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Metalurgía extractiva del aluminio

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by

Francisco Castillo

on 26 March 2014

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Transcript of Metalurgía extractiva del aluminio

Aluminio
El aluminio es un elemento químico, de símbolo Al y número atómico 13. Se trata de un metal no ferromagnético. Es el tercer elemento más común encontrado en la corteza terrestre. Los compuestos de aluminio forman el 8% de la corteza de la tierra y se encuentran presentes en la mayoría de las rocas, de la vegetación y de los animales.
Metalurgía extractiva del aluminio
Algunos atributos del aluminio
Alta resistencia a la corrosión
Se mecaniza con facilidad y es muy barato
Es el metal que más se utiliza después del acero

Características Físicas
El aluminio es un elemento muy abundante en la naturaleza, sólo aventajado por el oxígeno.
Se trata de un metal ligero, con una densidad de 2700 kg/m3,
Bajo punto de fusión (660 °C).
Color blanco y refleja bien la radiación electromagnética del espectro visible y el térmico.
Es buen conductor eléctrico y térmico

Características mecánicas
Es un material blando (Escala de Mohs: 2-3-4) y maleable.
En estado puro tiene un límite de resistencia en tracción de 160-200 N/mm2 (160-200 MPa).
Adecuado para la fabricación de cables eléctricos y láminas delgadas, pero no como elemento estructural.
Para mejorar estas propiedades se alea con otros metales.
También de esta forma se utiliza como soldadura.

Aplicaciones y usos
La utilización industrial del aluminio ha hecho de este metal uno de los más importantes, tanto en cantidad como en variedad de usos. El aluminio se usa en forma pura, aleado con otros metales o en compuestos no metálicos.
Componente útil para utilidades donde el exceso de peso es importante.
Además de eso, aleado con otros metales, se utiliza para la creación de estructuras de ingeniería
Se utiliza asimismo en la soldadura aluminotermia.
También en procesos industriales tales como
Mordientes, Catálisis, depuración de aguas, producción de papel o curtido de cueros.
En estado natural:
Silicatos (feldespatos, plagioclasas y micas)

Como metal:
Se extrae del mineral conocido con el nombre de bauxita, por transformación primero en alúmina mediante el proceso Bayer y a continuación en aluminio metálico mediante electrólisis.
Se extrae:
Proceso de Extracción (Metalurgia Extractiva)
El aluminio es uno de los elementos más abundantes de la corteza terrestre (8%) y uno de los metales más caros en obtener. La producción anual se cifra en unos 33,1 millones de toneladas. China y Rusia los productores. Una parte muy importante de la producción mundial es producto del reciclaje.
Diagrama del proceso
A Continuación se describe el proceso de obtención del aluminio a través de un diagrama de proceso
Minerales de aluminio
Proceso de obtención
La obtención del aluminio se realiza en dos fases: la extracción de la alúmina a partir de la bauxita (proceso Bayer) y la extracción del aluminio a partir de esta última mediante electrolisis. Cuatro toneladas de bauxita producen dos toneladas de alúmina y, finalmente, una de aluminio.

Relación de producción
Bauxita: Alúmina: Aluminio
4:2:1

Proceso Bayer de producción de alúmina
El proceso Bayer utiliza como materia prima bauxita (Al2O3•nH2O) y consiste en la lixiviación (digestión) de la bauxita en una solución acuosa de hidróxido de sodio a alta temperatura y alta presión. Las distintas etapas del proceso Bayer son:
Proceso Bayern de Producción de alúmina
Las distintas etapas del proceso Bayer son:
Digestión (lixiviación) alcalina
Cristalización (precipitación) de la alúmina hidratada.
Calcinación de la alúmina hidratada.
Detalle superficial (55×37 mm) de una barra de aluminio (pureza ≥ 99,9998%)
Productores de Alminio

Diagrama del Proceso
Alterados
Magmáticos
Metamórficos
Dedríticos

Alterados:
Este tipo lo constituyen principalmente las bauxitas de fórmula general Al2O3•nH2O

gibbsita, boehmita y diásporo.

% de aluminio en bauxitas
Fundamentalmente lo representan las alunitas (hasta un 37%)
Hidrotermales
Lo constituyen las rocas aluminosas como las sienitas, nefelinas y anortositas, que contienen más de 20% de Al2O3.
Magmáticos:
Metamórficos
Son los silicatos de aluminio, como la andalucita, sillimanita y cianita, con contenidos variables de aluminio.
Dedríticos
Son depósitos de caolín y diversas arcillas. Pueden llegar a tener leyes de hasta 32% de Al2O3.
En la imagen. Bauxit (Herault)
Esquemático de la producción de alúmina a partir de bauxita
Digestión (lixiviación) alcalina
La bauxita se lixivia (disuelve) en autoclaves continuas agitadas en una solución fuertemente alcalina de hidróxido de sodio (soda) durante un tiempo de reacción de 25 a 30 minutos donde se produce la disolución de la bauxita según la reacción general:

Al2O3•nH2O(s) + 2NaOH(aq) = 2NaAlO2(ag) + (n+1)H2O (1)
El hidróxido de aluminio se hidroliza cristalizándolo como óxido hidratado desde la solución concentrada conteniendo el aluminato de sodio de acuerdo a la reacción de hidrólisis siguiente:

2NaAlO2(aq) + 4H2O = Al2O3•3H2O(s) + 2NaOH(aq) (3)


Esto se realiza agregando agua a la solución saturada y enfriando la solución a 60-
70°C y agregando agua y cristales semilla que sirven de gérmenes iniciales de crecimiento de cristales de mayor tamaño.


Cristalización (precipitación) de la alúmina hidratada
Calcinación de la alúmina hidratada
Los cristales precipitados de Al2O3 . 3HO2 llamados también hidrargirita, bayerita o gibbsita, se secan a 120-130°C y luego se calcinan a 1000-1200°C para tener así finalmente alúmina pura anhidra según la reacción:

Al2O2•3H2O(s) calor = Al2O3(s) + 3H2O(g) (4)

Nota:
La forma en que cristaliza la alúmina durante la etapa de calcinación depende de la temperatura. A alta temperatura (1200°C) cristaliza la alúmina ALFA α, en tanto que si la temperatura es más baja (1000°C) se obtiene alúmina GAMMA. Generalmente se prefiere la alúmina GAMMA.
¿Qué sigue?
El óxido de aluminio así obtenido tiene un punto de fusión muy alto (2000 °C) que hace imposible someterlo a un proceso de electrolisis. Para resolver este problema se disuelve en un baño de criolita, obteniendo una mezcla eutéctica con un punto de fusión de 900 °C.
A continuación se procede a la electrólisis, que se realiza sumergiendo en la cuba unos electrodos de carbono (tanto el ánodo como el cátodo), dispuestos en horizontal. Cada tonelada de aluminio requiere entre 17 y 20 MWh de energía para su obtención, y consume en el proceso 460 kg de carbono, lo que supone entre un 25% y un 30% del precio final del producto, convirtiendo al aluminio en uno de los metales más caros de obtener.

Electrolisis del aluminio
Se emplea la electrólisis de sales fundidas

La sal que constituye la mayor parte del electrolito en el proceso H-H es la criolita

También se agregan otros componentes como fluoruro de aluminio, fluoruro de calcio y carbonato de litio o fluoruro para bajar el punto de fusión de la criolita.
El contenido normal de AI2O3 en la criolita varía entre 2 a 6% a 1000°C
La criolita es un mineral natural de aluminio sin embargo, la criolita también puede sintetizarse, con la ventaja de tener así un compuesto puro, a diferencia del natural que contiene distintas impurezas.


Electrolisis del aluminio
En la electrolisis se tiene varias etapas:

Sistema Na3AlF6-Al2O3
Tipos de celdas de electrólisis
Reacciones eléctroquimicas en celdas de eléctrolisis
En este espacio se puntualizan conceptos claves:
Reciclaje: Aluminio Secundario
Razones por las cuales reciclar


Reciclaje del Alumino
Resumen del proceso Bayern
La soda disuelve los compuestos del aluminio, que al encontrarse en un medio fuertemente básico, se hidratan:
Al (OH)3 + OH- + Na* -> → Al (OH)4- + Na*
AlO(OH)2 + OH- + H2O + Na* ->→ Al(OH)4- + Na*
Los materiales no alumínicos se separan por decantación. La solución cáustica del aluminio se enfría luego para recristalizar el hidróxido y separarlo de la soda, que se recupera para su ulterior uso. Finalmente, se calcina el hidróxido de aluminio a temperaturas cercanas a 1000 °C, para formar la alúmina.
2 Al (OH)3 → Al2O3 + 3 H2O

El producto final del proceso Bayer es alúmina (Al2O3) Óxido de Aluminio

Resumen del proceso Bayern
El sistema Na3AlF6-Al2O3
La cualidad más importante de la criolita es que posee conductividad iónica y disuelve la alúmina
La criolita pura funde a 1009°C constituyendo con la alúmina un eutéctico con temperatura de primera cristalización entre 960 y 963°C, para una concentración de alúmina de 10 a 11.5% como se observa en la Figura.

Tipos de celdas de electrólisis
De acuerdo al tipo de ánodo empleado existen dos tipos de celdas de electrólisis de aluminio: a) precocidas y b) Söderberg.

De estos dos tipos de celda, el sistema de ánodo precocidos ha superado casi completamente al diseño Söderberg.

Todas las celdas tienen un cátodo de carbón (grafito) horizontal, constituido por bloques preformados unidos entre sí y un revestimiento lateral también de grafito. En su parte inferior los bloques de grafito llevan encastradas barras de acero colectoras de corriente. Sobre los bloques está el baño de aluminio líquido polarizado negativamente y cuya superficie constituye la denominada superficie catódica efectiva.

El ánodo, se encuentra sumergido en el electrolito de criolita Al2O3 a muy poca distancia de la superficie del aluminio líquido. Entre ambos electrodos existe un espacio de 4-5 cm (distancia interpolar). La continuidad eléctrica del circuito se efectúa a través del electrolito de sales fundidas y el efecto Joule mantiene el sistema fundido a la temperatura requerida.
Reacciones eléctroquimicas en celdas de eléctrolisis
1. Reacción catódica

2. Reacción anódica

La reacción completa-anodica catódica queda de la siguiente forma:

2AI2O3 + 3C(s) = 4AI(l) + 3CO2(g)

Diagrama binario Criolita-Alumina
La reacción principal de disolución de alúmina en criolita ionizada
se puede expresar por la reacción:
Celda de anodos precocidos
Celda Soderberg de agujas verticales
Corte esquemático por una celda de electrólisis de aluminio
Esquema del Proceso Hall (electrólisis)
Más razones por las cuales reciclar
Reciclaje: Alumnio Secundario
El aluminio es 100% reciclable sin merma de sus cualidades físicas, y su recuperación por medio del reciclaje se ha convertido en una faceta importante de la industria del aluminio. El proceso de reciclaje del aluminio necesita poca energía. El proceso de refundido requiere sólo un 5% de la energía necesaria para producir el metal primario inicial.

Al aluminio reciclado se le conoce como aluminio secundario, pero mantiene las mismas propiedades que el aluminio primario.

La fundición de aluminio secundario implica su producción a partir de productos usados de dicho metal, los que son procesados para recuperar metales por pretratamiento, fundición y refinado.

Reciclaje: Alumnio Secundario
La chatarra preferiblemente se compactará, generalmente en cubos o briquetas o se fragmentará, lo cual facilita su almacenamiento y transporte. La preparación de la chatarra descartando los elementos metálicos no deseados o los inertes, llevarán a que se consiga la aleación en el horno de manera más rápida y económica.
El aluminio reciclado es un material cotizado y rentable. El reciclaje de aluminio produce beneficios ya que proporciona ocupación y una fuente de ingresos para mano de obra no cualificada.

Más razones para reciclar
Esquema de una planta de producción de aluminio
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