Extracción y refinación del aluminio

La producción de aluminio a partir de bauxita es un proceso en dos etapas: refinado de bauxita para obtener alúmina y fundición de alúmina para producir aluminio. La bauxita contiene un número de impurezas, incluyendo óxido de hierro, sílice y titania. Si estas impurezas no se eliminan durante el refinado, se alearán con el metal y lo contaminarán durante el proceso de fundición.

El mineral, por lo tanto, debe ser tratado para eliminar estas impurezas. La alúmina purificada generalmente contiene entre 0,5 y 1 por ciento de agua, entre 0,3 y 0,5 por ciento de sosa y menos de 0,1 por ciento de otros óxidos. El proceso de Bayer, con varias modificaciones, es el método más utilizado para la producción de alúmina, y todo el aluminio se produce a partir de alúmina utilizando el proceso electrolítico de Hall-Héroult.

Refinación del mineral

Existen varios métodos alcalinos, ácidos y térmicos para refinar bauxita, arcilla u otros minerales para obtener alúmina. Los procesos ácidos y electrotérmicos suelen ser demasiado caros o no producen alúmina de pureza suficiente para uso comercial. En China y Rusia se utiliza un proceso que implica el tratamiento del mineral con cal y sosa.
El proceso de Bayer consta de cuatro pasos: digestión, clarificación, precipitación y calcinación.extracion del aluminio

En el primer paso, la bauxita se muele, se mezcla con una solución de sosa cáustica (hidróxido de sodio) y se bombea a grandes tanques de presión llamados digestores, donde el mineral se somete al calor y la presión del vapor. El hidróxido de sodio reacciona con los minerales aluminosos de la bauxita para formar una solución saturada de aluminato de sodio; las impurezas insolubles, llamadas lodo rojo, permanecen en suspensión y se separan en la etapa de clarificación.

Después de la digestión, la mezcla pasa a través de una serie de tanques reductores de presión (llamados tanques de soplado), donde la solución se evapora a presión atmosférica. (El vapor generado en el flasheo se utiliza para calentar la solución cáustica que vuelve a la digestión.) El siguiente paso en el proceso es separar el lodo rojo insoluble de la solución de aluminato de sodio.

El material grueso (por ejemplo, arena de playa) se elimina en ciclones de crudo llamados trampas de arena. Los residuos más finos se depositan en los espesadores de rastrillo con la adición de floculantes sintéticos, y los sólidos en el desbordamiento del espesador se eliminan mediante filtros de tela. Estos residuos se lavan, combinan y descartan. La solución clarificada se enfría aún más en intercambiadores de calor, aumentando el grado de supersaturación de la alúmina disuelta, y se bombea a precipitadores altos, en forma de silos.

Se agregan cantidades considerables de cristales de hidróxido de aluminio a la solución en los precipitadores como siembra para acelerar la separación de cristales. Los cristales de semillas atraen a otros cristales y forman aglomerados; estos se clasifican en material de mayor tamaño de producto y material más fino que se recicla como semilla.

Los aglomerados de tamaño de producto de los cristales de hidróxido de aluminio son filtrados, lavados para eliminar la sosa cáustica o solución arrastrada y calcinados en hornos rotatorios o calcinadores flash estacionarios de lecho fluidizado a temperaturas superiores a 960 °C. El agua libre y el agua que se combina químicamente se eliminan, dejando alúmina comercialmente pura -u óxido de aluminio- un polvo seco, fino y blanco similar al azúcar en apariencia y consistencia. Es mitad aluminio y mitad oxígeno por peso, unidas tan firmemente que ni los productos químicos ni el calor por sí solos pueden separarlas.Refinación del mineral del aluminio

Durante la Segunda Guerra Mundial se desarrolló el proceso de combinación de Alcoa para procesar minerales de baja ley que contenían porcentajes relativamente altos de sílice. Muy brevemente, este proceso recupera la alúmina que se ha combinado con sílice durante el proceso de digestión y que ha sido filtrada con el barro rojo.

El lodo rojo no se desecha, sino que se calienta con piedra caliza (carbonato de calcio) y ceniza de sosa (carbonato de sodio) para producir un producto sinterizado que contiene aluminato de sodio lixiviable. Este producto es digerido o lixiviado de una manera similar a la de la bauxita para extraer el aluminato de sodio de los materiales insolubles de hierro, calcio y silicio. A continuación, el lodo pasa por los pasos restantes del proceso de Bayer. El residuo de residuos se llama lodo marrón.

La alúmina producida por el proceso Bayer es bastante pura, y sólo contiene unas pocas centésimas del 1 por ciento de hierro y silicio. La mayor impureza, la sosa residual, está presente en niveles de 0,2 a 0,6 por ciento. Además de ser la principal materia prima para la producción de aluminio metálico, la alúmina en sí misma es un producto químico importante. Se utiliza ampliamente en las industrias química, refractaria, cerámica y petrolera.

La refinación de cuatro toneladas de bauxita produce alrededor de dos toneladas de alúmina. Una planta típica de alúmina, utilizando el proceso de Bayer, puede producir 4.000 toneladas de alúmina al día. El costo de la alúmina puede variar ampliamente, dependiendo del tamaño y la eficiencia de la planta, de los costos de mano de obra y de los gastos generales, y del costo de la bauxita.

Fundición

Aunque existen varios métodos de producción de aluminio, sólo uno se utiliza comercialmente. El proceso Deville, que implica la reacción directa del sodio metálico con el cloruro de aluminio, fue la base de la producción de aluminio a finales del siglo XIX, pero se ha abandonado en favor de un proceso electrolítico más económico. Un enfoque carbotérmico, el método clásico para reducir (eliminar el oxígeno de) los óxidos metálicos, ha sido durante años objeto de una intensa investigación.Fundición del aluminio

Esto implica calentar el óxido junto con el carbono para producir monóxido de carbono y aluminio. El gran atractivo de la fundición carbotérmica es la posibilidad de evitar el refinado de alúmina y de comenzar con minerales de menor calidad que la bauxita y carbón de menor calidad que el coque de petróleo. Sin embargo, a pesar de muchos años de investigación intensiva, no se ha encontrado ningún competidor económico para el enfoque Bayer-Hall-Héroult.

Aunque en principio no ha cambiado, el proceso de fundición de Hall-Héroult de hoy en día difiere en gran medida en escala y detalle del proceso original. La tecnología moderna ha producido mejoras sustanciales en los equipos y materiales, y ha reducido los costos finales.

En una fundición moderna, la alúmina se disuelve en macetas de reducción -conchas rectangulares de acero revestidas de carbón- que se llenan con un electrolito fundido que consiste principalmente en un compuesto de sodio, aluminio y flúor llamado criolita.

Por medio de ánodos de carbono, la corriente continua pasa a través del electrolito a un revestimiento de cátodo de carbono en la parte inferior de la celda. Se forma una costra en la superficie del baño fundido. Sobre esta corteza se añade alúmina, donde se precalienta por el calor de la célula (aproximadamente 950 °C) y se elimina la humedad adsorbida. Periódicamente se rompe la corteza y la alúmina se introduce en el baño. En las células más nuevas, la alúmina se introduce directamente en el baño de fusión por medio de alimentadores automáticos.

Los resultados de la electrólisis son la deposición de aluminio fundido en el fondo de la celda y la evolución del dióxido de carbono en el ánodo de carbono. Aproximadamente 450 gramos de carbono se consumen por cada kilogramo de aluminio producido. Por cada kilogramo de aluminio producido se consumen unos 2 kg de alúmina.

El proceso de fundición es continuo. Periódicamente se añade al baño alúmina adicional para reemplazar la consumida por la reducción. El calor generado por la corriente eléctrica mantiene el baño en estado fundido para que la alúmina fresca se disuelva. Periódicamente, el aluminio fundido es desviado.

Debido a que en el proceso se pierde algo de fluoruro del electrolito de criolita, se agrega fluoruro de aluminio, según sea necesario, para restaurar la composición química del baño. Un baño con un exceso de fluoruro de aluminio proporciona la máxima eficiencia.

En la práctica, largas filas de macetas de reducción, llamadas líneas de macetas, están conectadas eléctricamente en serie. Los voltajes normales para las ollas van de cuatro a seis voltios, y las cargas de corriente van de 30.000 a 300.000 amperios. De 50 a 250 potes pueden formar una sola línea de potes con un voltaje total de línea de más de 1,000 voltios. La energía es uno de los ingredientes más costosos del aluminio.

Desde 1900, los productores de aluminio han buscado fuentes de energía hidroeléctrica barata, pero también han tenido que construir muchas instalaciones que utilizan energía de combustibles fósiles. Los avances tecnológicos han reducido la cantidad de energía eléctrica necesaria para producir un kilogramo de aluminio. En 1940 esa cifra era de 19 kilovatios-hora. En 1990, la cantidad de energía eléctrica consumida por cada kilogramo de aluminio producido había disminuido a unos 13 kilovatios-hora para las células más eficientes.

El aluminio fundido se extrae de las células en crisoles grandes. Desde allí, el metal puede verterse directamente en los moldes para producir lingotes de fundición, puede transferirse a hornos de mantenimiento para su posterior refinado o para su aleación con otros metales, o ambos, para formar lingotes de fabricación. Como proviene de la célula, el aluminio primario tiene una pureza del 99,8 por ciento.reciclaje del aluminio

La automatización y el control por computadora han tenido un marcado efecto en las operaciones de la fundición. Las instalaciones de reducción más modernas utilizan plantas de carbono totalmente mecanizadas y control computarizado para monitorear y automatizar las operaciones de la línea de producción de macetas.

Reciclaje

Debido a que la refundición de la chatarra de aluminio consume sólo el 5 por ciento de la energía necesaria para fabricar aluminio primario a partir de bauxita, la chatarra «en proceso» procedente de la fabricación de láminas, piezas forjadas y extrusiones ha vuelto al horno de fusión desde que comenzó la producción.

Además, poco antes de la Primera Guerra Mundial, la «nueva» chatarra producida durante la fabricación de productos comerciales y domésticos a partir del aluminio fue recogida por empresarios que iniciaron lo que se conoce como la industria del aluminio secundario. La composición química de la chatarra nueva suele estar bien definida; por consiguiente, a menudo se vende a los productores de aluminio primario para que la conviertan en la misma aleación.

La chatarra «nueva» se complementa ahora en gran medida con la chatarra «vieja», que se genera mediante el reciclaje de productos de consumo desechados, como automóviles o sillas de jardín. Debido a que la chatarra vieja es a menudo sucia y una mezcla de muchas aleaciones, generalmente termina en aleaciones de fundición, que tienen niveles más altos de elementos de aleación.

Los envases usados de aluminio para bebidas constituyen un tipo único de chatarra vieja. Aunque los cuerpos y tapas de estas latas están hechos de diferentes aleaciones de aluminio, ambos contienen magnesio y manganeso. En consecuencia, los envases de bebidas recicladas pueden utilizarse para rehacer las existencias de cualquiera de los dos productos.

La energía necesaria para producir una lata de bebida a partir de chatarra es aproximadamente el 30 por ciento de la energía necesaria para producir la lata a partir de metal primario. Por esta razón, el reciclaje de envases de bebidas usados representa una fuente creciente de metal para los productores de metales primarios.