UNIVERSIDAD DE LA REPUBLICA MEXICANA
Producción de Envases de Aluminio Método DWI Islas de Jesús José Raymundo 29/03/2011
En el siguiente escrito se desarrolla el proceso de elaboración de envases de aluminio por el método DWI el cual consiste en el estirado de la lámina lámina hasta obtener la altura deseada así como el grosor de las paredes.
INTRODUCCION El Aluminio es el metal más abundante en el mundo. Constituye el 8% de la porción sólida de la corteza terrestre. Todos los países poseen grandes existencias de materiales que contienen aluminio, pero los procesos para obtener aluminio metálico a partir de la mayor parte de estos compuestos no son económicos todavía. Extracción del aluminio En términos de escala de producción (cerca de 2 x 10 7 ton/año en todo el mundo) la electrólisis es segunda en importancia después del cloro-álcali. Puede ser obtenido y económicamente por anodización para corrosión retardada. El aluminio es normalmente producido del mineral bauxita, el cual es un óxido de aluminio hidratado que contiene sílica y otros óxidos metálicos, particularmente hierro. Esta es convertida a alúmina pura usando el siguiente equilibrio: Al2O3 x 3H2O + 2NaOH
2NaAlO 2 + 4H2O
La bauxita triturada se disuelve bajo presión y se calienta en digestores Bayer con una solución de sosa cáustica concentrada gastada, proveniente de un ciclo previo, y con suficiente cal y carbonato de sodio. Se forma aluminato de sodio, y la sílice disuelta se precipita como silicato de sodio y aluminio. El sólido sin disolver (lodo rojo) se separa de la solución de alúmina por filtración y lavado, y es enviada a la recuperación. Se emplean espesores y filtros Kelly o de tambor. La solución de aluminato de sodio filtrada se hidroliza hasta obtener hidróxido de aluminato por enfriamiento. El hidróxido de aluminio se calcina por calentamiento a 980 oC en un horno rotatorio. La alúmina se enfría y se manda a la planta de reducción. La sosa cáustica diluida y filtrada del hidróxido de aluminio se concentra para volverla a utiliza. El lodo rojo puede volver a emplearse para la recuperación de cantidades adicionales de alúmina. Para incrementar la producción de aluminio se necesita una bauxita con la más baja cantidad de sílice posible, debido a que esta reacciona produciendo alumino silicato de sodio, el cual es insoluble y produce una perdida de alúmina, por lo tanto, de aluminio metálico, a pesar de que se puede recuperar del lodo rojo, la cantidad de alúmina que sé extraída del es pequeña.
DESARROLLO Proceso para Obtener Alúmina Para convertir bauxita en aluminio, se muele el mineral y se mezcla con cal viva y sosa cáustica; se bombea esta mezcla en recipientes a alta presión y se calienta. El óxido de aluminio que buscado se disuelve por efecto de la sosa cáustica y después se precipita a partir de esta solución; se lava y se calienta para quitar el agua. Lo que queda es el polvo blanco parecido al azúcar, denominado alúmina u oxido de aluminio (AI203). Con cuatro toneladas de bauxita, es posible refinar aproximadamente dos toneladas de alúmina – un polvo blanco de óxido de aluminio. La tecnología es compleja y el equipo es masivo. A partir de esas dos toneladas de alúmina se puede fundir una tonelada de aluminio. La fundición del aluminio fue inventada en 1888. Sus aplicaciones industriales son relativamente recientes, produciéndose a escala industrial desde finales del siglo XIX.
La alúmina se convierte en aluminio en un proceso de reducción electrolítica conocido como fundición. Se disuelve la alúmina en un baño de criolita dentro de grandes células revestidas de carbono, conocidas como cubas electrolíticas. Cuando pasa una fuerte corriente eléctrica por el baño, el metal aluminio se separa de la solución química y se extrae mediante sifón.
Proceso de obtención de cuatro toneladas de Alúmina
Bauxita para 4 toneladas 3.1ton – 98.35% Cal kg
82
- 0.60%
Sosa Kg
63
- 0.02%
Agua
140.76
- 1.03%
En el siguiente diagrama podemos observar el proceso de obtención de alúmina, la unidad de control es el triturado donde se debe de tener todos los elementos mezclados y listos para la siguiente fase si la mezcla de alúmina es demasiado espesa no pasa por el proceso de triturado y al pasar por las demás etapas del proceso ocasiona falla en los ductos y satura el área de filtrado. El producto final debe tener un diámetro de 0.5 cm para un optimo funcionamiento el ciclo de la obtención de Alúmina es de 10 Hrs. La temperatura se desprecia en este sistema. Las mediciones son cada 20s los registros reales de los medidores de control son: 1cm, 1.5cm, 0.45 cm, 0.80cm, 0.45 cm, 0.5 cm, 0.51cm. y la medición obtenida del instrumento es 0.9 cm, 0.83 cm, 0.97 cm, 0.90 cm, 0.43 cm, 0.5 cm 0.5 cm El rango del instrumento de medición se obtiene por una rejilla lo máximo de la rejilla es de -1 cm a 5 cm Temperatura = se desprecia Rango del instrumento: Error Estático = 0.06%
1 5 6
e(t) 1 1.5 0.45 0.80 0.45 0.5 0.51 m(t) 1.3 0.83 0.97 0.90 0.43 0.5 0.5 e(t)= 1.5 m(t)= 0.97
k
mt et
0.97 1.5
0.64 64 .6%
Error Dinámico= 0.64 Retraso = 0.5s
Filtrado de rocas 2 1.5 1
e(t) m(t)
0.5 0 1
2
3
4
5
6
7
El siguiente sistema es un control proporcional de 2 posiciones, abre y cierra los trituradores para obtener rocas más pequeñas o viceversa.
Proceso para obtener Aluminio La electrólisis es un proceso electroquímico en el que se utiliza el paso de la corriente eléctrica a través de una solución que contiene compuestos disociados en iones para provocar una serie de transformaciones químicas. La corriente eléctrica se proporciona a la solución sumergiendo en ella dos electrodos, uno llamado cátodo y otro llamado ánodo, conectados respectivamente al polo negativo y al polo positivo de una fuente de corriente continua. Para la producción electrolítica del aluminio se opera sobre una solución particular, obtenida disolviendo alúmina en un compuesto llamado criolita (fluoruro doble de aluminio y sodio) fundida para lo que son necesarias temperaturas del orden de 1000ºC. Por esta razón el consumo energético que se utiliza para obtener aluminio es muy elevado y lo convierte en uno de los metales más caros de obtener, ya que es necesario gastar de 17 a 20 kWh para obtener un kilo de metal de aluminio.
El proceso para obtener el aluminio es demasiado controlado al obtener la mezcla de alúmina la temperatura debe estar a 950°C Control de temperatura Valor Fijo = 950°C Rango del Instrumento = -10 a 1500°C
Tem °C 26 t(seg) 28
100 300 600 850 95 310 680 900
920 950 940 953
1000 1020
Error Estático = 10 1500 1510 Error Dinámico = 80°C – se obtiene de la diferencia mas alta de las graficas Retraso = 30s k = e = 23°C
Temperatura Real de Control 1200 1000 800 600 Tem °C 400 200 0 1
2
3
4
5
6
7
8
Medición del Instrumento 1200 1000 800 600 t(seg) 400 200 0 1
2
3
4
5
6
7
8
El sistema mostrado es un controlador integral es capaz de controlar la entrada de calor o de corriente si ese fuera el caso para calentar o enfriar el proceso de obtención de aluminio, de este punto depende el grosor de la lamina para poder realizar los envases que vamos a utilizar en el llenado de los productos gaseosos.
Envases de Aluminio Elaborados a partir de una gran diversidad de aleaciones de aluminio. Pueden utilizarse en la elaboración de envases de varios tipos para alimentos: rígidos, semirrígidos y flexibles. Pueden usarse como componentes herméticos en materiales compuestos laminados.
Usos. Usos alternativos en productos alimenticios como:
Cervezas Refrescos gaseosos Patés Alimentos cárnicos
Elaboración de los envases de aluminio.
ALEACIONES DE:
Manganeso Fierro Cobre Cromo Zinc
Se fabrican de 2 piezas:
Cuerpo con fondo Tapa
Sistema de fabricación de aluminio
Sistema de doble estirado (DRD = Draw and Redraw). Sistema de estirado y prensado (DWI = Draw and Wall Iron).
Fabricación de los envases DWI
Permite obtener envases de menor grosor. Utilizados para envasar bebidas carbonatadas contribuye a la consistencia del envase.
ya que su presión interna
ENVASES DOS PIEZAS DWI
Desarrollados en el último tercio del siglo XX, los envases de dos piezas de este tipo constituyen, sin duda, el mayor avance en la tecnología del envase metálico, desde su introducción como recipiente para el envasado de alimentos. Dos técnicas se han desarrollado para la fabricación de estos envases: El “embutido-estiradoplanchado" (DWI: Drawn & wall-ironed), y el "embutido-reembutido" (DRR: Drawn & Redrawn). Básicamente en ambos procesos se parte de un disco de metal, a partir del cual se logra, por embutición, una forma cilíndrica y, en una secuencia de operaciones, se aumenta el grado de embutición hasta conseguir el formato deseado. En este trabajo solo nos centraremos en el primer tipo que ha conseguido ser el envase “rey” del momento actual al ser empleado de manera generalizada para contener bebidas carbonatadas y cervezas. El proceso de fabricación del envase “embutido, estirado y planchado” (DWI) está ya en la actualidad, muy generalizado e incorporado a los usos industriales, pudiéndose aplicar para envases tanto de hojalata como de aluminio. En este caso las fases del proceso son las siguientes: 1º.- La primera operación es la embutición simple de una “copa” – siempre partiendo de un material en bobina- que presenta un diámetro superior al del envase final y una altura bastante baja. Se realiza en una prensa vertical multipunzón de elevado tonelaje. 2º.- En la siguiente se somete la copa a una serie de estirados y planchados, hasta conseguir el diámetro final. Para ello se hace pasar la misma a través de una serie de anillos empujada por un mandril interior Con ello se consigue una pared muy delgada con un aprovechamiento óptimo del material, ya que el espesor en dicha pared se reduce a un tercio del de partida. Por ejemplo si el de la bobina es de 0,27 mm puede llegar a 0,08 mm. En la zona media de la pared una vez terminado el estiramiento.
Para que el estiramiento pueda realizarse sin rotura del material es necesario llevar a cabo el mismo en un baño de lubricante Al final del recorrido de esta fase del proceso se configura el fondo – denominado domo - que por el contrario prácticamente mantiene el grosor inicial del material. Toda esta secuencia se realiza en un equipo que se asemeja a una prensa horizontal en baño de aceite y que recibe el nombre de “formadora”. 3º.- Este gran estiramiento genera un borde del envase muy irregular, siendo necesaria una posterior operación de recortado para igualar el mismo y eliminar el material sobrante. 4º.- La presencia de lubricante residual en las latas procedente de las anteriores operaciones obliga a un lavado con detergente, aclarado y secado posterior en horno. 5º.- En el caso de envases DWI una vez formados, recortados, lavados y horneados se aplica un barniz exterior blanco por medio de rodillo barnizador convencional – también se puede aplicar una tinta blanca por offset -. Los cuerpos de los envases giran sobre su mismo eje unas 2,6 vueltas a velocidades superiores a los 1500 envases por minuto. El peso de película seca para una típica imprimación blanca es de aproximadamente 10 grs/m2 dependiendo del tipo de decoración posterior. Se procede a continuación al secado del barniz en horno durante un tiempo no superior a 60 segundos y a una temperatura próxima a los 200º C. 6º.- Después de salir del horno, los envases son transportados hacia la estación de decoración, donde se aplican los diferentes colores por offset seco pasando de nuevo por un horno de secado de tintas. 7º.- El desplazamiento de los envases a grandes velocidades por los sistemas de transporte generaría abrasiones en su base – sobre la que se apoya en estos recorridos- que con el tiempo se transformarían en oxidaciones del metal. Por eso hay que proteger el fondo de los mismos con un producto adecuado. 8º.- Después de estas operaciones y antes del barnizado interior se procede a reducir el cuello del envase y a conformar su pestaña para el fututo cierre. Este reducido permite emplear una tapa de bastante menor diámetro que el de la lata con el consiguiente ahorro que ello supone, teniendo en cuanta los enormes volúmenes de fabricación que se mueven en este mercado. 9º.- Es preciso verificar la estanqueidad de las latas para prevenir fugas. Para ello se hacen pasar a través de un equipo que por luz detecta estos posibles salideros, rechazando automáticamente los botes defectuosos.
10º.-Los envases DWI requieren una protección interna para eliminar la exposición de metal recubriéndolos con dos ó más capas de barniz sanitario de compleja aplicación. Dado el severo proceso de formación de los mismos solo es posible la operación de barnizado - y el anterior decorado- después del estiramiento de la pared y su recortado posterior del material sobrante. El requerimiento de calidad de las multinacionales de bebidas y la necesidad de soportar una reducción de diámetro en su cuello después de decorado el envase, ha transformado estas
operaciones en un campo altamente especializado La aplicación de un recubrimiento interior se realiza por atomización del barniz -por spray - normalmente en dos pases. En Europa los sistemas base disolvente basados en resina de poliéster, con excelente dureza, todavía parecen ser buenas soluciones para ser empleadas en los recubrimientos de envases DWI. Los sistemas formulados con resinas acrílicas también son a veces usados. Sin embargo lo sistemas al agua basados en acrílicas están teniendo un uso cada vez mas extendido. La razón principal es esencialmente observar el cumplimiento de la legislación medioambiental vigente, tanto en lo que se refiere a las condiciones industriales de trabajo, como al control de emisiones. 11º.- Cada capa o pase de barniz interior ha de ser curado en horno (IBO) a una temperatura de unos 210º C siendo decisivo el mismo para asegurar una buena calidad tanto del acabado interior como del exterior. 12º.- Finalmente las latas pasan a un paletizador automático donde son embaladas. Dada la elevado coste de las líneas de DWI, para conseguir una rentabilidad adecuada debe trabajarse con tipos de envases y formatos de gran consumo. En este sentido estos envases encuentran su mayor aplicación para el enlatado de cervezas y bebidas carbonatadas. Para estos productos el envase de dos piezas presenta las mejores condiciones, ya que: - La relación diámetro/altura de 1:2 permite un ahorro óptimo de material. - La presión interior de los productos carbonatados permite trabajar con paredes muy finas (0,10 mm y menores) sin problemas mecánicos, ya que la presión confiere estabilidad al envase. Precisamente la delgadez de las paredes del cuerpo impide, por el contrario, su utilización para el envasado de productos que requieren vacío y/o tratamientos de esterilización (conservas, en general), ya que las paredes se deforman por la acción del vacío en la mayor parte de los casos. El problema podría obviarse procediendo al acordonado (o acanalado) de la pared del envase o bien modificando la tecnología de envasado con inyección de gas inerte en el llenado y cierre del mismo. Esta tecnología no ha llegado a desarrollarse porque aun así tendría graves limitaciones, tanto de flexibilidad de la instalación como en prestaciones del bote resultante. Sin duda, mejor alternativa sería la utilización de latas obtenidas por embutición profunda. Como materia prima se usa tanto la hojalata como el aluminio en función de los precios de los mismos y de los hábitos de consumo en el mercado, resultando difícil transformar una línea que haya sido diseñada para trabajar con hojalata a usar aluminio y también su inversa, principalmente por los sistemas de transporte que son específicos para cada tipo de material. En general en Norte América prima el aluminio y en Europa el consumo esta repartido. La tecnología en ambos casos se originó en Norte América aunque pronto se difundió por todo el mundo. Como ya hemos dicho, al ser las inversiones a realizar son muy elevadas, su puesta en marcha queda limitada a las grandes empresas multinacionales.
Control por etapas Armadores de estructuras Sistemas de control de segundo orden. El calculo siguiente se debe calcular la perdida y el ajuste del instrumento para estirar las estructuras de los envases hasta su posición final Variable fija: 0.27mm Ajuste del instrumento: 2.3% Ganancia del instrumento: 1% Cantidad de señal de retraso: 0.08 Tiempo 30 seg. yt
ys
s s z s p
1
s t s
3
0.27 0.27 0.023
0.27 0.08
1 0.2730 3
0.22
0.11
y t 22% perdida por cada medición
ys 11% señal de ajuste
Cortadores de estructura. Sistema de Primer Orden Obtener el numero de iteraciones para ajustar el valor fijo. Variable inicial: 16cm Variable fija: 12.015cm Variación inicial:2cm t 0
16 2 14
t 1
14 1 13
t 2
13 0.5 12.5
t 3
12.5 0.25 12.25
t 4
12.25 0.125 12.125
t 5
12.125 0.06 12.06
t 6
12.06 0.03 12.03
t 7
12.03 0.015 12.015
Control de Barnizado Control Proporcional Para barnizar el interior como el exterior de las latas se sumerge en una solución por 10s el registro real 5°, 8°, 12°, 12°, 13°, 14° y el registro del instrumento es 4°, 6°, 11°, 13°, 13°, 15° Valor del instrumento es 0° a 20° Valor = 10°C Rango = 0 -20 = 0.2°C et 5,8,12,12,13,14 14
mt 4,6,11,13,13,13 13
k
mt
13
0.9 90 % cantidad de ajuste
et 14 E. dinamico = 0.9% Retraso = 50s
Nota: el sistema no es funcional hay que ajustar el proceso de barnizado cada minuto por lo tanto es conveniente un sistema de primer orden.
Control de pintado Proceso de primer orden Determinar la altura del rodillo para el proceso de pintado de latas Medición inicial: 12cm Variable fija: 10.03cm Variación inicial: 1cm Determinar el numero de iteraciones para estabilizar un sistema de pintado xo 1mm
t 0
t 1
12 1 11
t 2
11
t 3
10.5
t 4
10.25
t 5
10.125
t 6
10.06
0.5
10.5
0.25
10.25
0.125 0.06
0.03
10.125 10.06
10.03
Control de horno Control Integral Enfriamiento de latas después de pintado Rango del instrumento: -5 a 27°C Real t°C 27 T(s) 1
25 2
24 3
22 4
21 5
20 6
18 7
16 8
16 9
25 2
24 3
22 4
21 5
20 6
18 7
16 8
14 9
Medida t°C t(s)
30 1
E. estático = ±0.32°C E. dinámico = 2°C Retraso = 10s k = e = 3°C
Control de temperatura del horno Proceso de primer orden Medición inicial: 32°C Variable fija: 27°C Variable inicial: 2°C x1
a
Xn
a 2
Xn
Xn 1
x0
31 2 29
x1
29 1 28
x2
28 0.5 27.5
x3
27.5 0.25 27.25
x4
27.25 0.125 27.125
x5
27.125 0.06 27.06
x6
27.06 0.03 27.03
x7
27.03 0.0015 27.0015
Nota: el siguiente valor queda en 27.0015 por lo tanto si baja de 27°C marcaran los sensores errores por el total de temperatura.
Conclusión
En conclusión el sistema mostrado anteriormente es estable en su totalidad solo requiere de ajustes mínimos, sin embargo se tiene un problema en el control de barnizado el ajuste requerido es muy alto, por ello no es eficiente el sistema. La solución del problema es cambiar el sistema de control proporcional por uno de primer orden el cual se ajusta mediante la medición inicial y la medición final sin tener que estar ajustando continuamente, así el proceso de control es mas eficiente que estarlo parando para realizar las mediciones correspondientes.
Las demás estaciones no cuentan con ningún problema el ajuste es realizado por primer orden, integral, proporcional o derivativo. En mi opinión el único foco que hay que prestar atención es el de barnizado corrigiendo esta estación obtendremos mas rapidez en los procesos así obteniendo mas producción.
ANEXOS
Plano planta Procesos de producción
Envase de aluminio
Obras consultadas Libros: Teresa Sánchez, María “Procesos de elaboración de alimentos y bebidas” Editorial: AMV Ediciones, Primera Edición. Coreaga, Juan Antonio “Manejo y reciclaje de los residuos de envases y embalajes”, Editorial: SEDESOL, Cuarta Edición. Mantell, C. L. “Ingeniería electroquímica”, Editorial: Reverté. S.A. Cuarta Edicion
Paginas de Internet http://www.aluminio.org/files/ciclo_vida_aluminio.pdf http://www.textoscientificos.com/quimica/aluminio http://quimica.laguia2000.com/quimica-inorganica/obtencion-del-aluminio http://www.mundolatas.com/Informacion%20tecnica/Envases%20dos%20piezas%20DWI. htm http://www.youtube.com/watch?v=tr97NoBNz8U&feature=fvwrel http://www.youtube.com/watch?v=EzLhSzMCGDI
