Reducción de los efectos anódicos en celdas electrolíticas para la producción del aluminio primario en CVG Alcasa

INTRODUCCIÓN Las celdas electrolíticas son el corazón del proceso productivo y lo que allí sucede, en ocasión constituye un gran enigma, que se ha ido descifrando con las innumerables investigaciones realizadas a fin de mejorar tanto las condiciones de operación como las productivas. La siguiente Investigación presenta la reducción de los efectos anódicos en celdas electrolíticas para la producción del aluminio primario en CVG ALCASA. Este trabajo es importante para la empresa CVG ALCASA, ya que reducir los efectos anódicos implica minimizar costo, impacto ambiental y mejoras en el proceso. Lo cual beneficiaran y hará más eficiente a la línea de celdas en el presente y futuro.

En Celdas II Línea III CVG ALCASA se lleva a cabo el proceso de reducción del aluminio el cual se desarrolla bajo una serie de parámetros técnicos – operativos. EL PROBLEMA Cabe destacar que uno de los problemas más comunes que se presentan en esta área son los efectos anódicos el cual viene dado cuando la concentración de alúmina en el baño se reduce en un 2% aproximadamente trayendo como consecuencia un incremento de voltaje de celda y por lo tanto un mayor consumo de energía, impacto al medio ambiente por lo gases generados durante el efecto anódico y los cuales afectan y contaminan la atmósfera, y también desestabiliza tanto el control del proceso productivo como los costos de producción, debido a que hay un mayor consumo de carbones, electrolitos y varas verdes.

El presente estudio se desarrolló con la finalidad de reducir la frecuencia y tiempo de duración de tales efectos en una primera etapa de 0.5 luces/celdas/día a 0.20 luces/celdas/día ya que el objetivo de esta área es generar 0 luces/celdas/días, esto a través del establecimiento de propuesta de mejora para un control óptimo y adecuado de los mismos, todo esto con la finalidad de minimizar las emisiones de gases, mejorar la calidad del medio ambiente, la vida de los trabajadores, calidad de operación y reducir los costos de energía, generando así beneficios para la empresa. EL PROBLEMA

OBJETIVOS Objetivo General Reducir los efectos anódicos en las celdas electrolíticas para la producción del aluminio primario. Objetivo Específicos Realizar un diagnóstico de la situación actual de los efectos anódicos en el proceso productivo. Realizar un seguimiento a la frecuencia de los efectos anódicos en Celdas II Línea III a través del número de luces/día/celdas de acuerdo a la data histórica desde el año 2005 hasta la actualidad. Definir las causas que producen el efecto anódico a través de un diagrama Causa – Efecto.

OBJETIVOS Objetivo General Reducir los efectos anódicos en las celdas electrolíticas para la producción del aluminio primario. Objetivo Específicos Evaluar a través de una estimación de costo la incidencia de los efectos anódicos en la estructura de costo de producción. Proponer un plan de acciones para reducir y controlar la frecuencia y duración de los efectos anódicos. Proponer medidas de control ambiental. Realizar un análisis estadístico a través de Excel para comparar el comportamiento de los efectos anódicos desde el año 2005 hasta la actualidad.

MARCO METODOLÓGICO Tipo de Estudio No Experimental Aplicada Diseño de la Investigación Documental y de Campo Descriptiva

MARCO METODOLÓGICO Población y Muestra La Población esta conformada por toda la cantidad de luces/celdas/día en el área de Celdas II Línea III. Para la muestra se tomaron las luces/celdas/día/ en el periodo establecido, es decir, desde el año 2005 hasta el año 2008 con un promedio mensual de medición de muestra.

MARCO METODOLÓGICO Procedimiento Evaluar la situación actual a través de visitas repetidas al área de estudio para observar la frecuencia de los efectos anódicos. 2. Seguimiento y exploración de los efectos anódicos a través de los reportes diarios y mensuales para observar la frecuencia de incidencia de estos en el proceso productivo. 3. Identificación de las causas que generan los efectos anódicos a través de un diagrama Causa – Efecto. 4. Interpretación de los efectos anódicos a través de las herramientas estadísticas estudiada para observar su comportamiento desde el año 2005 hasta la actualidad.

MARCO METODOLÓGICO Procedimiento 6. Evaluar el impacto ambiental que generan los efectos anódicos. 7. Implementación de un plan de acción que conlleve al control y reducción de los efectos anódicos. 8. Implementación de medidas de protección ambiental. 5. Realizar una estimación de los costos asociados a la generación de los efectos anódicos y que afectan a los costos de producción.

SITUACIÓN ACTUAL Generalmente, el efecto anódico en las celdas de aluminio ocurre cuando la concentración de alúmina cae por debajo del 2%, siendo esta la causa principal ya que el baño electrolítico mejora su capacidad humectante al tener alúmina disuelta en el, por lo tanto el contacto entre el ánodo y el baño es optimo, y disminuye cuando la concentración de alúmina va decreciendo a través del mismo proceso (disolución de alúmina). IMPACTO DE LOS EFECTOS ANÓDICOS

SITUACIÓN ACTUAL Cabe destacar que los efectos anódicos pueden ser programados y no programados, los programados son provocados por el sistema de control de celda mientras que los no programados son producidos por condiciones de operatividad de la celda como son: Tolvas vacías Fallas mecánicas y eléctricas en la descarga de la tolva. Celdas en manual por tiempo prolongado. El Tiempo de alimentación no es el adecuado, entre otros. IMPACTO DE LOS EFECTOS ANÓDICOS

SITUACIÓN ACTUAL Influencias de los Efectos Anódicos en las Celdas Incremento del consumo de energía. Perdida de la estabilidad térmica. Reducción de la vida útil de la celda. Cambios en la químicas de baño. Disminución de la eficiencia de corriente. Debilitamiento de las paredes laterales, formación de casco rojo y posibles perforaciones de pared asociadas. Fractura del cátodo debido a expansiones y contracciones térmica. Generación de gases perflurocarbonados (CF4 y CF6 ). Incremento del consumo de fluoruro de aluminio. Incremento del consumo de palos verdes. Estrés personal.

SITUACIÓN ACTUAL (Gp:) Efectos Anódicos (Gp:) Problemas de grúas (Gp:) Fallas de operaciones tiempo (Gp:) Fallas en el rompe costra (Gp:) Falta de alimentación (Gp:) Fallas mecánicas (Gp:) Fallas en la descarga tolva (Gp:) Descalibración en la tolva (Gp:) Celdas en manual por tiempo prolongado (Gp:) Fallas mecánicas (Gp:) Fallas eléctricas (Gp:) Tiempo de alimentación no es el adecuado (Gp:) Fallas Eléctricas (Gp:) Fallas en la descarga tolva (Gp:) Distracción del operario (Gp:) Desgaste de puntas (Gp:) Obstrucción de canaletas de descarga (Gp:) Tolvas vacías por falta de regado de alumina en oportunidades

SITUACIÓN ACTUAL FUENTES CONTAMINANTES GENERADA POR LOS EFECTOS ANÓDICOS. Actualmente en Línea III Celdas II la supresión del efecto anódico se realiza en forma manual, introduciendo una vera verde por debajo de los carbones con el propósito de sacar los gases que se encuentran debajo de los ánodos los cuales se oponen al paso de la corriente. Cabe destacar que los gases generados son gases perfluorocarbonados: el tetraflúormetano (CF4) y el hexaflúoretano (C2 F6), que se producen durante el breve proceso conocido como efecto anódico y los cuales son considerados como gases de efecto invernadero que está siendo emitido a la atmósfera.

SITUACIÓN ACTUAL FUENTES CONTAMINANTES GENERADA POR LOS EFECTOS ANÓDICOS. Hoy, los aspectos ambientales relacionados con emisiones de perflurocarbonados son predominantes, la industria constantemente se esfuerza por reducir la frecuencia y la duración de EA a un mínimo, ya que el objetivo es ponerse cerca del cero. Grandes reducciones han alcanzado, pero todavía hay un modo largo de ir. Durante 15 años la industria de aluminio ha hecho grandes esfuerzos para reducir la frecuencia y duración de los efectos anódicos. En muchos países es un acuerdo voluntario entre las agencias de protección de medio ambiente y la industria de aluminio.

PRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS En CVG ALCASA específicamente en Celdas II Línea III se realizó la recolección de los reportes que contienen la información de los efectos anódicos que se producen en el proceso de reducción del aluminio. Tomándose como muestra los resultados obtenidos desde el año 2005 hasta octubre 2008.

PRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS Promedio de los Efectos Anódicos del Año 2005 EFECTOS ANÓDICOS AÑO 2005

PRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS

PRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS EFECTOS ANÓDICOS AÑO 2006 Promedio de los Efectos Anódicos del Año 2006

PRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS EFECTOS ANÓDICOS AÑO 2007 Promedio de los Efectos Anódicos del Año 2007

PRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS EFECTOS ANÓDICOS AÑO 2008 Promedio de los Efectos Anódicos del Año 2008

PRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS COSTO ASOCIADO A LA GENERACIÓN DE LOS EFECTOS ANÓDICOS Costo de Varas Verde Costo de Mano de Obra

PRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS Costo de Materia Prima

PRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS Reducción del Consumo de Energía por Disminución de Frecuencia y Duración de Efectos Anódicos Consumo extra de energía = [(Vae – Vope) * Dae ]*KA

PRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS Proyección de la Reducción del Consumo de Energía

PRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS Costo del Consumo Extra de Energía

SITUACIÓN PROPUESTA 1. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Actualmente en Línea III las celdas P20 de alimentación de alúmina semi-puntual presentan una alta dependencia al sistema de tolva de equipos ECL (grúas). Es por esto que se propone invertir en un sistema de fase densa o hiperdensa para el transporte de alúmina para cada celda. Se propone este sistema ya que es la tecnología que mas se adapta a este proceso y este ha dado excelente resultados a las empresas que lo adoptaron CVG Venalum y ALUAR (Aluminio Argentinos), lo que ayudó a disminuir la exposición de los operadores a los gases y temperaturas, así como un menor consumo de electricidad.

SITUACIÓN PROPUESTA 1. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Es importante mencionar que este sistema puede presentar fallas es por esto que se le debe diseñar un modelo de acciones para establecer un mantenimiento preventivo que permita aumentar la disponibilidad y confiabilidad del sistema. Para lograr el diseño se establece un proceso de análisis e identificación que genera una metodología orientada a obtener acciones que permitan dicho mantenimiento para el sistema de transportación de alúmina.

SITUACIÓN PROPUESTA 1. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Actualmente en Línea III las celdas P20 de alimentación de alúmina semi-puntual presentan una alta dependencia al sistema de tolva de equipos ECL (grúas). Es por esto que se propone invertir en un sistema de fase densa o hiperdensa para el transporte de alúmina para cada celda. Se propone este sistema ya que es la tecnología que mas se adapta a este proceso y este ha dado excelente resultados a las empresas que lo adoptaron CVG Venalum y ALUAR (Aluminio Argentinos), lo que ayudó a disminuir la exposición de los operadores a los gases y temperaturas, así como un menor consumo de electricidad.

SITUACIÓN PROPUESTA 2. NUEVO SISTEMA DE CONTROL DE PROCESO El sistema consiste en una red de controles mediante microcomputadoras instaladas en cada cuba; adquisidores portátiles de datos y un sistema de computación central. Esta capacidad ayuda a maximizar la eficiencia de corriente ajustando el control de la distancia ánodo/cátodo, la química del baño y la alimentación de alúmina. También controla el voltaje de operación de las cubas buscando un óptimo y bajo consumo de energía, reduce el promedio de efectos anódicos y con ello la emisión de gases asociados, y provee informes de datos. 3. REALIZAR BENCHMARKIN O ESTUDIOS COMPARATIVOS DE FISOLOSOFIAS DE CONTROL.

SITUACIÓN PROPUESTA MEDIDAS DE PROTECCIÓN DEL MEDIO AMBIENTE Unidad de Control Ambiental Esta unidad de control ambiental consta de: 1.Equipo de control mas un tablero gráfico 2. Un sistema de ductos de humos 3.Dos ventiladores 4.Dos motores 5.Un sistema transportador 6.Doce casas de filtros

SITUACIÓN PROPUESTA MEDIDAS DE PROTECCIÓN DEL MEDIO AMBIENTE Para que esta unidad de control cumpla a cabalidad su función es necesario cumplir con un buen hermetizado de celdas, ya que la absorción con alúmina de los gases fluorados, no solo permite controlar dichas emisiones; sino que condiciona un mejoramiento de la producción y productividad del Aluminio, al reinyectar al proceso, la alúmina enriquecida con Flúor retenida en las mangas filtrantes del sistema.

SITUACIÓN PROPUESTA MEDIDAS DE PROTECCIÓN DEL MEDIO AMBIENTE Monitoreo de la Calidad del Aire A fin de verificar la eficacia de los dispositivos e instalaciones de captación y tratamiento de las emisiones gaseosas, CVG ALCASA debería operar una red de monitoreo de la calidad del aire orientada a evaluar el impacto de las emisiones de gases perfluorocarbonados. Los gabinetes de monitoreo de la calidad de aire son equipos compuestos por burbujeadores con líquido absorbente que retiene el fluoruro que pueda contener el aire, una bomba de vacío para forzar la circulación de aire y un gasómetro para determinar el volumen de aire muestreado. A través de estos resultados monitoreados de calidad del aire se indicaran si se vulneran o no los niveles de calidad ambiental aplicable.

CONCLUSIONES 1. Se realizó un diagnóstico donde se pudo observar que por el efecto anódico se afecta el voltaje de celda y además se generan gases perfluorocarbonados cuando la concentración de alúmina cae por debajo de cierto nivel por falta de alimentación. 2. Se utilizaron gráficos de líneas con el fin de observar el comportamiento de los efectos anódicos a través de los años, es decir, desde el año 2005 al año 2008, obteniéndose como resultado lo siguiente: Para el año 2005 el efecto anódico se encontraba en una frecuencia de 0,57 y 0,81. Para el año 2006 se encontraba en una frecuencia de 0,55 y 0,83 Para el año 2007 se encontraba en una frecuencia de 0,70 y 0,46. Para el año 2008 se encontraba en una frecuencia de 0,59 y 0,51.

CONCLUSIONES 4. Durante el proceso de efectos anódicos se generan gases perfluorocarbonados: el tetraflúormetano (CF4) y el hexaflúoretano (C2 F6), y los cuales son considerados como gases de efecto invernadero. 5 Línea III no cuenta con una tecnología que permita una alimentación directa a las celdas de reducción. 6. Línea III no cumplen con un hermetizado de celdas estricto, por lo que no permite el buen funcionamiento del sistema FLAKT.

RECOMENDACIONES 2. Mantener un mayor control de operación y mantenimiento. 3. Usar campanas que cubran las celdas completamente a fin de capturar gases para su evacuación y filtración. 4. El departamento de ingeniería industrial debe preocuparse por rediseñar el sistema mecánico de las tolvas de celdas ya que esta se encuentran deterioradas. 5. Exigir a la planta cumplir requisitos más estrictos de desempeño y registro, asociados a mejores tecnologías y técnicas disponibles. 1. Establecer un control automatizado del proceso de electrólisis a partir de bases de datos de las celdas activas y vigilancia continua de los parámetros de operación de la celda para disminuir el consumo energético y reducir el número y duración de los efectos de ánodos.

RECOMENDACIONES 6. Capacitar a sus empleados en el uso eficiente de los recursos disponibles y en el conocimiento de los efectos ambientales de cada una de las tareas y operaciones que ejecutan. 7. Requerir estrictamente la instalación del Sistemas de Control Ambiental