Méndez Rojano Luis Ernesto. Modelado de procesos de manufactura. Semestre 2011-1 Producción del aluminio. Aluminio. Es el metal más abundante en la corteza terrestre terrestre (8%) y es el elemento más abundante después del oxígeno y el silicio. A diferencia del cobre o el oro, el aluminio no se encuentra en forma pura debido a su gran afinidad con el oxígeno, oxígeno, y siempre siempre se encuentra formando formando compuestos con otros elementos. El aluminio tiene muchas propiedades que lo hace funcionar en una infinidad de aplicaciones. Es ligero, sólido, sólido, no magnético y no tóxico. Buen conductor del calor y la electricidad, electricidad, y refleja la luz. Tiene buenas propiedades mecánicas y es fácil moldearlo, mantiene sus propiedades mecánicas a bajas temperaturas sin volverse frágil. La superficie del aluminio se oxida fácilmente para formar una barrera que lo protege de la corrosión. Además de todo es fácil y económico reciclarlo. Actualmente Actualmente el aluminio es el segundo metal más usado a nivel mundial debido a sus propiedades mecánicas, bajo peso, y su fácil reciclado. Es ampliamente usado en la industria del transporte, por su durabilidad, resistencia, resistencia, y ligereza. ligereza. El peso del aluminio es una tercera parte del peso del acero. Teniendo en cuenta que las piezas de aluminio deberán tener espesores mayores, pero comparándolas con piezas de acero, 1kg de aluminio reemplaza 2kg de acero, haciendo posibles carros más ligeros, camiones, etc. Lo que se traduce en menores emisiones de CO 2.
Materia prima. Los compuestos de aluminio se forman de toda clase de arcillas pero el mineral más usado es la bauxita. La bauxita está compuesta de 45 a 60% de óxido de aluminio, y el resto son elementos como arena, acero y otros compuestos metálicos. Aunque algunos depósitos de bauxita son rocas, la mayoría es tierra suave que puede ser extraída de minas a cielo abierto. Australia Australia produce más de la tercera parte de bauxita en el mundo. Toma 2kg de bauxita para producir 0.5kg de aluminio. Soda Soda cáust cáustica ica (hidr (hidróx óxido ido de sodio) sodio) es usada usada para para disolv disolver er los compu compuest estos os de alumi aluminio nio que contiene la bauxita, separándolos de las impurezas. Dependiendo de la composición de bauxita se pueden usar otros compuestos químicos para la extracción extracción del aluminio. aluminio. Almidón, cal, y sulfuro de sodio son algunos ejemplos de los compuestos químicos. Criolita, un compuesto químico que contiene sodio, aluminio, y fluor, es usado como electrodo en la fundición. La criolita se obtiene de forma sintética. Y fluoruro de aluminio es agregado para disminuir el punto de fusión del aluminio. Otro mineral usado en el proceso de fundición es carbono. Electrodos de carbono, transmiten la corrien corriente te eléctric eléctrica a a través través del electro electrolito lito.. Durante Durante la fundició fundición, n, el carbono carbono es consumid consumido o y reacciona con oxígeno para formar dióxido de carbono. Por lo que 0.2kg de carbono son necesarios para producir 2.2kg de aluminio.
Proceso de producción.
Diagrama del proceso de producción del aluminio.
Manufactura. El proceso de producción del aluminio se puede diferenciar a grandes rasgos en dos formas de producción, aluminio primario a partir de minerales y de reciclaje de aluminio. La producción de aluminio consiste de tres pasos: colección de bauxita, producción de alumina y electrolisis (Hall-Heroult).
Producción de aluminio. La bauxita tiene que ser procesada en óxido de aluminio puro (alumina) antes de poder ser reducido a aluminio por electrolisis. Esto se logra mediante un proceso químico Bayer en las refinerías de alúmina. El óxido de aluminio es obtenido de las demás sustancias en la bauxita en una solución solución de soda cáustica, cáustica, que se filtra filtra para remover remover todas las partícul partículas as insolubl insolubles. es. El hidróxido de aluminio es precipitado de la solución de soda, lavado y secado mientras que la solución es reciclada. Después de la calcinación, el producto final, óxido de aluminio (Al2O3), es un polvo fino de grano blanco. Cuatro toneladas de bauxita son requeridos para producir dos toneladas de alumina que produce una tonelada de aluminio de la fundición primaria.
El proceso de purificación de la bauxita. Para producir aluminio de alta calidad es necesario empezar con alúmina con alto grado de pureza y con un estricto control en el proceso de reducción. El proceso consiste en dos partes: 1. 2.
Puri Purifi fica caci ción ón quí quími mica ca de de la mate materi ria a prim prima a para para for forma marr alúm alúmin ina a pura pura.. Reducción de la alúmina.
Los principales materiales usados para la producción de aluminio son: Material
Uso
Alúmina (Al 2O3)
Fuente de Al
Petróleo
Producir coque
Carbono
Producir brea
Coque
Manufactura del electrodo.
Criolita (Na 3AlF6)
Diso Disolv lver er alúm alúmin ina a a 970° 970°C C
Electricidad
Reducción de alúmina a Al
Purificación de la materia prima. De la mina a cielo abierto se obtiene la bauxita, que es purificada usando el proceso Bayer que esta basado en el hecho de que sílice es un óxido ácido, alúmina es anfoterico, el óxido de hierro y tintania son básicos. El mineral es aplastado y mezclado con soda cáustica (NaOH). Esto disuelve la alúmina y algunas formas cristalinas cristalinas de sílice pero no tiene efecto en el óxido de hierro, hierro, titania. Las reacciones son las siguientes: Al2O3 + 6NaOH + 3H 2O → 2Na3Al(OH) 6 SiO2 + 4NaOH → Na 4SiO4 + 2H2O Cuando la solución de alúmina es enfriada, silicato de aluminio es precipitado, antes de alterar las condiciones del proceso permite que hidróxido de aluminio puro cristalice fuera. Esta reacción se acelera agregando una pequeña cantidad de cristales de hidróxido de aluminio puros para actuar como catalizador para el crecimiento de los cristales. Na3Al(OH) 6 + 2H2O → 3NaOH + Al(OH) 3.3H2O Los cristales puros de hidróxido hidróxido de aluminio Al(OH) 3.3H2O son calentados a 1100°C, causando que reaccionen para producir alúmina y agua: 2Al(OH) 3.3H2O + heat → Al 2O3 + 9H2O
Reducción de alúmina. No es posibl posible e la produ producci cción ón del alumi aluminio nio simple simpleme mente nte por la reac reacció ción n electr electroqu oquím ímica ica de la alúmina: 2Al2O3 → 4Al + 3O 2
Para la reducción de la alúmina se necesita la combinación de la reacción química y energía eléctrica de acuerdo a las dos reacciones siguientes: Al2O3 + 3C → 2Al + 3CO 2Al2O3 + 3C → 4Al + 2CO 2
Proceso Hall-Horoult. Este proceso utiliza una celda electrolítica y con el uso de un ánodo de carbono consumible se disminuye el voltaje requerido a un volt a la temperatura de operación de 950 a 980 °C. Debido a que la alúmina es un óxido de enlaces covalentes sólo es posible realizar el proceso de electr electróli ólisis sis cuando cuando el alum alumini inio o esta esta en su forma forma iónic iónica. a. Esto Esto es disuel disuelto to en criol criolita ita fundid fundida a (Na3AlF6), que forma complejos óxidos de fluoruro. La electrólisis requiere grandes cantidades de energía por la afinidad del aluminio con el oxígeno oxígeno haciendo la reacción reacción altamente exotérmica. exotérmica. La -1 entalpia de formación de óxido de aluminio Al 2O3 es -1676 kJ mol La electrolisis es realizada en un horno eléctrico usando electrodos de carbono.
Cada celda tiene 4 metros de ancho y 10 metros de largo. La base está alineada con carbono formando el cátodo donde el aluminio es depositado. Suspendidos por encima de la celda y sumergidos sumergidos dentro de la mezcla fundida alúmina-criolita hay 18 bloques de carbono (ánodos) que son electroquímicamente electroquímicamente oxidados. oxidados. Cada bloque tiene el carbono suficiente para durar de 24 a 28 días dentro de la celda. Una corriente de 170,000 Amperes es pasada a través de cada olla, con una caída de potencial de 4.2 a 4.4 volts. Esto mantiene la olla a una temperatura de operación aproximadamente de 1000°C causando la reducción de la alúmina. El aluminio fundido se acumula en el cátodo de carbono y es retirado de la olla obteniendo aproximadamente una tonelada al día. Debido a que el proceso de función del aluminio requiere altas corrientes eléctricas pasando por electrolitos fundidos. Lo que demanda 15kWh para producir 1kg de aluminio. El costo de la energía representa una tercera parte el costo de la producción del aluminio.
Diagrama de la celda electrolítica (olla) La celda se diseña con los siguientes objetivos: 1.Sirve de contenedor del aluminio fundido. 2.Resiste las altas temperaturas de los materiales fundidos que contiene. 3.Resiste los ataques químicos de los compuestos fundidos de los electrolitos. 4.Resistencia al desgaste causado por la alúmina ya que actúa como abrasivo. 5.Reduce las pérdidas de calor para una operación óptima técnica y económicamente posible. 6.Ser lo suficientemente suficientemente resistente mecánicamente, mecánicamente, pero también debe ser elástica para soportar la expansión térmica. 7.Soportar la corriente eléctrica proveniente de los ánodos con un caída de voltaje mínima.
Ollas para la reducción de la alúmina. El aluminio fundido obtenido de la celda electrolítica,es electrolítica,es transportado transportado a la nave de colada donde se obtie obtienen nen aleac aleacion iones es con la adici adición ón de otro otros s metal metales es (de acuer acuerdo do a las necesi necesidad dades es de los usuarios), es limpiado de los óxidos y gases, y después se moldea en lingoteras. Para obtener tochos de aluminio para diferentes procesos.
Grados de pureza. El contenido de aluminio es el principal criterio para determinar el grado de pureza, aunque otras consideraciones son tomadas en cuenta: Contenido de alumino. 99.95 (alta pureza) 99.80% 99.50% 99.50%
Impurezas.
Usos.
Silicio %
Hierro %
< 0.006
< 0.006
Extr Extrus usió ión, n, ánod ánodos os de conductor eléctrico.
< 0.15
< 0.15
Plomeria, jollería.
< 0.25
< 0.40
Planta tuberia.
(Si + Fe) < 1.0%
química,
Ollas. Sartenes.
cort corte, e,
tanques,
Aleaciones. También se pueden agregar otros elementos para mejorar las propiedades mecánicas. La siguiente tabla muestra las principales aleaciones: Elemento de la aleación
Contenido
Producto
Usos
Cobre
Mayor a 4.5%
Lámina, Piezas fundición
Partes de avión de alta resistencia
Manganeso
1.25%
Lámina
Ollas, sartenes.
Silicio
Mayor a 13%
Fundición
Partes de motor
Manganeso y si silicio
0.7%Mg y 0.4%Si
Lámina, ex extrusiones
Extrusiones arquetectonicas
Magnesio
Mayor a 5%
Lámina
Usos marinos,
Zinc, magnesio y cobre
5.8%Zn, 2.5%Mg y 1.4%Cu
Lámina, extrusión
Piezas de avión de alta resistencia
La resistencia del aluminio puede ser incrementada por: 1.Operación de trabajo en frío. 2.Tratamiento térmico, especialmente con silicio y zinc, magnesio y cobre, usando el proceso de homogeneización. La aleación se lleva a cabo por la adición del elemento de aleación al aluminio fundido. Esto se hace en un horno especial agregando el elemento directamente.
Fuentes.
[1]http://www.eaa.net/en/about-aluminium/production-process/ [1]http://www.eaa.net/en/about-aluminium/production-process/ [2]http://www.answers.com/topic/aluminium [2]http://www.answers.com/topic/aluminium [3]http://www.aluminumsmeltingprocess.com/index.html [3]http://www.aluminumsmeltingprocess.com/index.html
