Notas de química

¿Como se produce el aluminio?

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A pesar de que el aluminio es el metal más común en el planeta, el aluminio puro no se encuentra de forma natural. Los átomos de aluminio se unen fácilmente con otros metales, formando compuestos. Al mismo tiempo, es imposible aislar el aluminio simplemente fundiendo los compuestos en un horno, como ocurre con el hierro, por ejemplo.

El proceso de producción de aluminio es mucho más complejo y requiere enormes cantidades de electricidad. Por esta razón, las fundiciones de aluminio siempre se construyen cerca de fuentes de energía eléctrica, generalmente plantas hidroeléctricas que no contaminan el medio ambiente. Pero empecemos desde el principio.


Portamuestras de aluminio, empleadas para TGA y DSC
Portamuestras de aluminio, empleadas para TGA y DSC

El proceso de producción de aluminio se puede dividir en tres etapas. Primero, se extraen las bauxitas, que contienen aluminio, del suelo. Segundo, las bauxitas se procesan para obtener alúmina u óxido de aluminio. Finalmente, en la tercera etapa, se produce aluminio puro mediante reducción electrolítica, un proceso en el cual el óxido de aluminio se descompone en sus componentes utilizando corriente eléctrica. Aproximadamente 4-5 toneladas de bauxitas se procesan para obtener 2 toneladas de alúmina, a partir de la cual se puede fabricar alrededor de 1 tonelada de aluminio.

Minado de bauxita

Existen varios minerales en el mundo de los cuales se puede obtener aluminio, pero la materia prima más común es la bauxita. La bauxita es un mineral compuesto principalmente de óxido de aluminio mezclado con otros minerales. La bauxita se considera de alta calidad si contiene más del 50% de óxido de aluminio.

Existe mucha variación en las bauxitas. Estructuralmente, pueden ser sólidas y densas o desmenuzables. El color típico es rojo ladrillo, rojo ardiente o marrón debido al óxido de hierro. Si el contenido de hierro es bajo, la bauxita puede ser gris o blanca. Pero también se encuentran bauxitas amarillas, verdes oscuros e incluso multicolores con vetas azules, moradas, rojas y negras.

Muestra de bauxita
Muestra de bauxita

Aproximadamente el 90% de las reservas globales de bauxita se encuentran en áreas tropicales y subtropicales, con un 73% localizado en solo cinco países: Guinea, Brasil, Jamaica, Australia e India. Guinea tiene la mayor reserva de bauxitas, con 5.3 mil millones de toneladas (28.4% del suministro global), y las bauxitas guineanas son de muy alta calidad, con cantidades mínimas de impurezas. También se encuentran muy cerca de la superficie, lo que facilita su extracción.

La forma más común de extraer bauxita es mediante minas a cielo abierto. Se utiliza equipo especializado para cortar capa tras capa de la superficie, y luego la roca se transporta a otro lugar para su posterior procesamiento. Sin embargo, hay lugares donde el mineral de aluminio debe extraerse de las profundidades de la tierra, lo que requiere la construcción de minas subterráneas. Una de las minas más profundas es la mina Cheremkhovskaya-Deep en los Urales de Rusia, cuyos pozos tienen una profundidad de 1550 metros.

Obtención de alúmina

La siguiente etapa en la cadena de producción es el procesamiento de la bauxita para obtener alúmina, o óxido de aluminio (Al2O3), que es un polvo blanco. El proceso más común para obtener alúmina a partir de la bauxita es el proceso Bayer, que fue descubierto hace más de 100 años, pero aún se utiliza ampliamente en la actualidad. Alrededor del 90% de las refinerías de alúmina en el mundo utilizan el proceso Bayer. Es muy eficiente, pero solo se puede utilizar en bauxitas de alta calidad con un contenido bastante bajo de impurezas, especialmente de silicio.

El principio del proceso Bayer es el siguiente: el hidrato de aluminio cristalizado que se encuentra en la bauxita se disuelve fácilmente en sosa cáustica concentrada (NaOH) a altas temperaturas, y cuando la temperatura se reduce y la concentración de la solución aumenta nuevamente, el hidrato de aluminio cristaliza, pero los otros elementos contenidos en la bauxita (llamados lastre) o no se disuelven o cristalizan de nuevo y se depositan en el fondo mucho antes de que el hidrato de aluminio cristalice. Esto significa que después de que el hidrato de aluminio se disuelve en sosa cáustica, el lastre se puede aislar y eliminar fácilmente. Este lastre se conoce como lodo rojo.

Lodo rojo

El lodo rojo es una pasta espesa de color rojo-marrón que contiene silicio, hierro, titanio y otros compuestos. Se elimina en áreas especiales aisladas, llamadas áreas de disposición de lodo. Estas áreas de disposición de lodo están diseñadas para evitar la filtración del álcali contenido en el lodo hacia el agua subterránea. Una vez que un área de disposición de lodo se ha llenado, el territorio se puede recuperar enterrándolo en arena, ceniza o tierra y plantando ciertos tipos de árboles y plantas. Si bien la recuperación completa puede llevar años, al final el territorio volverá a su estado original.

Muchos expertos no consideran el lodo rojo como un desperdicio porque se puede utilizar como materia prima. Por ejemplo, se puede obtener escandio a partir de él y luego utilizarlo en aleaciones de aluminio con escandio. El escandio hace que las aleaciones de aluminio sean extra-resistentes, y dichas aleaciones se pueden utilizar en vehículos motorizados, cohetes, equipos deportivos y en la producción de cables eléctricos.

El lodo rojo también se puede utilizar en la producción de hierro fundido, hormigón y metales de tierras raras.

Las partículas grandes de hidrato de aluminio se pueden filtrar con relativa facilidad de la solución. Luego se lavan con agua, se secan y se calcinan, es decir, se calientan para eliminar el agua. El resultado de este proceso es la alúmina.

Alúmina

La alúmina tiene una vida útil ilimitada, pero debe almacenarse en las condiciones adecuadas, ya que absorberá humedad en la primera oportunidad. Por lo tanto, los productores de alúmina prefieren enviarla a las fundiciones lo antes posible. Primero, la alúmina se apila en montones que pueden pesar hasta 30,000 toneladas. Al final, se construye una especie de pastel en capas de 10-12 metros de altura de esta manera. Luego, el montón se corta y se carga en vagones de ferrocarril, de 60 a 75 toneladas por vagón (dependiendo del tipo de vagón), para su envío a las fundiciones.

Existe otro método mucho menos común para obtener alúmina, llamado sinterización. La idea es crear materiales sólidos a partir de polvos a altas temperaturas. Las bauxitas se sinterizan con sosa y cal. Estos dos elementos unen la sílice en silicatos insolubles que luego se pueden separar fácilmente de la alúmina. El proceso de sinterización consume más energía que el proceso Bayer, pero se puede utilizar para obtener alúmina a partir de bauxitas con un alto contenido de impurezas de sílice tóxicas.

Criolita

La alúmina es la fuente directa de aluminio en el proceso de producción de aluminio, pero para crear el entorno adecuado para la electrólisis, se requiere otro componente, y ese componente es la criolita. La criolita es un raro mineral de fluoruro natural que, debido a su escasez en forma natural, se ha fabricado artificialmente. En la producción moderna de metales, la criolita se obtiene mezclando ácido fluorhídrico con hidróxido de aluminio y sosa.

Producción de aluminio

Entonces, hemos extraído la bauxita, la hemos convertido en alúmina y hemos almacenado la criolita, y ahora todo está listo para la última etapa: la reducción electrolítica para fabricar aluminio. El área de reducción es el corazón de una fundición de aluminio y se ve muy diferente de las tiendas de producción en una acería típica que produce hierro fundido o acero.

El área de reducción consta de varios edificios rectangulares cuya longitud a veces supera el kilómetro. En su interior, hay cientos de celdas de reducción o cubas dispuestas en filas y conectadas a fuentes de energía a través de cables masivos.

La tensión constante en los electrodos de cada celda de reducción varía en el rango de entre 4 y 6 voltios, mientras que la corriente puede alcanzar los 300, 400 KA y más. Es la corriente eléctrica la principal fuerza de producción en este proceso. En un área de reducción típica, solo hay un puñado de personas, ya que todos los procesos clave están automatizados.

En cada celda de reducción, el aluminio se produce a partir de la alúmina mediante el proceso de reducción electrolítica. Toda la celda se llena con criolita fundida, lo que crea un entorno conductor a una temperatura de 950°C. La parte inferior de la celda funciona como el cátodo, mientras que el papel del cátodo lo desempeñan bloques especiales de criolita-carbón de 1.5 metros de longitud y 0.5 metros de ancho que se bajan en la celda. Estos bloques parecen martillos masivos.

Cada treinta minutos, un sistema automático de alimentación de alúmina vierte una nueva porción de alúmina en la celda. La corriente eléctrica que fluye a través de la celda rompe el enlace entre el aluminio y el oxígeno, haciendo que el aluminio se deposite en el fondo de la celda y forme una capa de 10-15 cm de profundidad, mientras que el oxígeno se une al carbono en los bloques de ánodo para formar dióxido de carbono.

Dos a cuatro veces al día, el aluminio se extrae de la celda con cubos de vacío especiales. Se perfora un agujero en la costra de criolita que se forma en la superficie de la celda de reducción, luego se baja un tubo por el agujero. A través de este tubo, el aluminio líquido se succiona en el cubo, del cual se elimina todo el aire de antemano. En promedio, se recupera alrededor de 1 tonelada de metal de cada celda de reducción, mientras que un cubo de vacío puede contener 4 toneladas de aluminio fundido. Una vez que el cubo está lleno, se lleva a la sala de colada.

Por cada tonelada de aluminio producido, se emiten 280,000 metros cúbicos de gases. Por esta razón, cada celda de reducción, independientemente de su diseño, está equipada con un sistema de eliminación de gases que captura los gases emitidos durante el proceso de reducción y los dirige a una planta de tratamiento de gases. Los modernos sistemas de tratamiento de gases en seco utilizan alúmina para filtrar compuestos de fluoruro tóxicos de los gases. Por lo tanto, antes de utilizarse en la producción de aluminio, la alúmina se utiliza primero para tratar los gases emitidos durante la producción anterior de aluminio. En cierto sentido, es un ciclo cerrado.

La producción de aluminio es vital para la industria moderna
La producción de aluminio es vital para la industria moderna

El proceso de reducción de aluminio requiere grandes cantidades de energía eléctrica, por lo que es importante utilizar fuentes de energía renovable que no contaminen el medio ambiente. La fuente de energía renovable más común es una planta hidroeléctrica, ya que pueden suministrar la energía requerida sin contaminar la atmósfera. Por ejemplo, en Rusia, el 95% de las fundiciones de aluminio obtienen electricidad de plantas hidroeléctricas.

Sin embargo, todavía hay lugares en el mundo que están dominados por la generación de energía a base de carbón, como en China, donde el 93% de la producción de aluminio obtiene su energía de centrales eléctricas de carbón. Cuando se utiliza energía hidroeléctrica, solo se emiten 4 toneladas de dióxido de carbono a la atmósfera por cada tonelada de aluminio producido, pero cuando se utiliza la generación de energía a base de carbón, se emite cinco veces más dióxido de carbono por cada tonelada de producción, o 21.6 toneladas de dióxido de carbono.

Colado

El aluminio fundido se transporta en cubos a la sala de colada de la fundición. En esta etapa, el metal todavía contiene una gran cantidad de hierro, silicio, cobre y otros elementos. Sin embargo, incluso las cantidades más pequeñas de impurezas pueden tener un impacto drástico en las propiedades del aluminio, por lo que en la sala de colada se eliminan todas las impurezas al volver a fundir el aluminio en un horno especial a 800°C. El aluminio puro resultante se vierte en moldes especiales donde se permite que se solidifique.

Los lingotes de aluminio más pequeños, a menudo llamados «pigs», pesan entre 6 y 22.5 kg. Cuando los clientes reciben aluminio en forma de «pigs», los vuelven a fundir, agregan los componentes que necesitan y luego los vuelven a moldear en la forma requerida para sus fines.

Los lingotes más grandes, placas de 30 toneladas y 11.5 metros de longitud, se fabrican en moldes especiales enterrados hasta 13 metros en el suelo. El aluminio caliente se vierte en un molde de esta manera durante un período de dos horas, con la placa «creciendo» en el molde desde la parte inferior hacia arriba. A medida que se moldea la placa, se enfría con agua y tan pronto como se completa el proceso de colada, la placa está lista para su envío. Por lo general, las placas se laminan en láminas delgadas que luego se utilizan en la fabricación de papel de aluminio, latas de bebidas o paneles de carrocería de automóviles.

Los lingotes de aluminio de 7 metros de longitud se utilizan para fabricar extrusiones, que es cuando el lingote se empuja a través de un agujero de la forma requerida. La extrusión es el proceso utilizado para fabricar la gran mayoría de los productos de aluminio.

Aleaciones de aluminio

En la sala de colada, no solo se le da forma al aluminio según sea necesario, sino que también se ajusta su composición química requerida. El motivo es que el aluminio puro se utiliza mucho menos que las aleaciones de aluminio.

Las aleaciones de aluminio se crean mezclando aluminio con varios otros metales (los llamados elementos aleantes). Algunos aumentan la resistencia del aluminio, otros lo hacen más denso, y otros cambian sus propiedades de transmisión de calor, entre otros efectos. Los elementos aleantes comunes incluyen boro, hierro, silicio, magnesio, manganeso, cobre, níquel, plomo, titanio, cromo, zinc, circonio, litio, escandio, plata y otros.

Además, las aleaciones de aluminio pueden incluir docenas de otros elementos aleantes como estroncio, fósforo y otros, por lo que el número total de aleaciones posibles es muy impresionante. Hoy en día se utilizan más de 100 aleaciones de aluminio en la industria.

Para más información https://thealuminiumstory.com/

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