home
sabelotodo
logo
entrar
comentario
colaborar

Producción del Aluminio.


Para la obtención del aluminio se usan menas que contienen Al2O3. Entre estas están las:
  1. Bauxitas: Las bauxitas contienen el equivalente a 30-57% de Al2O3 en forma de hidróxido de aluminio Al(OH)3 ; 17-35% de Fe2O3 ; 3-13% de SiO2 ; 2-4% de TiO2 ; hasta 3% de CaO y 10-18% de H2O
  2. Nefelinas: Las nefelinas se producen en forma de colas, después del beneficio de rocas de apatitas y contienen cerca de 30% de Al2O3 ; 20% de Na2O+K2O ; 40-45% de SiO2 ; 2-4% de CaO y 2-4% de Fe2O3.
  3. Alunitas: Las alunitas contienen 20-21% Al2O3 ; 4.5-5% de Na2O+K2O ; 22-23% de SO3 ; 41-42% de SiO2 ; 4-5% de Fe2O3 y  6-7% de H2O.
  4. Caolines.
Las menas principales para la producción de aluminio son las bauxitas y las nefelinas. Al usarse las nefelinas para la producción de aluminio se obtienen valiosos productos derivados; la potasa y la sosa caústica.

El proceso tecnológico para la elaboración del aluminio se divide, en lo fundamental, en dos etapas:
  1. La obtención de la alúmina (Al2O3) a partir de la mena.
  2. La obtención del aluminio a partir de la alúmina.

Obtención de la alúmina.

Para obtener la alúmina desde la mena se usan diferentes procedimientos, dos de los cuales son:
  1. Tratamiento con sosa caústica.
  2. Tratamiento con carbonatos.

Tratamiento con sosa caústica.

Este método es mas conveniente cuando la cantidad de de sílice (SiO2) es menor del 5% en la mena.

Según este procedimiento, la bauxita se muele y se carga a unos autoclaves para su lixiviación. A los autoclaves de agrega una disolución de sosa caústica y se da vapor hasta una presión de trabajo de 12 atm y una temperatura de 160-170oC.

La alúmina, que se encuentra en la bauxita en forma de hidróxido de aluminio, reacciona con la sosa y pasa a la disolución en forma de aluminato sódico (Na2O.Al2O3):

2Al(OH)3 + 2NaOH ==> Na2O.Al2O3 + 4H2O

Los óxidos de hierro presentes, no reaccionan y pasan a los lodos.

La sílice reacciona con la sosa y pasa a la disolución en forma de silicato sódico (Na2O.SiO2):

SiO2 + 2Na(OH) ==> Na2O.SiO2 + H2O

El silicato sódico, actúa con el aluminato sódico en la disolución y forma el alumino-silicato sódico insoluble (Na2O.SiO2.2SiO2.2H2O):

Na2O.Al2O3 + 2Na2O.SiO2 + 4H2O ==> Na2O.SiO2.2SiO2.2H2O + 4NaOH

Como resultado de esta reacción, la disolución se limpia de sílice pero cierta cantidad de aluminio para a los precipitados.

Finalmente se ha obtenido el aluminato sódico (Na2O.Al2O3) como una masa pastosa en el autoclave. Del autoclave se envía a un aparato de evaporación especial, donde la masa se enfría y se hidroliza el aluminato sódico para obtener el hidróxido de aluminio (Al(OH)3) cristalino precipitado. Este proceso se inocula con cristales de hidróxido de aluminio para servir de centros de cristalización.

Na2O.Al2O3  + 4H2O <==> NaOH + 2Al(OH)3

Finalmente se hace la calcinación a 1200oC del hidróxido obtenido en hornos rotatorios para convertirlo en alúmina (Al2O3):

2Al(OH)3 ==> Al2O3 + H2O

El rendimiento de alúmina a partir de la mena, por este procedimiento es cerca del 85%.


Tratamiento con carbonatos.

Las menas se trituran y se mezclan con carbonato de sodio y carbonato de calcio y se sinteriza a  1100oC, como resultado se obtiene el aluminato sódico sólido (Na2O.Al2O3), así como el silicato cálcico (CaO.SiO2) y la ferrita sódica (Fe2O3.Na2O), según las reacciones.

Al2O3 + Na2CO3  ==> Na2O.Al2O3 + CO2

2CaCO3 + SiO2 ==> CaO.SiO2 + 2CO2

2Fe2O3 + Na2CO3 ==> 2Fe2O3.Na2O + CO2

Después de la sinterización la masa se muele y se somete a la lixiviación, durante la cual pasan a la disolución el aluminato sódico (Na2O.Al2O3) y la ferrita sódica (2Fe2O3.Na2O), el silicato cálcico (CaO.SiO2) precipita, así como algunas otras impurezas. Con el tiempo posterior la ferrita sódica en disolución se hidroliza y forma hidróxido de hierro insoluble (Fe(OH)3) que precipita, y sosa cáustica (NaOH) que pasa a la disolución, según la reacción:

Fe2O3.Na2O + 4H2O ==> 2Fe(OH)3 +2NaOH

Luego el aluminato de sodio se somete a la carbonatación con CO2 para formar hidróxido de aluminio (Al(OH)3) insoluble que precipita y carbonato de sodio (Na3CO3) que pasa a la disolución; la reacción es la siguiente:

Na2O.Al2O3 + CO2 + 3H2O ==> 2Al(OH)3 +Na3CO3

Finalmente se hace la calcinación del hidróxido de aluminio para obtener alúmina (Al2O3) pura, igual que en caso anterior.

2Al(OH)
3 ==> Al2O3 + H2O

En ambos procesos el resultado final es la alúmina, base para la producción del aluminio metálico.

Obtención del aluminio.

El óxido deshidratado del aluminio tiene una temperatura de fusión de 2050 oC y de ebullición de 2980 oC sin descomposición, resulta una sustancia muy estable. La reducción del óxido a aluminio resulta imposible con carbono o con monóxido de carbono ya que este proceso lleva a la formación de carburos (Al4C3). Tampoco se logra obtener aluminio por disolución acuosa de sales, ya que en el cátodo se desprende solo hidrógeno.

Por eso, el aluminio se obtiene por electrólisis, a partir de la alúmina disuelta en criolita (Na3AlF6) fundida, la que a su vez se produce usando fluorita (CaF2), el hidróxido de aluminio, el carbonato sódico y el ácido sulfúrico.

El baño electrolítico se compone de una caja de acero recubierta interiormente con ladrillos termo aislantes, el fondo de la caja está recubierta de bloques de carbón conductor y que sirven como uno de los electrodos (cátodo). Por encima de la cuba se colocan otros electrodos de carbón y se conectan a la corriente directa de 5 a 10 V. Con ello se produce la circulación de una corriente muy elevada, que además de producir la electrólisis, calienta la solución de alúmina en la criolita fundida hasta 950-1000oC, manteniéndola líquida.

Se acepta que el proceso electrolítico transcurre como sigue:

Bajo la acción de la corriente la criolita fundida se disocia en iones.

Na3AlF6 ==> 3Na+ + AlF63-

La alúmina disuelta también se disocia en iones.

Al2O3 ==> Al3+ + AlO33-

De manera que son transportados al cátodo los iones 3Na+ y Al3+  , como el ion de aluminio tiene un potencial negativo menor que el sódico, se descarga allí solo el aluminio, convirtiéndose en aluminio metálico que precipita en el fondo del baño caliente en forma líquida.

Los iones de sodio reaccionan con el anión  AlO33- para formar aluminato sódico según:

3Na+ + AlO33- ==> Na3AlO3

Los iones negativos o aniones se dirigen al ánodo, se forma allí alúmina y se desprende oxígeno, según:

2AlO33-  - 6e ==> Al2O3 + 3/2O2

El oxigeno desprendido reacciona con el carbón para formar CO y CO2 que se desprenden del baño como gases.

El aluminio líquido se extrae de tiempo en tiempo desde el fondo por sifón.

Por este método, para obtener una tonelada de aluminio se usan 2 toneladas de alúmina, 100 kg de criolita, hasta 600 kg de los electrodos de carbón y de 16,500 a 18,500 Kwh de energía eléctrica.

Afinación del aluminio.

El aluminio obtenido de las cubas de electrólisis de la alúmina contiene cierta cantidad de impurezas, alúmina, criolita y gases, por lo que para obtener aluminio de alta pureza (99.85-99.9%) se someten a un proceso de afinación.

Hay dos vías principales de afinar el aluminio:
  1. La clorinación: Por este método se insufla cloro a la masa de aluminio fundido a temperatura de entre 750-770oC, durante unos 10-15 minutos. Durante la insuflación las impurezas reaccionan con el cloro y se separan del aluminio, aunque una parte (1%) del aluminio reacciona también y se separa, produciendo pérdidas del material.
  2. La afinación electrolítica: Para afinar el aluminio por el método electrolítico, las barras de aluminio impuro se colocan como ánodos en un baño de sales de cloro y flúor y este se descarga a pureza muy elevada en cátodos hechos de aluminio puro.

Otros temas sobre metalurgia aquí.
Para ir al índice principal del portal aquí.