Proceso de purificación del aluminio

La producción de aluminio de gran pureza se basa en un enfoque de tres niveles: desgasificación rotativa para eliminar el hidrógeno, inyección de fundente para separar los metales alcalinos y los óxidos, y filtración de espuma cerámica para capturar físicamente las inclusiones sólidas.

Para conseguir una colada sin defectos es necesario seguir estrictamente estos pasos en la sala de colada. Sin una purificación eficaz, la masa fundida presenta porosidad y propiedades mecánicas débiles. La norma industrial consiste en colocar una unidad de desgasificación en línea entre el horno de mantenimiento y la mesa de colada. Esta unidad introduce gases inertes, como nitrógeno o argón, que se unen al hidrógeno. Simultáneamente, los filtros de espuma cerámica (CFF) que utilizan mecanismos de filtración en lecho profundo atrapan las partículas no metálicas de tamaño micrométrico. La implantación de este sistema integrado garantiza el cumplimiento de las normas de calidad ASTM y reduce significativamente las tasas de rechazo en los procesos posteriores.

La necesidad crítica de purificación en la metalurgia moderna

El aluminio bruto que sale de la fundición o del horno de reciclado rara vez está lo suficientemente limpio para aplicaciones de alta gama como la fabricación aeroespacial, de automóviles o de láminas. La masa fundida contiene enemigos que comprometen la integridad estructural.

Los operadores se enfrentan a tres contaminantes principales:

1. Gas hidrógeno: Es el único gas soluble en aluminio líquido. Provoca porosidad (agujeros de alfiler) durante la solidificación.

2. Películas de óxido (escoria): El aluminio reacciona instantáneamente con el oxígeno, creando películas que debilitan la continuidad del metal.

3. Metales alcalinos: Elementos como el sodio (Na), el litio (Li) y el calcio (Ca) que reducen la ductilidad.

ADtech se centra en soluciones de ingeniería que abordan estos contaminantes específicos. Si se omite la purificación, se corre el riesgo de que el producto falle. Una sola inclusión de óxido puede provocar un desgarro en una lámina delgada o una grieta en una llanta de aleación.

Mecanismo de absorción del hidrógeno

La humedad es la principal fuente de hidrógeno. Procede del aire húmedo, de herramientas mojadas o de refractarios secados de forma incompleta. Cuando el vapor de agua (H2O) toca el aluminio fundido (Al), se produce una reacción:

El hidrógeno atómico se difunde en la masa fundida. Cuando el metal se enfría, la solubilidad del hidrógeno disminuye drásticamente, forzando al gas a salir de la solución y formando burbujas. Hay que eliminar este gas antes de que el metal se congele.

Tecnologías de purificación primaria

El refinado del aluminio fundido no es un único paso. Es una secuencia de operaciones. Examinaremos las principales tecnologías utilizadas en todo el mundo y por ADtech para garantizar la limpieza de la masa fundida.

1. Sistemas rotativos de desgasificación

La forma más eficaz de eliminar el hidrógeno es la desgasificación rotativa. Este proceso implica un rotor giratorio y un eje sumergido en la masa fundida. El sistema inyecta un gas inerte (argón o nitrógeno) a través del eje.

El rotor giratorio rompe las grandes burbujas de gas en millones de diminutas microburbujas. Esto aumenta significativamente la superficie.

Cómo funciona:

• Difusión: Los átomos de hidrógeno de la masa fundida son atraídos hacia la baja presión parcial del interior de las burbujas de gas inerte.

• Flotación: Las burbujas suben a la superficie, transportando el hidrógeno al exterior.

• Eliminación de inclusión: Las burbujas también se adhieren a las partículas de óxido, haciéndolas flotar hasta la capa de escoria para su desespumado.

Las unidades de desgasificación ADtech utilizan diseños de rotor optimizados para evitar la formación de vórtices. Un vórtice puede succionar la escoria superficial de nuevo en la masa fundida, frustrando el propósito.

2. Inyección de fundente (Fluxing)

El fundido consiste en añadir sales químicas a la masa fundida. Aunque en el pasado la adición manual era habitual, las líneas modernas utilizan máquinas de inyección automatizadas. Estas máquinas inyectan una mezcla precisa de fundente granulado y gas inerte en las profundidades del baño fundido.

Funciones de flujo:

• Agente humectante: Cambia la tensión superficial, permitiendo que el aluminio atrapado en la escoria fluya de vuelta al baño.

• Limpieza química: Ciertos fundentes reaccionan con el Calcio o el Sodio para eliminarlos.

• Limpieza de paredes: Los fundentes exotérmicos ayudan a mantener las paredes del horno libres de acumulaciones de corindón.

3. Filtración de espuma cerámica (CFF)

La filtración es el último guardián. Situada justo antes de la mesa de fundición, la caja de filtros alberga el filtro de espuma cerámica. ADtech se especializa en la fabricación de CFF, utilizando materiales de alta alúmina o carburo de silicio ligados con fosfato.

El filtro funciona mediante dos mecanismos:

• Filtración de tortas: Las partículas grandes se bloquean en la superficie del filtro.

• Filtración de lecho profundo: Las partículas más pequeñas quedan atrapadas en el tortuoso recorrido de la estructura interna del filtro debido a la gravedad, la fricción y la afinidad química.

Selección de los parámetros de filtración correctos

Elegir el filtro adecuado es ingeniería, no adivinanzas. La métrica utilizada es el PPI (poros por pulgada). Un PPI más alto significa una filtración más fina, pero requiere una mayor presión de la cabeza metálica para iniciar el flujo.

Matriz de selección de filtros

La siguiente tabla proporciona datos relativos a la selección de filtros en función de la aplicación.

Tipo de aplicación	PPI recomendado	Material filtrante	Objetivo principal
Palanquillas de extrusión estándar	30 - 40 PPI	Alúmina / SiC	Elimina los óxidos grandes, evita las líneas de troquelado.
Fundición para automoción (ruedas)	40 - 50 PPI	Carburo de silicio	Eliminar las inclusiones que provocan grietas.
Aleaciones aeroespaciales	50 - 60 PPI	Alta alúmina	Máxima pureza para la resistencia a la fatiga.
Can Body Stock	50 PPI	Alúmina	Evitan el desgarro durante el enrollado.
Enrollado de láminas (galga fina)	60+ PPI	Alta alúmina	Sin agujeros.

Nota: Los ingenieros de ADtech recomiendan precalentar la caja del filtro para evitar el choque térmico que puede agrietar la cerámica.

La interacción de la desgasificación y la filtración

Los operadores suelen preguntar si pueden realizar sólo uno de estos pasos. La respuesta es no. Funcionan en tándem.

Si filtra sin desgasificar, el metal seguirá teniendo porosidad de hidrógeno. Si se desgasifica sin filtrar, las inclusiones pasarán. De hecho, la unidad de desgasificación suele aglomerar las pequeñas inclusiones en grumos más grandes. El filtro posterior captura estos grumos con facilidad.

Estrategia de colocación:

La disposición estándar para una línea de fundición es:

1. Horno.

2. Lavar.

3. Unidad de desgasificación ADtech.

4. Caja de filtro ADtech (CFF).

5. Mesa de fundición.

Este orden es vital. La desgasificación crea turbulencias. Quieres que esa turbulencia ocurra antes de el filtro para que el flujo sea laminar (suave) cuando entre en el molde.

Optimización del proceso: Caudales y velocidades del rotor

El éxito reside en los detalles. Hacer funcionar una unidad de desgasificación a máxima velocidad no siempre es mejor. Una velocidad excesiva crea turbulencias en la superficie, exponiendo el metal fresco al oxígeno atmosférico.

Parámetros operativos recomendados

Parámetro	Gama estándar	Impacto de la desviación
Velocidad del rotor (RPM)	350 - 550 RPM	Demasiado alto crea escoria; demasiado bajo reduce la dispersión de las burbujas.
Caudal de gas (L/min)	15 - 25 L/min	Demasiado alto crea “ebullición”; demasiado bajo no consigue eliminar el H2.
Temperatura del metal	700°C - 750°C	Las temperaturas bajas obstruyen los filtros; las altas aumentan la absorción de H2.
Precalentamiento del filtro	15 - 20 minutos	La falta de precalentamiento hace que el metal congelado bloquee el filtro.

Los operarios deben calibrar estos ajustes en función del tipo de aleación. Las aleaciones de la serie 5000 (alto contenido en magnesio) se comportan de forma diferente a las de la serie 6000 (magnesio-silicio).

Estudio de caso: Mejora del rendimiento en Michigan, EE.UU.

Localización: Planta de fundición a presión de automóviles, Michigan

Hora: Febrero 2023

El reto del cliente:

Un proveedor de primer nivel de bandejas para baterías de vehículos eléctricos se enfrentaba a una tasa de rechazo de 8,5%. Los defectos se identificaron como inclusiones de óxido y porosidad de hidrógeno. Las piezas no superaron las pruebas de estanqueidad a la presión. La instalación sólo utilizaba filtros de malla sencillos y fundición manual.

La solución ADtech:

Desplegamos una mejora integral de la depuración.

1. Instalación: Sustitución de la sección de lavado para alojar una unidad de desgasificación en línea ADtech (diseño compacto de doble rotor).

2. Filtración: Instalado una caja de filtro de doble etapa utilizando 40 PPI seguido de 50 PPI filtros de espuma de cerámica.

3. Cambio de proceso: Cambio del fundente manual a la inyección automática en la cámara de desgasificación.

Los resultados:

Tras un periodo de prueba de 30 días, los datos mostraron una mejora significativa.

• Reducción de la chatarra: La tasa de rechazo bajó de 8,5% a 1,2%.

• Índice de densidad: Mejora de 8% a menos de 1,5% (lo que indica bajo nivel de hidrógeno).

• RETORNO DE LA INVERSIÓN: La reducción de los costes de refundición amortizó la actualización del equipo en cuatro meses.

Química de fundentes avanzada

El fundente no es sólo sal. Es una sofisticada herramienta química.

1. Flujo de cobertura:

Se utiliza en el horno. Flota sobre la masa fundida para crear una barrera contra el aire. Esto evita la oxidación.

2. Flujo de escoria:

Se añade antes del espumado. Crea una reacción exotérmica (calor) que separa el aluminio valioso de la piel de óxido (escoria). Esto garantiza que sólo se tiran residuos, no metal bueno.

3. Flujo de limpieza:

Se inyecta en la masa fundida. Ayuda a elevar las inclusiones a la parte superior. ADtech ofrece fundentes granulares sin sodio para aleaciones en las que el sodio es un contaminante (como las aleaciones con alto contenido de magnesio).

Inyección de fundente frente a adición manual

La adición manual es incoherente. Un operador puede echar demasiado, otro demasiado poco. La inyección garantiza una distribución homogénea. El gas portador (nitrógeno) ayuda a dispersar el fundente por toda la profundidad del baño.

Mantenimiento y longevidad de los equipos de depuración

El rendimiento del equipo se degrada si no se cuida. El rotor de una unidad de desgasificación es un consumible. Suele estar hecho de grafito o nitruro de silicio.

Revisiones comunes de mantenimiento:

• Erosión del rotor: El grafito se oxida con el tiempo. Una cabeza de rotor erosionada pierde su geometría, dejando de cizallar eficazmente las burbujas. Compruebe las dimensiones semanalmente.

• Elementos calefactores: En la caja del filtro, unos calentadores eléctricos mantienen la temperatura. Si uno falla, el metal puede congelarse.

• Integridad del sello: Las juntas alrededor de la placa del filtro deben ser estancas. Si la junta falla, el metal se salta el filtro, inutilizando el proceso.

Tabla de esperanza de vida

Componente	Material	Vida útil estimada
Rotor de desgasificación	Nitruro de silicio	6 - 12 meses
Rotor de desgasificación	Grafito	3 - 6 semanas
Tubo de protección del calentador	SiC	6 - 12 meses
Filtro de espuma cerámica	Alúmina	Un solo uso (desechable)
Lavados/revestimientos	Refractario	1 - 2 años

Nota: El nitruro de silicio es más caro de entrada, pero ofrece una longevidad superior a la del grafito.

El papel de los refinadores de cereales

Mientras que la purificación elimina las cosas malas, el refinamiento del grano añade cosas buenas. A menudo añadidos justo después de la unidad de desgasificación, los refinadores de grano (normalmente varillas de titanio-boro) dictan la microestructura del aluminio.

Una estructura de grano fino y equiaxial permite que la colada fluya mejor y resista el agrietamiento. Los sistemas de alimentación ADtech pueden automatizar la adición de alambre de AlTiB para garantizar un tamaño de grano uniforme en toda la colada.

Consideraciones medioambientales en la depuración

La purificación moderna del aluminio debe ser ecológica. Los métodos antiguos que utilizan gas cloro para la desgasificación son peligrosos e ilegales en muchas jurisdicciones.

El enfoque ADtech de la sostenibilidad:

• Sin cloro: Utilizamos nitrógeno o argón, que son seguros y abundantes.

• Escoria reducida: Un fundido eficaz reduce la cantidad de aluminio que se envía a los vertederos como escoria.

• Eficiencia energética: Nuestras cajas de filtro utilizan un aislamiento de alta eficiencia, lo que reduce la energía necesaria para mantener el metal caliente.

La reducción de la chatarra es la mayor contribución medioambiental. Cada tonelada de chatarra que debe refundirse consume enormes cantidades de gas natural y electricidad. Hacerlo bien a la primera es la estrategia ecológica definitiva.

Matices técnicos

Para comprender realmente la proceso de purificación del aluminio, hay que fijarse en los defectos concretos.

Inclusiones: Son partículas no metálicas. Pueden ser óxidos (películas), carburos o boruros. Las inclusiones duras dañan las herramientas de mecanizado en fases posteriores del proceso.

Eliminación de álcalis: la eliminación del calcio es vital para la producción de láminas. Incluso pequeñas cantidades provocan la rotura de la lámina durante el laminado.

Calidad metalúrgica: Se refiere a la limpieza general. Herramientas como el PoDFA (Porous Disc Filtration Apparatus) o las mediciones Prefil permiten a los ingenieros cuantificar la limpieza. Los equipos de ADtech ayudan a las instalaciones a conseguir curvas Prefil superiores.

Al buscar soluciones de alojamiento, Los gestores deben dar prioridad a los sistemas modulares. Una unidad de desgasificación modular puede instalarse en líneas existentes sin necesidad de grandes obras civiles.

Solución de problemas comunes de depuración

Incluso con el mejor equipo, hay cosas que fallan. He aquí una matriz de resolución de problemas para operadores de casetas.

Problema: Altos niveles de hidrógeno tras la desgasificación

• Causa: ¿Día de mucha humedad?

• Causa: ¿Velocidad del rotor demasiado baja?

• Causa: ¿Fuga de gas portador?

• Arréglalo: Aumente ligeramente el caudal de gas, compruebe si hay fugas en los conductos de gas, asegúrese de que el rotor no está desgastado.

Problema: Bloqueo del filtro (congelación)

• Causa: Temperatura del metal demasiado baja.

• Causa: Precalentamiento insuficiente de la caja del filtro.

• Arréglalo: Comprobar la temperatura del horno. Asegúrese de que los calentadores de la caja del filtro están activos 30 minutos antes de la colada.

Problema: Inclusiones en el producto final

• Causa: Filtro de derivación (junta defectuosa).

• Causa: Lavado sucio después del filtro.

• Arréglalo: Inspeccionar la junta expansiva del CFF. Limpiar estrictamente los lavaderos.

Preguntas más frecuentes (FAQ)

Estas son las preguntas más frecuentes que se hacen los responsables de los hornos y los metalúrgicos sobre el proceso de purificación.

1. ¿Cuál es el método más eficaz para la eliminación del hidrógeno en el aluminio?

La desgasificación rotativa con un gas inerte como el argón o el nitrógeno es la norma del sector. Transporta físicamente el hidrógeno fuera de la masa fundida mediante la flotación de burbujas.

2. ¿Por qué se inyecta fundente en lugar de echarlo por encima?

La inyección garantiza que el fundente entre en contacto con todo el volumen de metal, no sólo con la superficie. Esto mejora la eficacia de la reacción y reduce la cantidad de fundente necesaria.

3. ¿Con qué frecuencia debo cambiar el filtro de espuma cerámica?

Los CFF son artículos de un solo uso. Debes cambiarlos después de cada lance o siempre que la caída de presión sea demasiado alta, lo que indica una obstrucción.

4. ¿Puedo utilizar nitrógeno en lugar de argón para la desgasificación?

Sí, el nitrógeno es más barato y se utiliza mucho. Sin embargo, para determinadas aleaciones de alta tecnología o cuando se utiliza Litio, se requiere Argón porque el Nitrógeno puede reaccionar formando nitruros.

5. ¿Cuál es la diferencia entre PPI y luz de malla?

PPI significa poros por pulgada en un filtro de espuma. Malla se refiere a los tamices de alambre. 30 PPI es una granulometría estándar; 60 PPI es fina. Un PPI más alto captura partículas más pequeñas.

6. ¿Cómo garantiza ADtech que la caja del filtro no enfríe el metal?

Las cajas de filtro ADtech están revestidas con materiales refractarios avanzados y a menudo equipadas con calentadores de tapa para mantener el equilibrio térmico.

7. ¿Qué crea escoria en el horno?

La escoria se forma cuando el aluminio reacciona con el oxígeno del aire. Las turbulencias y las altas temperaturas aceleran esta reacción.

8. ¿Se sigue utilizando el cloro gaseoso para la depuración?

Es poco frecuente debido a la toxicidad y a la normativa medioambiental. Algunas instalaciones utilizan una mezcla de nitrógeno 90% / cloro 10%, pero por seguridad se prefieren los gases puramente inertes.

9. ¿Qué ocurre si la velocidad del rotor es demasiado alta?

Crea un vórtice que aspira la escoria superficial y el aire hacia la masa fundida, lo que empeora la calidad. También desgasta el rotor con mayor rapidez.

10. ¿Puede la purificación eliminar el hierro del aluminio?

No. El hierro se disuelve químicamente en el aluminio. La filtración y la desgasificación no pueden eliminar elementos disueltos como el hierro o el manganeso; sólo eliminan sólidos y gases.

Reflexiones finales sobre la calidad de la fusión

En proceso de purificación del aluminio define el valor de su producto final. Ya se trate de palanquillas, desbastes o lingotes, la presencia de hidrógeno e inclusiones no es negociable: deben desaparecer.

ADtech proporciona el hardware y la experiencia necesarios para garantizar esta calidad. Combinando una eficaz desgasificación rotativa con una precisa inyección de fundente y una filtración cerámica en lecho profundo, ayudamos a las fundiciones a cumplir las normas mundiales. El coste de la purificación es una fracción del coste de un envío rechazado.

Invertir en tecnologías ADtech garantiza que su metal esté limpio, sus clientes satisfechos y sus contenedores de chatarra vacíos.