2. ¿Qué son los composites y qué aplicación tienen actualmente?

Los composites, objeto de desarrollo en el presente proyecto, son materiales reforzados con partículas. En el caso de los composites de matriz metálica de aluminio, se suelen emplear como refuerzos carburo de silicio o alúmina, entre otros. El empleo de estos refuerzos da lugar a materiales con elevadas propiedades mecánicas o de resistencia al desgaste.

Actualmente, los composites tienen aplicaciones principalmente en la industria aeroespacial y en el sector automovilístico. Un ejemplo de posible aplicación serían los discos de freno de los automóviles.

La incorporación de las cenizas volantes a la fabricación de los composites supondría una nueva posibilidad de aplicación de alto valor añadido para este subproducto procedente de las centrales térmicas de carbón.

Figura 3. Cenizas volantes en matriz de aluminio

3. ¿Cómo se generan las cenizas volantes en las centrales térmicas de carbón y por qué es interesante buscar nuevas aplicaciones?

Las cenizas son un residuo no peligroso que se genera en todas las centrales térmicas de carbón, entre ellas las del grupo EDP. La cantidad de ceniza producida y la composición es variable dependiendo del origen del carbón consumido: de manera general podemos decir que tienen un 60% de óxido de sílice, un 20% de óxido de aluminio, un 9% de óxido de hierro y el resto son óxidos de titanio, calcio, magnesio... en porcentajes menores.

Figura 4. Central térmica de Aboño

En las centrales térmicas de Aboño y Soto de Ribera se han generado aproximadamente unas 230.000 toneladas de ceniza en el año 2013. De esta cantidad se vendieron 155.000 toneladas para la fabricación de cemento. El resto se llevaron a vertedero. Destinar parte de estas últimas a la fabricación de composites permitiría reducir la cantidad de cenizas que es preciso desechar en vertederos.

Figura 5. Vertedero de cenizas

4. ¿Qué ventajas presentan las cenizas volantes frente a los refuerzos cerámicos empleados actualmente?

Uno de los principales inconvenientes de los composites metálicos es el coste de los refuerzos cerámicos. Las cenizas volantes generadas en las centrales térmicas de carbón, debido a su naturaleza cerámica y a su granulometría resultan, a priori, un candidato idóneo para incorporar como refuerzo en los composites, y muestran un coste muy inferior y una disponibilidad notablemente superior al de los refuerzos empleados actualmente.

Figura 6. Coste del Aluminio y de diferentes componentes cerámicos, entre ellos, las cenizas volantes

5. ¿Qué tecnologías de fabricación se están estudiando y qué dificultades se presentan?

Durante el presente proyecto se están desarrollando las marchas metalúrgicas necesarias para fabricar composites mediante dos tecnologías de fabricación: la fundición o ruta del fundido y la pulvimetalurgia o metalurgia de polvos en estado sólido.

La fundición resulta una tecnología económica que permite fabricar composites a gran escala, siendo extrapolables los resultados de las coladas de 50 kg elaboradas en el proyecto a coladas industriales de varias toneladas.

La pulvimetalurgia o metalurgia de polvos está orientada a la fabricación de pequeños componentes, en el entorno de pocos kilogramos, de alta calidad, pero con un coste de elaboración destacable.

Adicionalmente, se están realizando varias pruebas preliminares para determinar la posibilidad de emplear las cenizas como refuerzo de las aleaciones de aluminio mediante la fabricación aditiva o láser melting, uno de los procedimientos metalúrgicos más novedosos, conocido comúnmente como impresión 3D.

Figura 7. Fundición de aluminio con cenizas

La principal dificultad reside en la complejidad de incorporar los refuerzos a las aleaciones metálicas y lograr una dispersión homogénea de los mismos. Es común a las tres tecnologías de fabricación, si bien resulta más sencilla de solucionar en la pulvimetalurgia y en la fabricación aditiva, debido a que puede mezclarse previamente la aleación metálica y las cenizas volantes en estado sólido, mientras que en la fundición las cenizas volantes se añaden al aluminio en estado líquido, siendo la segregación y formación de agrupaciones de partículas los principales desafíos a los que hay que hacer frente.

6. ¿Deben cumplir algún requisito las cenizas? ¿Valdrían todas las cenizas que se generan en centrales de EDP?

La bibliografía existente identifica varios requisitos en lo que respecta a las características de las cenizas volantes, como por ejemplo un determinado intervalo granulométrico, una baja presencia de cenosferas (partículas huecas) e inquemados y un mínimo contenido en óxido de calcio.

Inicialmente, se han preseleccionado y caracterizado cenizas volantes procedentes de varios carbones quemados en las centrales térmicas de Soto de Ribera y de Aboño, con el objetivo de evaluar su validez como refuerzos en la elaboración de los composites.

A priori, las cenizas procedentes de la central térmica de Aboño satisfacen mejor los requisitos indicados en la bibliografía. Se ha realizado alguna prueba preliminar, añadiendo dichas partículas sin preselección granulométrica previa, aprovechando todo el material, y se ha podido constatar que mejoran algunas de las propiedades del material.

Sin embargo, es necesario esperar a la conclusión de la caracterización de los composites experimentales elaborados para verificar la influencia de una posible preselección granulométrica previa, establecer si merece la pena descartar parte de las cenizas con el objetivo de mejorar las propiedades de los materiales experimentales elaborados.

Figura 8. Cenizas volantes y cenosferas (partículas huecas)

7. ¿Cuál es el estado actual de la investigación? ¿Se están cumpliendo las expectativas iniciales del proyecto?

Una vez elaborados y caracterizados varios composites experimentales iniciales, se han optimizando los procedimientos metalúrgicos de fabricación, elaborando nuevos composites experimentales que están siendo caracterizados actualmente.

El objetivo inicial era estudiar la posibilidad de emplear las cenizas volantes como refuerzos en la fabricación de composites metálicos, lo cual se ha verificado.

Adicionalmente, se quiere avanzar en la optimización de los procesos de elaboración, en la relación entre las características de las cenizas y los composites elaborados, el rendimiento de los procesos, etc. Por ejemplo, en la vía del fundido no todas las cenizas volantes adicionadas se incorporan al caldo metálico, y es necesario calcular los rendimientos. Asimismo, es preciso determinar las posibles diferencias en la calidad de los composites en función del método de fabricación empleado.

8. Entre las nuevas aplicaciones se encuentra el proyecto Ashfoam2015. ¿En qué consiste?

El proyecto Ashfoam2015 surge como una continuación del proyecto de los composites, en el cual se plantea la posibilidad de emplear las cenizas volantes como agentes estabilizadores imprescindibles en la elaboración de las espumas metálicas.

Se trata de materiales porosos con excelentes propiedades mecánicas específicas, las cuales están relacionadas directamente con su baja densidad, función de la densidad de poros.

La metodología de trabajo y las tecnologías de fabricación son las mismas que las empleadas en el proyecto de los composites, y el objetivo es evaluar la posibilidad de emplear las cenizas volantes en la fabricación de otro material de alto valor añadido, incrementando sus posibilidades de aplicación en sectores no convencionales como el de la construcción.

El proyecto ha comenzado recientemente y actualmente se están comenzando a realizar las pruebas iniciales, orientadas a la fabricación de las primeras espumas metálicas experimentales en base de aluminio.

Figura 9. Espuma de aluminio

9. ¿Cuáles son los retos de cara a la implantación industrial de estas tecnologías?

A pesar de que las tecnologías de fabricación analizadas difieren notablemente, los principales retos son comunes a todas ellas: la obtención de una distribución homogénea de las partículas, íntimamente relacionado con la homogeneidad de las propiedades mecánicas de los materiales elaborados, y la reproducibilidad de los procesos metalúrgicos: poder elaborar los materiales asegurando siempre las especificaciones requeridas para sus propiedades mecánicas.

Estos retos son más sencillos de alcanzar en la ruta pulvimetalúrgica o en la fabricación aditiva que en la fundición, la cual no obstante es menos costosa y permite alcanzar producciones mayores.