"CHARLES MARTIN HALL Y EL INICIO DE LA ERA DEL ALUMINIO"

- Un análisis del desarrollo de la industria del Aluminio desde una perspectiva histórica -

Wilmer Romero Ph.D, DIC, Ing.Met.

Junio 2012

PREÁMBULO

Prof. Frank Fanning Jewett (1844 – 1926) Oberlin College

Charles Martin Hall, a los 22 años (Dic. 06, 1863 – Dic. 27, 1914)

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CHARLES MARTIN HALL – SU VIDA

Charles con sus hermanas menores Edith y Louis

Julia Hall a la edad de 22 años (1859 – 1925)

CHARLES MARTIN HALL – SU OBRA

A los 16 años ya conocía los problemas envueltos en la producción Al.

Hall a la edad de 42 años

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CHARLES MARTIN HALL – SU OBRA

¿ÉPOCA CORRECTA? • Electroquímica maduraba como una ciencia aplicada • Inventores trataban desarrollar un proceso económico • Interés en química de sustancias conteniendo fluoruro

CHARLES MARTIN HALL – SU OBRA

• Grandes dinamos disponibles comercialmente

disponible en Cleveland • Gasolina (J. D. Rockefeller) • Desarrollo lámparas de arcos de carbón (Brush Electric) • Químicos en Cleveland (Grasselli Chemical, luego Du Pont)

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CHARLES MARTIN HALL – SU OBRA

CLEVELAND, 1879, PRIMERA CIUDAD ILUMINADA EN USA

CHARLES MARTIN HALL – SU OBRA

CRONOLOGIA DE SUS EXPERIMENTOS ETAPA EXPERIMENTAL 1. MÉTODO DE REDUCCIÓN TÉRMICA (Adaptó la Reducción CARBOTÉRMICA) Mezcla finamente molida

Coque

C + Al2O3 C + Arcilla + KClO3 Probó: Sales de Bario, Criolita y Na2CO3

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CRONOLOGIA DE SUS EXPERIMENTOS 2. MÉTODOS ELECTROQUÍMICOS a) Electrólisis de soluciones acuosas

Fluoruro Aluminio en Agua  Al(OH)3

b) Lab. Improvisado en su casa

¿Cuál Soluto?

Alúmina

¿Cuál Disolvente? Libre de agua (Sales fundidas)

CRONOLOGIA DE SUS EXPERIMENTOS LABORATORIO DEL COBERTIZO DE HALL

BATERÍA BUNSEN (300 g Zn hacen 30 g Al)

Cocina Fuente: The Immortal Woodshed, Junius Edwards, 1955.

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CRONOLOGIA DE SUS EXPERIMENTOS

Fuente: Paramount Picture/Alcoa Technicolor Film "Unfinished Rainbows", Alan Ladd and Janet Shaw. 1940

CRONOLOGIA DE SUS EXPERIMENTOS HALL EL INVENTOR

+ Crisol de Arcilla

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CRONOLOGIA DE SUS EXPERIMENTOS ¿En busca del Solvente milagroso? Uso de sales fundidas como solventes

• Fluoruro Calcio • Fluoruro Magnesio • Fluoruro Sodio • Fluoruro Potasio • Fluoruro Aluminio CRIOLITA (Na3AlF6)

Pf = 1.360 oC Pf = 1.266 oC Pf = 988 oC Pf = 846 oC

Fundieron pero no disolvió Al

Pf = 1.040 oC Pf = 1.000 oC EUREKA!

ENCONTRÓ EL DISOLVENTE IDEAL - 10 FEBRERO 1886

CRONOLOGIA DE SUS EXPERIMENTOS 16 FEBRERO 1886

PRIMER ENSAYO ELECTROLÍTICO CON CRIOLITA (Hall tenía 22 años y 8 meses de graduado en “Oberlin College”)

+

-

Crisol de Arcilla (Silicato de Al)

Delgada capa grisácea Repitió varias veces el experimento – infructuosamente

7

CRONOLOGIA DE SUS EXPERIMENTOS HALL EL INVENTOR 23 FEBRERO 1886 - LO TENGO! … LO TENGO!

+

-

Crisol de Grafito 5 cm x 10 cm

Luego de 5 ½ año en asociación con su mentor y con hermana consiguió su sueño.

CRONOLOGIA DE SUS EXPERIMENTOS HALL EL INVENTOR

Muestras originales del proceso inventado por Hall encima de su cuaderno de anotaciones.

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NACIMIENTO DEL PROCESO HALL LA JOYA DE LA CORONA DE ALCOA

El Proceso fue designado como un “Hito Histórico de la Química”, por La Sociedad de Química Norteamericana en 1997.

NACIMIENTO DEL PROCESO HALL

Monopolio legal por 17 años para producir Al ¿Otros descubrimientos?

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NACIMIENTO DE LA INDUSTRIA DEL ALUMINIO

HALL EL EMPRESARIO

BÚSQUEDA DE FINANCIAMIENTO

Primeros intentos - Junio 1886 – Octubre 1886 BOSTON

Celda de prueba de 10 cm ø x 31 cm alto Dinamo de 1 a 2 HP

- Julio 1887 – Julio 1888 CLEVELAND

(A través Hermano mayor)

(A través de unos de sus tíos)

COWLES ELECTRIC SMELTING CO.

NACIMIENTO DE LA INDUSTRIA DEL ALUMINIO INICIO DEL SEGUNDO MÉTODO INDUSTRIAL PARA PRODUCIR AL PITTSBURGH 1888

Alfred Efraim Hunt en 1880

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NACIMIENTO DE LA INDUSTRIA DEL ALUMINIO

Capital: 20.000 US$ 1 ENERO 1907: "ALUMINUM COMPANY OF AMERICA"

NACIMIENTO DE LA INDUSTRIA DEL ALUMINIO PITTSBURGH REDUCTION COMPANY

41 cm

Esquema de celdas de reducción en Smallman street, 1889. (Celdas electrolíticas originales de Hall, produjeron un total de 40 t)

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NACIMIENTO DE LA INDUSTRIA DEL ALUMINIO ALUMINUM COMPANY OF AMERICA

Celdas de reducción en Massena, Nueva York, 1914 (a la muerte de Hall)

NACIMIENTO DE LA INDUSTRIA DEL ALUMINIO ALUMINUM COMPANY OF AMERICA

Celdas de reducción en Massena, Nueva York, 1914 (a la muerte de Hall)

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NACIMIENTO DE LA INDUSTRIA DEL ALUMINIO CELDAS DE REDUCCIÓN ACTUALES

NACIMIENTO DE LA INDUSTRIA DEL ALUMINIO

Arthur Vining Davis en 1893

Primer empleado compañía, y el 17 feb. 1910, se convirtió en presidente. Figura legendaria que permaneció por 69 años (Retiró Agosto 1957).

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NACIMIENTO DE LA INDUSTRIA DEL ALUMINIO PRIMERA EXPOSICIÓN DE PITTSBURG, 1889

1 t ALUMINIO

EXPOSICIÓN UNIVERSAL DE PARÍS DE 1855

Rubíes, Zafiros y Esmeralda

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NACIMIENTO DE LA INDUSTRIA DEL ALUMINIO

PATENTE HALL - BRADLEY (1903 a 1909)

• DEMANDA DE LOS "COWLES” - 31 MARZO DE 1897 Demanda: Desde el momento en que Hall apagaba el gas como fuente de calor externo al baño electrolítico, se infligía la patente “Badley”.

NACIMIENTO DE LA INDUSTRIA DEL ALUMINIO

Al se acumulaba en la oficina – No había mercado

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NACIMIENTO DE LA INDUSTRIA DEL ALUMINIO ESTRATEGIAS PARA EL CRECIMIENTO NEGOCIO

• INTEGRACIÓN VERTICAL • MERCADO PARA EL NUEVO METAL • PROMOVER EL USO DEL METAL COMO SUSTITUTO DE OTROS

CONSUMO DE LATAS DE ALUMINIO

•50 años Mercado de Lata (el Contenedor casi perfecto). ~30% Mercado mundial •Articulo individual de Al más grande que existe y el más reciclado •Requiere > 3 MM t/año Can stock (Casi 7 plantas similares a Venalum)

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CONSUMO DE LATAS DE ALUMINIO

RECONOCIMIENTOS A CHARLES HALL MEDALLA PERKIN POR SU CONTRIBUCIÓN A LA QUÍMICA 20 Enero 1911

Sociedad electroquímica americana Sociedad de química americana Sociedad de industria química de Gran Bretaña

Paul Héroult intervino en la ceremonia y cerró con las siguientes afables palabras: mi amigo Hall y mi persona hemos estado peleando por 15 años, la mayoría de los disparos han sido desierto a causa de la gran extensión del océano atlántico. Desde que nos conocimos, sin embargo, forjamos una mejor opinión de cada uno, y tuve el gran placer esta noche en extenderle a mi amigo Hall mis sinceras felicitaciones por adjudicarse la “Medalla Perkin”.

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EVOLUCIÓN DEL PRECIO DEL ALUMINIO PRIMARIO

PRECIO PROMEDIO DEL ALUMINIO (US$/t)

SIGLO XIX 1.200.000

1.000.000

Desarrollo del primer método Industrial para producir Al.

800.000

600.000

Primera exhibición de un lingote Al producido por Método Químico.

400.000

200.000

Segundo método Industrial

~97%

1888

1887

1886

1885

1872

1862

1856

1855

1854

1852

0

EVOLUCIÓN DEL PRECIO DEL ALUMINIO PRIMARIO

PRECIO PROMEDIO DEL ALUMINIO (US$/t)

SIGLO XX y XXI 9000 8000 7000 6000

1891- Fin del Método Reducción por Sodio

5000 4000

Precio Al se sitúa por 1er vez por debajo Cu

Fin del Monopolio

3000

Inicio LME

2000 1000

2010

1999

1988

1977

1966

1955

1944

1933

1922

1911

1900

1889

0

EFECTO HALL- HÉROULT (~80%)

18

50 45 40 35

1er Lingote con Bx Vzla. Enero 1988

30 25

VENALUM 10 Jun. 1978

20

ALCASA 01 Sept. 1967

1960- Superó al Cu

15 10

6.000 t, año 1900

5

2012

2007

2002

1997

1992

1982

1987

1977

1972

1967

1962

1957

1952

1947

1942

1937

1932

1927

1922

1917

1912

1907

1902

0

1885

PRODUCCIÓN ALUMINIO PRIMARIO (t)

Millones

EVOLUCIÓN DE LA PRODUCCIÓN DEL ALUMINIO PRIMARIO

Fuente: David A. Buckingham and Patricia A. Plunkert. CRU

EVOLUCIÓN DE LA EFICIENCIA DE ENERGÍA 50

40

kWh / kg

1910 30 1932 20 13 Kwh

1972

< 12 Kwh Prototipo APXe

10

2010

MÍNIMO TEÓRICO: 6,34 Kwh/kg 0 1900

1920

1940

1960

1980

2000

2020

Fuente: International Aluminum Institute. R. Bukin, “Production of Aluminium ad Alumina. Haupin, History of Energy Consumptio by Hall-Heroult Cells, pages 106-113, in the “Hall-Heroult Centennia book. Rio Tinto

19

650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

AP60 – Rio Tito DESCUBRIMIENTO DEL PROCESO ELECTROLÍTICO

AMPERAJE (kA)

EVOLUCIÓN DEL AMPERAJE DE LAS CELDAS REDUCCIÓN

1886

09 Junio 1990 V-350

5 kA

1900s 1920s 1940s 1950s 1970s 1980s 1990s 2004

C1 2011

CELDA V-350

Fuente: Gerencia Investigación y Desarrollo

Registro patente 55.077, Ministerio Fomento

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EVOLUCIÓN DE LAS CELDAS DE REDUCCIÓN

• NUEVA ESTRUCTURA Y DISEÑO • ÁREA MÁS PEQUEÑA • FLUJO OPTIMIZADO • MEJORA HIGIENE Y SEGURIDAD DE OPERADORES • REDUCCIÓN DE LA INVERSIÓN 4.500 US$/t (190 kA) a 3.400 US$/t (500 kA)

VI LÍNEA CON CELDAS V-350

Fuente: Gerencia Investigación y Desarrollo

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V LÍNEA CON CELDAS V-350

Fuente: Gerencia Investigación y Desarrollo

RETOS DE LA INDUSTRIA DEL ALUMINIO ENERGÍA

• Incrementar Eficiencia de Corriente > 97% • Reducir consumo de Energía < 12 kWh/kg MEJORAS TECNOLÓGICAS AVANZADAS

• Menor temperatura de electrolisis (reduce 5% consumo E) • Nuevos tipos de cátodos - TiB2 (15-20% reducción E) • Ánodos inertes (10-25% Eficiencia E) MERCADO AMBIENTE

SALUD Y SEGURIDAD

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! MUCHAS GRACIAS !

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