Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vo1.13, N° 1 Y 2, 1993. 65

MATERIALES CATODICOS EN CELDAS ELECTROLITICAS HALL-HEROULTPARALA REDUCCION DE ALUMINA.

Dr. Mokka N. Rao

Universidad Nacional Experimental de Guayana.

ResumenLa vida de la celda electrolítica, ésta determinada por la calidad del cátodo. Si se garantiza una buena

calidad del material carbonoso; un adecuado diseño y fabricación de las etapas de precalentamiento yarranque, y un óptimo control de los parámetros operativos, la vida de la celda oscilará entre 5 o más años.

Las investigaciones realizadas sobre bloques catódicos, han conducido a la conclusión de que laresistividad eléctrica, choque térmico, resistencia a la difusión de sodio e impregnación del electrolito,constituyen parámetros fundamentales para predecir la vida de una celda.. Con el objeto de prevenir la difusión de sodio y subsecuente penetración del electrolito, se ha sugerido

la disposición de barreras, utilizando para tal fin, materiales de buena conductividad eléctrica y metales detransición (generalmente denominados "metales refractarios duros"), a escala de laboratorio, demostrándoseasí su capacidad para satisfacer los rigurosos requerimientos de una celda electrolítica. .

PROCESO HALL-HEROUL T con un adecuado diseño y fabricación delrevestimiento catódico, una buena programación delas etapas de precalentamiento y arranque y unóptimo control de los parámetros de operaciones, lavida de la celda será alrededor de cinco años.

La vida de la celda electrolítica, estádeterminada por la calidad del cátodo. Si segarantiza una buena calidad del material carbonoso,

Baño Electrolíticocriolita alu min a-----+

NaF +AlF3 Al203

Electrólisis y Disposición de Aluminio

2Al203 ~ 4Al+3 +O2 + le-

le- +AZ+3+C+02 ~Al+C02Temperatura del baño= 950-970°C.

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FIGURA 1. Sección transversal de la Celda Hall-Heroult

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FIGURA 2. Componentes de Voltaje de Consumode Energía.

Buena Calidad del Material Catódico Carbonoso

Las investigaciones [1] para ladeterminación de las propiedades esenciales de losbloques catódicos, a fin de establecer una guía paraobtener las cualidades óptimas que condujeron a laconclusión de que propiedades como:

- resistencia a la difusión de sodio en el carbón y aformar compuestos intercalados.

- resistencia al choque térmico,- resistencia a la abrasión, y la- resistencia eléctrica en relación con la

conductividad térmica,

constituyen los parámetros fundamentales para laselección y tratamiento térmico de las materiasprimas carbonosas, así como para el tratamiento delos bloques manufacturados.

El uso de bloques catódicos grafíticosmostró ventajas sobre el uso del carbón amorfo[2].

MA TERIALES INERTES CA TÓnICOS.

Los materiales inertes de revestimientocatódico deben satisfacer los requerimientossiguientes:

1.- Suficiente humectabilidad hacia aluminiofundido.

2.- Resistencia mecánica satisfactoria y resistenciaa agrietarse por fuerzas térmicas ó químicas.

3.- Adhesión satisfactoria al fondo de cátodos.

4.- Conductividad Eléctrica.

5.- Baja solubilidad y reactividad con aluminiolíquido y fundiciones de criolita-alúrnina.

6.- Buena resistencia a la penetración por electrolitafundida.

7.- Buena resistencia a la oxidación y corrosión porcualquiera de los gases reactivos a lo cual puede serexpuesto, particularmente a temperaturas elevadasen el interior de la celda.

8.- Baja conductividad térmica.

Los boruros y carburos de metales detransición generalmente denominados como"Materiales Refractarios Duros" (MRD),particularmente Ti, Zr, fueron observados parasatisfacer mejor los requerimientos. El punto defusión, la dureza y la conductividad eléctrica deestos boruros, carburos y nitruros songeneralmente altos. Ellos son mojados 'p?raluminio fundido y son resistentes al aluminiofundido y a la fundición criolita A12Ü3; las únicasdesventajas son su fragilidad y sensibilidad alchoque térmico. Según Welch [3] TiB2 y ZrB2 enparticular son mejores conductores electrónicos.

Algunas mezclas de MRD exhibenpropiedades superiores a los componentes puros.

Hay básicamente tres posibilidades en lautilización de MRD en la electrólisis delaluminio [4]:

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1.- MRD conexiones de corriente ó cátodoscubiertos por metal aluminio fundido.

2.- MRD cátodos que se proyectan dentro delelectrolito.

3.- MRD capas de cátodos de carbón ó metal.

Por la razón de alto costo de MRD, laalternativa última es la más atractiva. Laposibilidad de usar varias técnicas de deposición decapas de espesor de 1 mm, se presentan en laliteratura.

Welch [3] expuso la electrodeposición decapas de TiB2, ZrB2 sobre un sustrato de metal. Ladisposición exitosa de vapor de TiB2 sobre variosmetales y aleaciones, ha sido reportada por Piersony Randich [5] .. Otros métodos posibles son porrociado por plasma y vidriado.

Xian-An Liao, Ye-Xiang Liu [6] midieronla conductividad eléctrica, resistencia a la corrosióny humectabilidad respecto al aluminio fundido, debloques de carbón cubierto con capas de TiB2.

Los resultados mostraron que el bloque concapa de TiB2 tiene mejor conductividad que elbloque de carbón común. Un "Repaport Test"modificado, mostró que la expansión del bloque decarbón resultante de la penetración de sodio, parabloque con capa TiB2, es 40% menor que para losbloques sin capa.

Algunos de los mejoramientos entrealuminio fundido y grafito de bloque de carbón,son aproximadamente 1800 en el sistema defundición con electrodo criolita-aluminio, peromenos que 70° entre aluminio fundido y bloquecon capa de TiB2.

No hay efectos observados sobre ángulo dehumectabilidad, mientras el electrodo fuepolarizado.

A.J Gesing y DJ. Wheler [7] desarrollaronmétodos de ensayo para la selección poridentificación de los efectos de impurezas menores,sobre la susceptibilidad de TiB 2 basado enmateriales cerámica/cermet para cátodos delproceso Hall-Heroult. La corrosión y fractura delboruro de titanio es el resultado de la reacción delas impurezas dentro de boruro de titanio conaluminio fundido. El grado de corrosión esáltamente dependiente de la concentración,distribución y naturaleza de las impurezas. En esta

investigación se mostró que impurezas de oxígenoy carbón, libre de boruro de titanio, reaccionan conel aluminio penetrante y los productos de reacción,e inducen tensión dentro de los cátodos de borurode titanio.

La densificación de boruro de titanio retardala penetración del aluminio dentro de boruro detitanio. Por otro lado, la exposición de boruro detitanio de alta densidad por largo tiempo, resulta encorrosión de las impurezas e instruye tensionesinternas por la precipitación de inclusiones a lolargo de los bordes de grano.

Cuando se comparan los resultados deescala de laboratorio con los de la celda piloto, hayque considerar aspectos adicionales. Estosincluyen:

1.- Disrupción mecánica y magneto-hidro dinámicadel componente.

2. - Tensión generada por expansión derevestimientos, y la reacción con impurezas en elmetal, electrolito y revestimiento.

3.- La oxidación ó nitruración por los gases quepermean a través del revestimiento.

CONCLUSIONES

La operación [8] de cuatro semanas de lacelda piloto de reducción de Reynolds, usandoboruro de titanio y grafito (TiB 2-G) comoelementos de cátodo, fabricado por Great LakesResearch, demostró la viabilidad de estosmateriales. utilizando dos materiales que sirvieroncomo cátodo primario, efectivamente reduciendo ladistancia ancdo-catodo y el voltaje de la celda.Ensayando bajo varias condiciones de operación,incluyendo distancias ánodo-cátodo (TiB 2-G)cercanas, se demostró excelente estabilidad de lacelda con eluso de elementos catódicos.

El material cátodo TiB 2 -G, exhibióresistencia por choque térmico, resistiendo laoperación de arranque y la remoción desde la celda,durante la operación.

La disolución de TiB i-G material enaluminio metalico mostró una vida aceptable.

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BIBLIOGRAFIA

1. S. Willening and G. Busse. Leichtmentall-Chugsinstutt foss der vereignite Aluminium-WerlceAG Bonn. p. 189.

2. B. Allard, D. Dumas, P. Lacroix and G.Fantozzi, D. Rouby -Light Metals 1991 p. 749-758.

3. Welch, B.J. Corrosión Australasia 2 (3), 16(1977).

4. Billehaug, K. and Ye H.A. Aluminio 56, 642(1980).5. Pearson, H.O. and Radich, E. Electro. Chem.Soco 77 (5), 304 (1977).

6. Xian-An Liao, Ye-Xiang Light Metals (1990).p.409-412·.

7. A.J. Gesing & D.J. Wheeler Light Metals(1990) p. 327-334.

8. T.R. Alcom & D.V. Stewart and A.T. Taberauxand L.A. Joo and K.W. Tuker Light Metals (1990)p 413-418.

LatinAmerican Journal of Metallurgy and Maierials, Vol.l3, N° 1, 2, 1993.