tura ambiente, que sale del inductor. De estemodo, se obtiene una estructura martensíticamuy fina que, sin embargo, le confiere alacero una dureza mayor que en los procesoscomunes de temple.

TTeemmppllee ooxxiiaacceettiilléénniiccoo.. El calentamientosuperficial puede también efectuarsemediante la llama de un soplete oxiacetiléni-co seguido de un rápido enfriamiento conagua. Como la temperatura de la llama delacetileno es de 3100 ºC, se verifica un calen-tamiento más intenso en un lapso bastantemenor que en el temple por inducción.

RReevveenniiddoo.. Los aceros templados, si bien tienenelevada dureza, son quebradizos y poseen ten-siones internas. De allí que, en casi todos loscasos, se calientan las piezas a temperaturasque usualmente no superan los 320 ºC duran-te lapsos variables, dejándolas enfriar, final-mente, en forma lenta. Este tratamiento sellama rreevveenniiddoo. El revenido elimina las ten-siones residuales y aumenta la tenacidad delacero. Si el tratamiento se produce a más de200 ºC, disminuye la resistencia y la dureza.Si la duración del revenido es prolongada, ladureza irá decreciendo paulatinamente, aún atemperaturas de 150-160 ºC.

RReeffiinnaaddoo.. El rreeffiinnaaddoo es un tratamiento tér-mico destinado a conferirle propiedades par-ticulares a un determinado tipo de acero. Si,por ejemplo, se necesita acero que soporteelevadas temperaturas sin sufrir alteracionesen sus propiedades primitivas, se lo templa a1070-1120 ºC enfriándolo en aceite y, luego,se somete a un recocido durante una hora, a720-770 ºC.

Un acero refinado no se oxida por debajo delos 900 ºC, por lo que es particularmenteapto para fabricar objetos que estén expues-

110011

110022

tos a altas temperaturas.

Además de los tratamientos descriptos existe

un gran número de tratamientos térmicosespeciales, cromodifusión, metalización, cha-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–

PPaaííss 22000022 22000033 22000044 AAll 1100//22000055

Austria 6 189 6 261 6 530 5 944Bélgica 11 343 11 135 11 733 8 752República Checa 392 6 791 7 033 5 083Finlandia 4 003 4 766 4 831 3 923Francia 20 258 19 758 20 773 16 244Alemania 45 015 44 809 46 408 37 392Hungría 1 840 1 989 1 942 1 586Italia 25 970 26 832 28 334 24 396Luxemburgo 2 719 2 675 2 684 1 741Holanda 6 117 6 571 6 854 5 726Polonia 894 9 107 10 648 6 959Eslovaquia 4.275 4 588 4 454 3 687Eslovenia 481 542 565 486España 16 408 16 472 17 665 14 663Suecia 5 753 5 707 6 001 4 750Reino Unido 11 665 12 965 13 772 11 071Otros U.E. (25) (e) 4.118 2 943 3 280 1 033UUnniióónn EEuurrooppeeaa ((2255)) 118833 991100 119933 550077 115555 334433UUnniióónn EEuurrooppeeaa ((1155)) 115588 556677 116600 337744 116688 334444 113377 111100Croacia 33 41 78 0Noruega 694 703 722 578Rumania 5.492 5 691 5 708 4 769Serbia y Montenegro 562 711 1 167 1 038Turquía 16472 18 298 20 478 17 390OOttrrooss eeuurrooppeeooss 4455..881144 2255 444455 2288 115533 2233 777744Bielorrusia 1 484 1 591 1 792 1 655Kazakhstan 4 814 4 898 5 385 3 709Moldavia 514 850 1 011 877Rusia 58 590 61 450 64 289 53 468Ukrania 34 056 36 932 38 738 31 607Uzbekistán 450 499 594 543

110033

PPaaííss 22000022 22000033 22000044 AAll 1100//22000055 CCIISS ((66)) 2233 9999 990088 110066 222200 111111 880099 9911 885599Canadá 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 750AAmméérriiccaa ddeell NNoorrttee 112233 664444 112266 117799 113322 996600 110055 110088Argentina 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 907AAmméérriiccaa ddeell SSuurr 4400 886666 4433 002244 4466 001122 3377 555522Argelia 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 Nd Zimbabwe 105 152 152 200ÁÁffrriiccaa 1155 669922 1166 117744 1166 551177 1144 880055Irán 7 321 7 869 8 682 7 781Qatar 1 027 1 055 1 046 897Arabia Saudita 3 570 3 944 3 902 3 462MMeeddiioo OOrriieennttee 1111 991188 1122 886688 1133 663311 1122 114400China 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 135AAssiiaa 338811 886677 442288 558811 448844 662255 446677 558822Australia 7 527 7 544 7 414 6 554Nueva Zelanda 765 853 868 708OOcceeaannííaa 88 229922 88 339977 88 228822 77 226622TToottaall 6622 ppaaíísseess 888855 776666 995500 779988 11003355 449955 991155 442255E: estimada

23 Commonwealth of Independent States. Ex-repúblicas socialistas soviéticas.

Aceros aleados

Los elementos de aleación específicos y suscantidades determinan el tipo de acero dealeación y sus propiedades particulares.

AAcceerrooss aall mmaannggaanneessoo.. Son aquellos acerosternarios con más de 0,8 % de manganeso.El manganeso forma una solución sólidatanto con hierro γ como con hierro α, dismi-nuyendo la temperatura de la transformaciónalotrópica. Además, con el carbono formaMn3C, isomorfo con la cementita y solubleen hierro γ.

El manganeso actúa como desoxidante y,también, neutraliza los efectos nocivos delazufre, facilitando la laminación, moldeo yotras operaciones de trabajo en caliente.Aumenta el tamaño de los granos de un aceroy lo hace sensible al tratamiento térmico,especialmente al templado, en el cual dismi-nuye la velocidad crítica de enfriamiento. Deacuerdo con su estructura, los aceros al man-ganeso se clasifican en:

110044

¿¿SSaabbííaa uusstteedd qquuee……el puente de acero más largo del

mundo es el puente Akashi-Kalkyo,entre Kobe y Awaji-shima, Japón?Tiene casi 4000 metros de longitud ypara su construcción se emplearon193.000 toneladas de acero.

¿¿SSaabbííaa uusstteedd qquuee……la montaña rusa más larga del

mundo se llama "Dragón de acero"?Está ubicada en Nagashima SpalandMie. Japón. Tiene 2,5 km de largo yuna caída de 97 metros. En ella, loscoches alcanzan velocidades superioresa los 150 km/h.

Aceros al manganeso

Aceros al níquel

Aceros al cromo

Aceros al cromo-níquel

Otros

ACEROS ALEADOS

• martensíticos, • perlíticos y • austeníticos.

Los martensíticos son extremadamente durospara ser maquinados. Los perlíticos tienen0,25-1,0 % de carbono y 0,8-20 % de man-ganeso; se utilizan para la construcción ypara la fabricación de resortes. Los austeníti-cos tienen 0,90-1,3 % de carbono y 10-14 %de manganeso; son aceros de excelente resis-tencia al desgaste.

AAcceerrooss aall nnííqquueell.. Reciben este nombre lascombinaciones ternarias hierro-carbono-níquel. El níquel no se combina con el car-bono; pero, disminuye la velocidad crítica deenfriamiento para el templado. Al igual quelos aceros al manganeso se clasifican, segúnsu porcentaje de carbono, en perlíticos, mar-tensíticos y austeníticos.

Los perlíticos tienen menos de 0,5 % de car-bono y hasta 3,5 % de niquel; son de mayorresistencia y ductibilidad que los aceros al car-bono. Los martensíticos no tienen muchasaplicaciones, debido a que son muy duros. Losausteníticos tampoco encuentran mucha apli-cación, ya que noson dúctiles y tie-nen bajo límiteelástico. Algunostipos de aceros alníquel austeníticosencuentran aplica-ción debido a lainfluencia delníquel en la dilata-ción de la alea-ción.

AAcceerrooss aall ccrroommoo..Como su nombrelo indica, tienen

hierro, carbono y cromo. El cromo es solu-ble en hierro líquido y forma soluciones sóli-das tanto con el hierro γ como con el hierroa. Se combina con el carbono formando dis-tintos carburos, algunos de los cuales sonisomorfos con la cementita y pueden quedarretenidos en solución sólida por un enfria-miento rápido a temperatura ambiente. Elcromo aumenta mucho la resistencia delacero a la corrosión (atmosférica, del agua ode ácidos). Los aceros inoxidables tienen0,30 % de C y 10-15 % de Cr.

AAcceerrooss aall ccrroommoo--nnííqquueell.. Son aceros cuaterna-rios donde el níquel está disuelto en el hierrog como en el hierro a, en tanto que el cromopuede estar disuelto como tal o como carbu-ros. Poseen elevado límite elástico combinadocon una mayor ductibilidad, dureza y resis-tencia al desgaste, que los aceros al carbono.Los porcentajes de cromo y níquel varíansegún las propiedades requeridas. Un aceroque se ha popularizado es el llamado 18/8, degran resistencia a la corrosión. Contiene 18 %de Cr y 8 % de Ni, y se utiliza para la fabrica-ción de cubiertos, menaje, etc.

Otros elementos que suelen entrar en la com-posición de aceros son:

• AAlluummiinniioo.. Empleado en pequeñas cantida-des, actúa como un desoxidante para el acerofundido y produce un acero de grano fino.

• BBoorroo.. Aumenta la templabilidad del acero(la profundidad a la cual un acero puedeser endurecido).

• CCoobbrree.. Mejora significativamente la resis-tencia a la corrosión atmosférica.

• MMoolliibbddeennoo.. Mediante el aumento de la pene-tración de temple, mejora las propiedadesdel tratamiento térmico. Aumenta, también,la dureza y resistencia a altas temperaturas.

• SSiilliicciioo.. Se emplea como desoxidante y actúacomo endurecedor en el acero de aleación.

110055

El iinnvvaarr es una alea-ción con 36 % de Nicuya dilatación a tem-peratura ambiente esprácticamente nula; sela emplea para fabri-car instrumentos deprecisión.

PPllaattiinniittee, una aleacióncon 0,15 % de carbonoy 46 % de níquel tieneun coeficiente de dila-tación similar al vidrio.

110066

SISTEMA DE DESIGNACIONES SAE-AISI PARA ACEROS

AAcceerrooss CCoommppoossiicciióónn nnoommiinnaall AAcceerrooss CCoommppoossiicciióónn nnoommiinnaall AAcceerrooss CCoommppoossiicciióónn nnoommiinnaall

al C al Ni-Cr-Mo 51xxx Cr: 1,02; C: 1,00 mín.

10xx Acero al C (Mn: 1,00 máx) 43xx Ni:1,82; Cr: 0,50 y 0,80;

Mo: 0,25 52xxx Cr: 1,45; C: 1,00 mín.

11xx Con S agregado 43BVxx Ni: 1,82; Cr: 0,50; Mo:0,12 y 0,25; V: 0,03 mín al Cr-V

12xx Con S y P agregados 47xx Ni: 1,05; Cr: 0,45; Mo:0,20 y 0,35 61xx Cr: 0,60, 0,80, 95. V: 0,10

y 0,15

15xx Acero al C(Mn: 1,00 a 1,65) 81xx Ni: 0,30; Cr: 0,40; Mo:

0,12 al W-Cr

al Mn 86xx Ni: 0,55; Cr: 0,50; Mo:0,20 72xx W: 1,75; Cr: 0,75

13xx Mn: 1,75 87xx Ni: 0,55; Cr: 0,50; Mo:0,25 al Si - Mn

al Ni 88xx Ni: 0,55; Cr: 0,50; Mo:0,35 92xx Si: 1,40 y 2,00; Mn: 0,65,

0,82 y 0,85; Cr: 0 y 0,65

23xx Ni: 3,50 93xx Ni: 3,25; Cr: 1,20; Mo:0,12 De baja aleación

25xx Ni: 5,00 94xx Ni: 0,45; Cr: 0,40; Mo:0,12 9xx Varios grados SAE

al Ni -Cr 97xx Ni: 0,55; Cr: 0,20; Mo:0,20 al B

31xx Ni: 1,25; Cr: 0,65 y 0,80 98xx Ni: 1,00; Cr: 0,80; Mo:0,25 xxBxx B denota boro

32xx Ni: 1,75; Cr: 1,07 al Ni-Mo Con Pb

33xx Ni:3,50; Cr:1,50 y 1,57 46xx Ni: 0,85 y 1,82; Mo: 0,20y 0,25 xxLxx L denota plomo

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

44xx Mo: 0,40 y 0,52 51xx Cr: 0,80, 0,87, 0,92, 0,95,1,00 y 1,05

al Cr y Mo Al Cr con alto % de C

41xx Cr: 0,50; 0,80 y 0,95; Mo:0,12, 0,20, 0,25 y 0,30 50xxx Cr: 0,50; C: 1,00 mín

110077

Además de los aceros aleados mencionadosexisten aceros al cromo-manganeso, al tungs-teno, al vanadio, al cromo-vanadio, etc.

Nomenclatura de los aceros;sistema SAE-AISILa mayoría de las propiedades de los acerosestá determinada por su microestructura yésta, a su vez, está determinada por el trata-miento y la composición química. Uno de lossistemas más generalizados en la nomencla-tura de los aceros es el que está basado en sucomposición química.

En el sistema SAE-AISI –Society of AutomotiveEngineers, American Iron and Steel Institute– losaceros se clasifican con cuatro dígitos XXXX:

• los primeros dos números se refieren a losdos elementos de aleación más importantes y

• los dos (o tres; porque, unos pocos acerosse identifican mediante números de 5 dígi-tos) últimos dígitos indican cuántos centé-simos de % de carbono se encuentra pre-sente en la aleación.

Así, por ejemplo 1040 indica acero al carbo-no con 0,4 % de carbono; 1330, indica unacero con 1,75 % de mangeneso y 0,3 % decarbono. En la tabla de la página anterior seda el sistema de designaciones que recomien-dan estas dos instituciones.

Actividad 2.1. Corrosión de unclavo de hierro

La corrosión puede definirse como el deterio-ro de un material a consecuencia de un ata-que químico en su entorno.

Los metales pueden reaccionar por contactocon otros metales formando pilas electroquí-micas: Algunos pueden ser atacados por áci-dos; otros, como el aluminio, pueden ser ata-cados por bases.

Los metales que antiguamente se llamaban"metales viles" pueden reaccionar con oxíge-no formando los respectivos óxidos. En cam-bio, los "metales nobles" como el oro, el plati-no, etc., no se oxidan con facilidad.

Se suele hacer una distinción entre oxidacióndirecta y corrosión electroquímica. En los pro-cesos de oxidación, el metal, generalmente enestado de sustancia simple, forma cationes:

M →→ Mn+ + n e-

Simultáneamente, tiene la reducción del oxí-geno molecular:

½ O2 + 2 e- →→ O2-

Estas reacciones redox provocan la formaciónde una capa de óxido metálico sobre la superfi-cie metálica que, en algunos casos, se adhierefirmemente, brindando protección frente a futu-ras oxidaciones. En otros casos, el óxido forma-do queda retenido tan débilmente sobre

110088

la superficie que la acción de agentesatmosféricos lo desprende, posibilitan-

do que la corrosión continúe. Y, en otros casos,la corrosión de un metal se produce por contac-to con otro que tiene un potencial de oxidaciónmayor según la serie electroquímica.

Existe también un fenómeno de corrosión bajoesfuerzo.

El proceso de corrosión puede prevenirse demúltiples formas. Una de ellas es el recubri-miento metálico. Estos recubrimientos se apli-can mediante distintas técnicas y forman pelí-culas protectoras sobre los metales que cubren.Por ejemplo, en el caso del acero galvanizado(acero recubierto de cinc), el cinc tiene unpotencial de oxidación mayor que el del acero y,por lo tanto, en la interfase entre los metales,constituye el ánodo de la reacción. El aceroactúa como cátodo y no sufre oxidación alguna.

En los ensayos que proponemos, se estudianlas reacciones de oxidorreducción que tienenlugar en varios clavos en los que se provocanfenómenos de corrosión. Se comprobará que,en las zonas de los clavos donde el metalsufre las mayores tensiones, aumenta elpotencial anódico; esto es, el metal tienemayor capacidad para oxidarse.

El hierro en ambiente anhidro tiene una granresistencia a la oxidación. En cambio enambiente húmedo se oxida con facilidad. El

óxido de hierro que se forma se desprendecon facilidad de la superficie del metal, per-mitiendo que la oxidación continúe:

La oxidación del hierro a catión ferroso serepresenta:

2Fe (s) + 2 Fe2+ (aq) + 4 e-

Los cationes ferrosos reaccionan con ferricia-nuro potásico para producir un precipitadoazul, el azul de Turnbull.

H2O + K+ + Fe2+ (aq) + Fe(CN)63+ (aq) →→

→→ KFe[Fe(CN)6. H2O

Los electrones cedidos por el clavo reducen aloxígeno, el que se transforma en iones hidró-xido. Para poner en evidencia este proceso, seusa fenolftaleín como indicador. La fenolftale-ína, incolora en medio ácido o neutro, vira alcolor rosa en medio alcalino.

O2 + 2 H2O + 4 e- →→ 4 HO-

Los siguientes ensayos tienen por objetivos laobservación el proceso de corrosión y los cam-bios que se producen en las superficies metáli-cas cuando son tratadas con diversos agentes.

Material y reactivos:• Vaso de precipitado de 250 ml.• Placa de Petri.• Clavos de hierro y de acero galvanizado.

110099

• Clavos cobreados y cromados.• Papel de aluminio.

• Gelatina o agar-agar en polvo.• Ferricianuro potásico K3 [Fe (CN)6] 0,5 M.• Solución de fenolftaleína.

El procedimiento es:• Se prepara una disolución de agar-agar o

gelatina en agua caliente. • Se vierte una cantidad (6 g) en 150 ml de

agua en un vaso de precipitados y se pone acalentar con agitación constante.

• Cuando la gelatina está completamentedisuelta, se deja enfriar.

• Cuando esté templada, con un cuentagotasse le añaden unas 10 o 12 gotas de la solu-ción de ferricianuro potásico 0,5 M y unas 8-10 gotas de solución de fenolftaleína, siem-pre con agitación.

• Se preparan dos placas de Petri24, cada una deellas con tres clavos. En la primera, se colocaun clavo normal, un clavo doblado por su partecentral y un tercer clavo galvanizado. En lasegunda placa de Petri, se coloca un clavorecubierto –en parte– de papel de aluminio,un clavo cobreado y un último clavo cromado.

• En ambas placas se vierte la disolución deagar o gelatina (con el ferricianuro y lafenolftaleína) sobre los clavos, de maneraque éstos queden completamente cubiertospor el agar y/o gelatina.

• Al cabo de unos minutos se puede observarcierta coloración tenue en la cabeza y en la

punta de los clavos. Sin embargo, para apre-ciar mejor el efecto de la corrosión, es nece-sario dejar las placas durante toda la nocheen los cajones de las mesas de prácticas.

• Se observa la coloración al día siguiente y seanotan las diferencias que aparecen en losdistintos clavos.

Proponga a sus alumnos:1. Consultar la tabla de potenciales de reduc-ción estándar para el hierro y el aluminio, yresponder a las siguientes preguntas:a) ¿Qué metal (Al o Fe) tiene mayor capaci-dad para oxidarse? ¿Cuál de los dos es másoxidante? Si estos dos metales se ponen jun-tos en una disolución acuosa que contengaiones de ambos, ¿qué metal resultará reduci-do y cuál oxidado?b) De acuerdo con la respuesta del apartadoa, ¿por qué los materiales de aluminio sufrenuna corrosión mucho más lenta que los dehierro? El aluminio, es un buen protector paraevitar la corrosión del hierro?

2. Consultar la tabla de potenciales estándar dereducción y localizar otros metales que seanmás fácilmente oxidables que el hierro y que,por tanto, puedan protegerlo de la corrosión.

3. Algunas veces se ponen varillas de magne-sio metálico en los calentadores de agua,¿cuál es la razón?

24 Es importante no mover la placa de Petri una vez colocados los clavos.

Aceros inoxidablesDentro de la gran variedad de aceros merecendestacarse, por su popularidad, los aceros ino-xidables. Los aceros inoxidables son una gamade aleaciones que contienen un mínimo de11 % de cromo. El cromo tiene la particulari-dad de formar una película pasivante, queinhibe la posterior oxidación del metal sobre lasuperficie del acero que impide su corrosiónpor agentes atmosféricos o químicos. Esa pelí-cula es extremadamente delgada, continua yestable. La resistencia a la corrosión y la diver-sidad de propiedades y características secunda-rias, presentes en los aceros inoxidables hacende ellos un grupo de aceros muy versátiles.

Los aceros inoxidables tienen una resistenciamecánica que es más del doble que la delacero al carbono; son resistentes tanto a tem-peraturas elevadas como a temperaturas bajocero. Son relativamente fáciles de maquinary su apariencia estética puede variarse, some-tiendo el acero a diferentes tratamientossuperficiales. Mediante estos tratamientos seobtienen acabados a espejo, satinado, colore-ado, texturizado, etc.

Los llamados aceros inoxidables SSeerriiee 440000–aceros inoxidables martensíticos– fueron losprimeros desarrollados industrialmente. Se losllama, simplemente, "al cromo" y se los empleapara la fabricación de cubiertos. Tienen uncontenido de carbono relativamente alto de 0,2a 1,2 %, y de cromo de 12 a 18 %. Los tiposmás comunes son el AISI 410, 420 y 431.

Sus propiedades más relevantes son: elevadadureza, que se puede incrementar por trata-miento térmico, gran facilidad de maquinadoy resistencia a la corrosión moderada.Actualmente, sus principales aplicacionesson: fabricación de ejes, instrumental quirúr-gico y cuchillería.

Hay otros aceros inoxidables SSeerriiee 440000 –queson aceros inoxidables ferríticos– que tam-bién se consideran, simplemente, "al cromo";su contenido varía de 12 a 18 %, con conte-nido de carbono bajo de menos del 0,2 %.Los tipos más comunes son el AISI 430, 409y 434.

La propiedad más relevante es su buenaresistencia a la corrosión. Su dureza no esmuy alta y no puede incrementarse por trata-miento térmico.

Los principales usos de este tipo de acerosson para la fabricación de equipos y utensi-lios domésticos, y en aplicaciones arquitectó-nicas y decorativas.

Los aceros inoxidables SSeerriiee 330000 –aceros ino-xidables austeníticos– son los más utilizadospor su amplia variedad de propiedades. Seobtienen agregando níquel a la aleación, porlo que la estructura cristalina del material setransforma en austenita (de aquí deriva elnombre). El contenido de cromo varía de 16a 28 %, el de níquel de 3.5 a 22% y el demolibdeno 1,5 a 6 %. Los tipos más comunesson el AISI 304, 304L, 316, 316L, 310 y 317.

Entre sus propiedades se destacan: excelenteresistencia a la corrosión, muy buen factor dehigiene y limpieza, facilidad de transformar-se, excelente soldabilidad; no se endurecenpor tratamiento térmico y se pueden utilizartanto a temperaturas muy bajas como a tem-peraturas elevadas.

Sus principales aplicaciones son: fabricaciónde utensilios y equipo para uso doméstico,hospitalario y en la industria alimentaria; enla industria química, para la fabricación dereactores resistentes a la corrosión, tanques,tuberías, etc.

111100

Principales establecimien-tos siderúrgicos del paísPor volumen de producción, SSiiddeerraarr es lamayor empresa siderúrgica argentina.Partiendo del mineral de hierro y del car-bón que llegan a su puerto, elabora coque,arrabio y acero para producir chapas lami-nadas en caliente, en frío y revestidas.Desarrolla sus actividades en 7 plantasindustriales; la más importante de todas esla Planta San Nicolás, ubicada sobre la mar-gen derecha del Río Paraná, en el partidode Ramallo, a 7 km de la ciudad de SanNicolás de los Arroyos, provincia deBuenos Aires. Las instalaciones del comple-jo, de ciclo integrado, comprenden elPuerto Ingeniero Buitrago, una planta decoque con cuatro baterías, una planta desubproductos, una planta de sínter25, dosaltos hornos, una acería LD con tres con-vertidores, horno cuchara, colada continua,laminación en caliente, laminación en frío,instalaciones de terminación en frío, unalínea de estañado electrolítico y serviciosauxiliares de envergadura. Entre estos últi-mos se destacan una usina eléctrica propia,una planta de oxígeno, talleres de manteni-miento y una importante red ferroviaria.

La Planta Ensenada produce, a partir de lasbobinas laminadas en caliente que llegan asu puerto, chapas de acero laminadas enfrío, en hojas y bobinas. El puerto consta deun muelle de 150 m, para barcos de hasta35.000 t. La planta comprende una línea dedecapadado –acabado superficial conácido– continuo, un tren de laminación enfrío, recocido batch –discontinuo– para tra-tamiento térmico discontinuo, laminador detemple, una línea de aplanado bajo tensióny servicios auxiliares.

En la Planta Haedo, Siderar produce chapasgalvanizadas para las industrias de la cons-trucción, de base agrícola y vial. Cuenta conuna línea de galvanizado por inmersión encaliente y distintas líneas de corte y confor-mado de chapa.

En la Planta Sidercolor –localizada enFlorencio Varela, provincia de Buenos Aires–,a partir de chapas laminadas en frío, se pro-ducen chapas de acero electrocincadas, cha-pas prepintadas y chapas revestidas con pelí-culas de PVC en una amplia gama de colores,destinadas a la industria automotriz, de artí-culos para el hogar y de la construcción.Cuenta con líneas de electrocincado, prepin-tado e instalaciones auxiliares.

Próximas a la Planta Sidercolor, se encuentranlas Plantas 1 y 2 de Serviacero, en cuyas ins-talaciones se realizan cortes especiales dechapa de acero laminado en frío (flejes, desa-rrollos, etc.) para diferentes rubros industria-les. Las plantas cuentan con varias líneas decorte transversal y longitudinal, y un centrode corte automático para producir medidasespeciales e instalaciones auxiliares, que leotorgan una capacidad productiva del ordende 150.000 t/año.

La planta Serviacero 3 se encuentra vecina a laPlanta Sidercrom, en el Parque IndustrialComirsa. En ella se realizan cortes de chapalaminada en caliente, que permiten entregar almercado hojas, tiras y desarrollo a pedido. Laplanta posee una línea de corte transversal, unalínea de corte longitudinal, una línea de grana-llado y tres guillotinas aptas para entregar desa-rrollos. En el corto plazo aumentará su capaci-dad con una línea de corte longitudinal quepermitirá flejar material de hasta 12,5 mm.

La Planta Sidercrom, está próxima a la Planta

111111

25 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.

de San Nicolás. En ella, partiendo de bobinasestañadas, se producen todas las variantesdimensionales de hojas necesarias para lafabricación de envases industriales, alimenti-cios y aerosoles. La planta posee dos líneas decorte que le permiten llegar a procesar hasta120.000 t/año de bobinas estañadas. Un áreacerrada y climatizada permite el almacenajede hojas empaquetadas.

La Planta Canning está situada en la localidaddel mismo nombre, partido de Ezeiza (pro-vincia de Buenos Aires). A partir de chapalaminada en frío, produce chapa galvanizadapor inmersión y galvalume (recubrimientode aleación cinc-aluminio) en diferentes for-mas y longitudes destinados a la industria dela construcción, agro y vial. Además, cuentacon una línea de pintura en bobinas que pro-duce galvanizado y prepintado con similaresusos finales y aplicaciones.

En estas plantas, Siderar produce una ampliagama de caños con costura –para la cons-trucción de gasoductos, oleoductos y entuba-mientos de pozos de petróleo–, hojalata–para la fabricación de envases de alimentosy pinturas–, laminados en caliente, en frío yelectrocincados –de elevada resistencia a lacorrosión–, productos galvanizados, cinca-lum y chapas prepintadas para la línea blan-ca de electrodomésticos.

SSiiddeerrccaa SSAAIICC, una compañía de Tenaris, uti-liza en la Argentina la marca TenarisSiderca.Su planta productiva, localizada en la ciudadde Campana, provincia de Buenos Aires,posee una capacidad de producción anual de820.000 toneladas de tubos de acero sin cos-tura y una dotación de 4.300 empleados.

TTeennaarriiss es productor y uno de los proveedo-res más importantes del mundo de tubos deacero sin costura para las industrias del

petróleo y construcción de gasoductos. Poseeplantas productivas en Argentina, Brasil,Canadá, Italia, Japón, México, Rumania yVenezuela y una red de centros de servicio alcliente en más de 20 países, Su capacidad deproducción anual es de 3,3 millones de tone-ladas de tubos sin costura y 850.000 tonela-das de tubos con costura. Su facturaciónsupera los 3.000 millones de dólares y cuen-ta con 16.000 empleados en todo el mundo.

Entre sus productos, se destacan el cromo 3 %para Vintage Oil –un acero al cromo resisten-te a la corrosión por dióxido de carbono–,todo tipo de columnas tubulares con o sincostura –para columnas y torres para ilumi-nación, semáforos, estructuras y pórticospara señalización, etc.– cilindros para GNC,gas envasado, estructuras tubulares paraconstrucción, para la fabricación de calderas,tubos para pozos petrolíferos, etc.

AAccíínnddaarr SSAA es otra de las empresas siderúrgicasimportantes del país. Posee 13 establecimien-tos industriales, ubicados en varias provincias,destinados a producir diversos materiales.

Entre los productos que elabora Acindar sedestacan: perfiles conformados en frío y perfi-les laminados en caliente, alambres hogareñosy para la construcción, alambres industriales yrurales (alambre de púas, boyeros, ovalados,redondos, etc.), sistemas de armaduras deacero para estructuras de hormigón armado,barras para construcción DN-A-420, barrasindustriales: aleadas para resortes, aleadas deuso industrial, de uso mecánico, laminadas encaliente, varillas de bombeo, rectificadas, trefi-ladas, aptas para forja, palanquilla, piezas for-jadas, mallas de acero, clavos, estribos, tubosde conducción, tubos estructurales, caños deluz, planchuelas, laminadas en caliente, vigasreticuladas, cordones de acero para hormigónpretensado, etc.

111122

111133

Actividad 2.2Para que los alumnos tengan una expe-

riencia práctica de los diversos procesos de laindustria siderúrgica, le sugerimos tratar deconcertar una visita guiada a alguna de lasplantas mencionadas anteriormente.

Las direcciones de los establecimientos deSiderar son:

Planta San Nicolás:A. Gral. Savio S/N(2915) Ramallo. Provincia de Buenos Aires

Planta Ensenada:Camino Almirante Brown S/N(1925) Ensenada. Provincia de Buenos Aires

Planta HaedoValentín Gómez 210(B1706FMB) Haedo. Provincia de Buenos Aires

Planta SidercolorCamino Gral. Belgrano Km 32(1888) Florencio Varela. Provincia de BuenosAires

Plantas Serviacero 1, 2 y 3Camino Gral. Belgrano Km 31.5(1888) Florencio Varela. Provincia de BuenosAires

Planta SidercromParque Industrial Comirsa

(2915) Ramallo. Provincia de Buenos Aires

Planta CanningCalle Barreiro s/n. Canning(1804) Partido de Esteban Echeverría.Provincia de Buenos Aires

Las direcciones de Tenaris Siderca son:

Av. L N Alem 1067 (1001). Buenos Aires

Dr J Simini 250 (2804) Campana. Provincia de Buenos Aires

Las direcciones de las plantas de Acindar S.A.son:

Sede CorporativaEstanislao Zeballos 2739. Beccar.

Tablada. Planta 1Dr. Ignacio Arrieta 4936. La TabladaProduce alambres.

Tablada. Planta 2 Armar Buenos AiresPresta el servicio de corte y doblado de acero.Provincia de Santa Fe:

Planta Ing. Arturo AcevedoRuta Prov. 21, Km 246,8. Villa Constitución.El establecimiento es la acería principal de lafirma. Produce tubos de conducción, flejes,barras, alambrón y alambre.

111144

Armar RosarioBulevar Seguí 7618. Rosario

Presta el servicio de corte y doblado de acero.

Planta HerediaBulevar Seguí 7618. RosarioProduce alambres, telas y tejidos de acero.

Planta Navarro:Av. Presidente Perón 8000. RosarioProduce perfilería y barras.

LaminferAv. Provincias Unidas 205 bis. RosarioProduce tubos estructurales.Provincia de San Luis.

SampaEx Ruta Nac. 7, km 3,5. San Luis.Presta el servicio de enderezado de barras.

Acindar MallasRuta 148 Ext. Sur, km 536. Villa MercedesProduce mallas de acero Standard y Trilogic.

IndemaParque Industrial Norte, Ruta Nacional 7, km703. Villa MercedesProduce mallas de acero específicas,Standard y T-500 s.

ImpecoCalle 1 y 109. Parque Industrial Norte. VillaMercedesProduce tubos estructurales y de luz.

ClametRuta 148. Ext. Sur. km. 756. Villa MercedesProduce clavos de acero.Provincia de Córdoba

Armar CórdobaMonseñor Pablo Cabrera 7500. CórdobaPresta el servicio de corte y doblado de acero.

La industria siderúrgica yel medio ambiente Uno de los principales efectos de los procesossiderúrgicos sobre el ambiente está constitui-do por las emisiones de CO2. No obstante lamejora en la tecnología evidenciada en lasúltimas décadas, las emisiones de CO2 ron-

dan las 2,0-2,2 toneladas de CO2 por tonela-da de acero crudo. Dado que en el mundo seproducen alrededor de 1000 millones detoneladas anuales de acero crudo, las emisio-nes de CO2 superan los 2.000 millones detoneladas anuales. En estas cantidades no seincluye el CO2 generado por centrales térmi-cas que suministran la energía para los proce-sos de afino y elaboración de subproductos.

111155

A la polución por emisión de CO2, se sumala ocasionada por la emisión de SOx (SO2 ySO3) producidos en los procesos de afino.Los SOx, conjuntamente con los NOx son losresponsables de la llamada "lluvia ácida".

Otro problema ambiental lo constituyen lossubproductos sólidos y líquidos de los pro-cesos siderúrgicos. En 1950, se generaban700 kg de subproductos (escorias, barros desistemas de limpieza de gases y humos de

colada, aguas residuales, etc.) por tonelada dearrabio producido; actualmente, sólo se gene-ran alrededor de 200 kg. Aún así, la contribu-ción al deterioro ambiental es muy grande.

Se encuentran en desarrollo estudios de tecno-logía que aportan un menor impacto pormayor eficiencia general de proceso (energéti-ca, menor residuo generado, efluentes y emi-siones controladas, etc.) tal como el pprrooyyeeccttooddee cchhaappaa uullttrraaffiinnaa –Thin Slab Casting– o el pprroo--yyeeccttoo UUllttrraa LLiigghhtt SStteeeell AAuuttoo BBooddyy –ULSAB–, enel cual un consorcio internacional integradopor empresas automotrices y varias empresassiderúrgicas ha diseñado y construido un pro-totipo de auto con carrocería ultraliviana, 35 %menos pesada que la convencional.

De esta manera, la siderurgia es, entre todaslas industrias, la que contribuye en mayor pro-porción al efecto invernadero.

Bibliografía de consulta

• Casti Publishing Inc (2005; 5° ed.) MetalsBlack Book. North America Ferrous Data. EnCD-Rom. Alberta.

• Clausen, C. A.; Mattson, G. (1982)Fundamentos de Química Industrial. Limusa.México.

• Corporación Aceros Arequipa S (2000) Elacero, lo que hay que saber. Grupo SRL.Lima.

• Department of Industry, Tourism andResources, Australian Government (2003)The Australian Steel Industry In 2003.Camberra.

• Felder, R. M.; Rosseau, R.W. (1981)Principios Básicos de los procesos Químicos. ElManual moderno SA México.

• Glasstone, S. (1978) Termodinámica paraquímicos. Aguilar. Madrid.

• Grjotheim, K, et al. (1982; 2° ed.)Aluminum Electrolysis: Fundamentals of theHall-Héroult Process. Aluminium-Verlag.Düsdeldorf.

• Grjotheim, Kai; Kvande, Halvor; Zhuxian,Qiu (1995) "Key improvements to Hall-HJrault since the end of World War II" TheJournal of the Minerals, Metals & MaterialsSociety.

• Henglein, F. A. (1951; 5° ed.) Compendio detecnología química. Para estudiantes deQuímica e Ingeniería. Manuel Marín.Barcelona.

• Henglein, F. A. (1968) Chemical Technology.Franklin Book Company Inc. New York.

• Hougen, O. A.; Watson, K. M.; Ragatz, R. A.(1982) Principios de procesos químicos. TomoII: Termodinámica. Reverté. Barcelona.

• IDITS –Instituto de desarrollo industrialtecnológico y de servicios– (2004) Primerinforme sectorial metalmecánico. Mendoza.

• International Iron and Steel Institute (2005)Steel Statistical Yearbook 2005. Bruselas.

• Kirk, R. E.; et al. (1991; 4° ed.)"Aluminum". Encyclopedia of ChemicalTechnology. J. Willey & Sons. New York.

• Morel, Paul (1992) Histoire technique de laproduction d'aluminium. Presses Universitairede Grenoble.

• Nauta (1971; 3° ed.) Enciclopedia de la téc-nica y la mecánica. Nauta. Barcelona.

• Plunkert, P.A. (2000) "Aluminum: Ch."U.S. Geological Survey Mineral CommoditySummaries.

• U.S. Department of Energy (1997) Energyand Environmental Profile of the U.S.Aluminum Industry. Washington.

• U.S. Department of Energy (2003) U.S.Energy Requirements for AluminumProduction: Historical Perspective, TheoreticalLimits and New Opportunities. Washington.

• UNEP/IISI (1997) Environment and the SteelIndustry, Technical Report 38.

• Universidad Pontificia Bolivariana. (2002)Curso Hornos. Caracas.

• Welch, B.J. (1999) Aluminum productionpaths in the new millennium. The Journal ofthe Minerals, Metals & Materials Society.

• Winnacker, K.; Weingartner, E. (1954)Tecnología química. Tomos I y II. G. Gilli.Barcelona.

También se ha obtenido información valiosade las siguientes páginas web:

• www.aluar.com.ar• www.alcan.com• www.alcoa.com• www.bgs.ac.uk• www.worldsteel.org• www.usgs.gov

111166

M Minerales y Alto Horno

Education

Transcript of M Minerales y Alto Horno