¹UNEXPO Vice-Rectorado Puerto Ordaz - Venezuela, ²CVG VENALUM. frojashdez37@gmail.com, imer.malave@hotmail.com, angel.birrot@venalum.com.ve

(Recibido octubre 2012, Aceptado noviembre 2012)

Los grandes complejos industriales en su proceso de producción de aluminio primario consumen inmensas cantidades de energía eléctrica, entre 13,4 y 16.3 kilovatios hora por kilogramo de aluminio producido (kwh/kgAl) [1]. El proceso se lleva a cabo en las celdas de reducción electrolíticas, tipo Hall-Heroult (ver Figura 1), que en adelante se denominaran Celdas de Reducción de Aluminio (CRA), las cuales operan todo el día con altas intensidades de corriente, en el orden de centenas de kA, y un voltaje de celda inferior a los cinco voltios.

La principal empresa productora de aluminio de Venezuela C.V.G. VENALUM usa en promedio 14,7 kWh/kgAl y tiene una capacidad de producción anual superior a las 430000,00 toneladas métricas, lo que da una idea de la inmensa cantidad de energía eléctrica que se consume. Esta empresa posee en total 905 CRA, 720 son de tecnología Reynolds P-19, 180 son de tecnología Hydro Aluminium Hal-230 y 5 celdas de tipo V-350 de tecnología Venezolana, que operan con corrientes de entrada de 160, 226 y 320 kA, respectivamente y tienen una caída de potencial promedio aproximadamente de 4,6 voltios.

El complejo V línea de C.V.G. VENALUM posee las 180 CRA de tipo Hal-230, ver Figura 2, las cuales demandan gran consumo de energía eléctrica según se observa en la Tabla I.

Sólo en V línea se consumen diariamente 4,5 millones de kWh, lo que equivale al consumo mensual de 90000 hogares a razón de 1500 kWh mes. Una disminución de 10 mV en todas las Hal-230 equivale a un ahorro de 292896,0 kWh mes, lo que equivale al consumo mensual de 195 hogares.

El aumento en dicha longitud implicaba un incremento de la masa del bloque anódico de 64 kg, con lo cual se esperaba un aumento de la vida útil del ánodo de tres días. Sin embargo, el modelo 1500 yugo 3 puntas asimétrico fracasó, debido a que no se incrementó la producción de aluminio, se mantuvo la inestabilidad de las CRA por encima de los niveles permitidos y aumento de la vida útil del ánodo en apenas un día. También, se mantuvo el consumo de aditivos químicos.

Las simulaciones termoeléctricas para el SA 1500 mm, yugo no centrado, mostraron claras asimetrías en las distribuciones de potencial eléctrico y densidad de corriente, mientras que la distribución de temperatura es casi simétrica. Las asimetrías en las distribuciones de densidad de corriente (que producen asimetrías en el campo magnético del metal) son factores adicionales que influyen en la disminución de la eficiencia eléctrica de las celdas, ya que producen mayores turbulencias en el metal y en el baño electrolítico [3-4]. También, mostraron un incremento muy significativo en su corriente transversal a partir del día 21 de consumo del bloque, la cual implica incremento inestabilidad eléctrica a partir de ese día [5], fenómeno que consiste en grandes variaciones de la resistencia eléctrica de las CRA.

En septiembre de 2010 se propusieron 4 nuevos modelos de SA, yugo 4 puntas, con las mismas dimensiones del fracasado bloque anódico 1500 mm. Las simulaciones termoeléctricas mostraron que en los 4 modelos se lograron corregir las asimetrías de las distribuciones de temperatura, potencial eléctrico y densidad de corriente [6]. El incremento en las puntas del yugo ayuda a disminuir el campo magnético en el metal y el baño, logrando producir una disminución en su fuerza magnética. La Fuerza magnética es la responsable de los en los movimientos transversales y longitudinales de las partículas cargadas en el metal y el baño electrolítico. En este trabajo se propone un nuevo modelo de SA, yugo 4 puntas centrado en el bloque anódico, varilla anódica no centrada en el yugo, con el cual se espera corregir las asimetrías que presentó el fracasado modelo 1500 mm, incrementar la vida útil del bloque anódico y mejorar la estabilidad y la eficiencia eléctrica de las CRA Hal-230.

Los detalles del nuevo se presentan parte 2 de este trabajo, en la 3 se exponen los resultados de las simulaciones y en 4 se muestra un resumen de las conclusiones más importantes de esta investigación.

En la Figura 4 se muestra la vista frontal del nuevo modelo de SA realizado en el programa de simulación ANSYS, cuyas dimensiones son 610 mm x 790 mm x 1500 mm. Se observan tres nuevas modificaciones importantes:

• Modificación del ángulo de curvatura del yugo de 90º a 45º, para permitir la entrada del nuevo SA en la CRA sin problemas de contacto con las tapas (que no se muestran en la figura 2) que cierra las celdas.

• Incremento en el área inferior de la varilla anódica, de tal manera que se mantenga el mismo flujo de corriente en cada uno de las 4 puntas del yugo.

El modelo usado es un SA con un ánodo con un día de operación, por lo cual posee poco desgaste. El ánodo está sumergido en el baño electrolítico a una profundidad aproximada de 20 cm. La temperatura en la zona externa que hace contacto con el baño es de 960 ºC=1233 K. El coeficiente de convección de la zona de las celdas Hall-230 de la V Línea es de 24 W/m² ºC. La corriente que entra por la varilla es de 8,00 kA. El potencial eléctrico asociado a la cara inferior del carbón anódico es el potencial referencia, igual a cero.

El modelo está formado por la varilla anódica, dos bimetálicos, fundición gris, yugo 4 puntas y el bloque anódico. La fundición gris no se observa en el modelo porque se encuentra en la unión de las puntas del yugo con el bloque anódico. Los materiales del modelo son mostrados en la Tabla II y las características de los materiales utilizados para el modelado del ánodo son la resistividad eléctrica, la conductividad térmica y la densidad, cuyos valores son iguales a los usados [8-9]. Sólo las densidades de los materiales se consideran constantes. La resistividad eléctrica y la conductividad térmica en todos los materiales del SA se asumen isotrópicos y no lineales (dependientes de la temperatura).

En todos los nodos del modelo del SA, la distribución de potencial eléctrico la obtiene el programa de elementos finitos Ansys a partir de la conocida ecuación:

El potencial eléctrico en un contorno está dada por:

En esta parte se discuten los resultados de las simulaciones termoeléctricas primeramente para el fracasado modelo 1500, yugo 3 puntas no centrado, y luego para el nuevo modelo yugo 4 puntas centrado. Ambos modelos presentan las mismas condiciones operativas.

En las Figuras 5-7 se observan las distribuciones de temperatura, potencial eléctrico y densidad de corriente del fracasado modelo de SA.

A diferencia de la distribución de temperatura, las distribuciones de potencial eléctrico y de densidad de corriente en el bloque anódico presentan notables asimetrías. La densidad de corriente en el fondo del bloque anódico varía entre 5350 y 7850 A/m² (con una incertesa de ±50 A/m²), la asimetría y la alta densidad de corriente (en el centro) inciden negativamente en la estabilidad y la eficiencia de la CRA. La mayor simetría en la distribución de temperatura se explica porque una porción inferior del bloque anódico está sumergido en el baño eléctrico, lo cual lo obliga a estar en equilibrio térmico a 960 ºC.

En las Figuras 8-10 se observan las distribuciones de temperatura, potencial eléctrico y densidad de corriente para el nuevo SA propuesto.

Las simulaciones muestran simetrías en las distribuciones de temperatura, potencial eléctrico y densidad de corriente. La densidad de corriente máxima es de 7450 A/m², menor que los 7850 A/m² del SA anterior, y su valor mínimo es 6200 A/m², lo que implica una mayor suavidad en la variación de su densidad de corriente con respecto al fracasado SA 1500 yugo 3 puntas no centrado, esto se debe a la incorporación de una nueva punta en yugo. La mayor suavidad y la disminución de la densidad de corriente máxima en el nuevo modelo de SA equivalen a un menor campo magnético en el baño y en el metal, lo que implica una disminución de fuerza magnética en las zonas anteriores. De esta manera, es de esperar que la menor turbulencia en el baño y el metal contribuyan a mejorar la estabilidad y la eficiencia eléctrica de las CRA Hal-230.

Igualmente, una mayor estabilidad eléctrica de las celdas implica que se puede disminuir la distancia entre el fondo bloque anódico y el metal, lo que se conoce como la distancia ánodo cátodo, lo que implicaría una disminución en caída de potencial eléctrico en las celdas.

1. Las distribuciones de temperatura, de potencial eléctrico y densidad de corriente presentan altas simetrías en el bloque anódico para el nuevo modelo de SA yugo 4 puntas centrado.

2. La densidad de corriente máxima para el nuevo modelo de SA es menor que del SA 1500 mm anódico yugo 3 puntas no centrado, lo que implica una disminución en la fuerza magnética en el baño y el metal, lo que debe contribuir a mejorar la estabilidad y la eficiencia eléctrica de las CRA.

3.- El Incremento en la altura del bloque anódico en 50 mm equivale a incrementar la vida útil del ánodo en tres días, y por lo tanto, se disminuirían las inestabilidades eléctricas de las celdas por efecto de cambio de ánodos.

4.- Se espera un menor uso de aditivos químicos en las CRA, contaminantes del medio ambiente, como consecuencia de la mayor estabilidad eléctrica de las celdas.